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1、目录ABSTRACT3一、 绪论51.1 光互连网络技术概述51.1.1 电互连技术的特点与局限51.1.2 光互连网络的特点与优势61.1.3 片上光互连网络71.2 微环的由来和发展101.3论文的工作与主要创新点111.3.1 论文工作及内容安排111.3.2论文创新点12二、 理论基础142.1微环的基本原理142.1.1单个微环152.1.2 微环的参数和指标172.1.3串联双环232.1.4交叉双环252.2片上光网络基础262.2.1常见的光互连网络272.2.2重要参量292.3本章小节30三、 基于串联双环的NN的交换网络323.1串联双环的设计333.2网络拓扑403.3
2、仿真结果及分析413.3.1仿真平台简介413.3.2结果及分析423.3.3优缺点及改进方向453.4本章小结45四、 基于交叉双环的88 Bense网络464.1交叉双环的设计464.2网络拓扑504.2.1 Bense网络514.2.2 交叉波导设计514.3仿真结果及分析554.4本章小结55五、 总结与展望57致谢59参考文献60在学期间的研究成果61摘要 现有的互连网络面对着日益增长信息流量和越来越多的处理端口，其固有的局限性越来越难以掩饰。主要矛盾集中在基于电的互连方式在带宽、能耗、抗干扰性等方面难以满足发展需求。摩尔定律被打破是迟早的事情了。此时基于光信号的互连方式由于近年来研
3、究的不断发展已经有了弥补甚至取代电互连的希望。片上光互连在带宽、能耗、抗干扰性等方面有着电互连难以企及的巨大优势，而且由于能有效结合CMOS技术工艺，现在业已成为突破当前瓶颈的不二之选。论文主要研究了基于微环谐振器的片上光互连结构，分别从基本元器件的设计和片上光互连网络拓扑结构的优化两个方面进行了阐述。主要取得了以下成果： （1）论文系统的归纳总结了设计片上光互连网络的整套流程。从材料的选取到基本串联双环和交叉双环的设计优化，再到网络拓扑结构比较选取，论文都有详细阐述。 （2）论文从串联双环和交叉双环的性能指标入手，通过传输矩阵法推导出了包括场传输特性T、增强因子FE、精细度F和自由频谱范围F
4、SR等参数的表达式，并分析了耦合系数和传输系数等对这些参数的影响。论文最终设计出了工作在1550nm通信波段的半径为7m，波导宽度200nm，波导间距Gap 100 nm的串联双环。同样工作在1550波段的6m大小的交叉双环也完成了设计，其波导宽度为300nm，波导间隙100nm。 （3）论文重点提出了基于串联双环的能实现点对点任意连接的NN交换网络，并举例说明了44网络结构。是通过在谐振器上加工电极来控制的该设计具有易集成、可大规模互连、使用微环数量少、控制简单等优点。其中该结构的插入损耗约为2.2dB,消光比大于130dB。而且每次只用控制其中的两个微环。 （4）论文同样对基于交叉双环的8
5、8 Bense网络进行了尝试。利用已有的交叉双环设计，我们完成了对bense网络的设计，并对网络基本单元之间的交叉波导进行了优化设计。最后我们通过仿真软件对比了常见的互连网络，证明了该设计在功耗和面积等方面均有所提高。关键词：微环谐振器 片上光互连 串联双环 交叉双环ABSTRACT Existing interconnection network in the face of the growing traffic and deal with the more and more ports, is increasingly difficult to disguise its inherent
6、 limitations.Principal contradiction is focused on the interconnect based on electricity in such aspects as bandwidth, power consumption, anti-jamming is difficult to meet the demand of development.Moores law has been broken sooner or later.At this point based on the optical signal interconnection w
7、ay due to the development of research in recent years there has been a make up or even replace electrical interconnection of hope.Piece of glazing interconnection in such aspects as bandwidth, power consumption, anti-interference with electrical interconnection beyond the reach of a huge advantage,
8、and with combined with CMOS technology effectively, now has become the key to breakthrough the bottleneck of choice. An NN optical switch based on cascaded microring resonators on chip was proposed. As an example, the 44 optical switch was further investigated. We have successfully demonstrated its
9、relatively low insertion loss of 2.2 dB and negligible crosstalk. The extinction ratio (ER) is as large as 130 dB. Thermal tuning is employed to make the microrings be in resonance or not, which leads to a response time of several hundred s. Alternatively, doping the desired waveguide regions with p
10、-type or n-type dopants is able to achieve a better response time of several ns. The proposed design is easily integrated to a large scale with less microring resonators, which ensure a compact size and low power consumption. In this paper we proposed a method to construct NN optical switch based on
11、 cascaded microring resonators. A 44 switch was discussed in detail, and its fairly low insertion loss and crosstalk were successfully demonstrated. A quite large ER was gained as well. Initially, we described a basic 22 switching element with the transfer matrix method and got the ratio N. For a pe
12、rfect performance, a suitable k1 was found out and it was 0.3. Furthermore, the ratio of each input port and output port were deduced and showed us the satisfying performance in the pictures. Finally, the results of simulation were found to accord well with the theoretical calculations. In a word, a
13、 high performance switch based on cascaded microring resonators can be achieved with the reasonable description in the paper. Thesis mainly based on micro ring resonator are studied of glazing interconnection structure, respectively from the basic components of design and glazing interconnection net
14、work topology optimization of the two aspects are expounded.Basically achieved the following results:(1) the paper system summarized design piece polishing process of a complete set of interconnected networks.From material selection to basic series double loop and cross double loop design optimizati
15、on, to the network topology is selected, the paper has in detail.(2) the paper series double loop and cross the performance indexes of double loop, including field is deduced by transfer matrix method of transmission characteristics of T, enhancement factor FE, fine degrees F and free spectral range
16、 FSR parameters such as expression, and analyzed the coupling coefficient and transmission coefficient on the influence of these parameters.Paper finally design out of the work in a radius of 1550 nm communication band (including 7 m, width of 200 nm, waveguide series double ring spacing Gap 100 nm.
17、Same job in 1550 bands (including 6 m cross double loop also completed the design, the size of the waveguide width is 300 nm, 100 nm waveguide clearance.(3) the paper emphasis is presented based on the series of double loop can realize point-to-point arbitrary connection N * N exchange network, and
18、illustrates the network structure of 4 * 4.By processing on the resonator electrode to control the design with easy integration, large-scale interconnected, using micro ring number less, simple control, etc.The structure of insertion loss about 2.2 dB, extinction ratio greater than 130 dB.And only t
19、wo of the micro ring control.(4) the paper also based on the 8 x 8 Bense of cross double loop network has carried on the attempt.Leverage existing cross double loop design, we completed the design of bense network, and network optimization design was carried out on the intersection between the basic
20、 unit of waveguide.Finally, we compared the common interconnection network simulation software, proved that the design in terms of power consumption and area are improved.Keywords: micro ring resonator glazing interconnection series double ring cross double loop一、 绪论 现有的互连网络面对着日益增长信息流量和越来越多的处理端口，其固有
21、的局限性越来越难以掩饰。主要矛盾集中在基于电的互连方式在带宽、能耗、抗干扰性等方面难以满足发展需求。摩尔定律被打破是迟早的事情了。此时基于光信号的互连方式由于近年来研究的不断发展已经有了弥补甚至取代电互连的希望。片上光互连在带宽、能耗、抗干扰性等方面有着电互连难以企及的巨大优势，而且由于能有效结合CMOS技术工艺，现在业已成为突破当前瓶颈的不二之选。 1.1 光互连网络技术概述 所谓的“光互连”是指根据光子的波粒二相性与物质发生相互作用进而产生的各种现象进而实现数据和信号高速传输与交换的理论和技术4。光互连技术的主要特点之一就是光信息的并行传输，具体来说，可以理解为用光子技术实现两个及两个以上
22、通信单元之间的多通道链接结构。光互连现在已发展成为解决有望解决巨型机或超巨型计算机内部网络互连性能瓶颈的关键技术。1.1.1 电互连技术的特点与局限 在计算机快速发展的几十年时间里，基于电信号的互连技术一直在计算机内各级互连网络中占据着绝对的主导地位。电互连技术具有工艺成熟、成本低廉、连接简便等优点，但是随着芯片处理单元对通信网络速度和带宽的要求日渐提高，电互连网络所固有的局限性便逐渐显现出来，主要表现在以下几个方面3：(1)带宽限制：从某种意义上来说，连接导线可以看作一个低通滤波器，其有限的带宽会致使信号发生严重失真。(2)时钟歪斜：保证逻辑时钟信号无失真地传输是数据能够正确处理的前提。导线
23、的有限带宽限制可能会引发逻辑门输入信号前沿畸变，进而可能造成输出信号的误码。(3)严重串话：当一段导线传输超高频信号时，由于其辐射能量正比于传输频率，为高次方关系，因此在传输频率较高的情况下，就演变成了邻近导线之间的的天线发射、或天线接收。这种的串话严重的的话，可能会导致系统无法正常工作。(4)寄生效应：传输电信号的金属线的分布电感和分布电容往往会造成传输信号的误码率提高。(5)高功耗：研究证明，将30cm长导线充电到1V所需消耗的能量大约是一个电子逻辑开关开关能量的1000倍。在利用导线传输信号时，金属导线各个单位长度均需充电到达逻辑电平，因而需要很大的能量，且随着输入信号频率提高，功其耗会
24、大大增加。(6)易受电磁场的干扰。 总而言之，随着大规模集成电路中元器件尺寸的不断减小、芯片尺寸的持续增大、频率需求的逐渐提高以及在系统结构等方面大规模采用并行传输技术，数据流量急剧增加，而电互连技术由于在带宽限制、能耗、抗干扰性、时钟歪斜、互连密度、时钟歪斜等方面的限制和不足，即所谓的“电子瓶颈”，面临着难以解决的矛盾，采用光互连技术来解决计算机通信中的“瓶颈”早在20世纪80年代初就被提了出来。1.1.2 光互连网络的特点与优势 自20世纪80年代起，人们就对全光数字计算机进行了一系列研究。这对光互连网络和光逻辑开关器件的开发研究起了积极推动作用。从理论上讲，与电互连相比，光互连具有以下优
25、点5：(1)极高的空间和时间带宽积。由于自由空间的无色散特性，载波空间带宽高达100THz。可以认为空间和时间带宽积是无穷大的，信息可以实现无失真传输。(2)抗干扰性。光信号的传播遵循光的独立传播原理，因而多路光信息可以相互交叉而又独立无干扰地传输信息，且不受电磁场的干扰。(3)互连数大、互连密度高。通常可认为，光互连系统是物平面上的信息传递到像平面上的相应部分的光学系统，理论上其互连总数可达到106。(4)无触点互连。光互连技术在被互连的光逻辑开关元器件上没有物理接触点，这样可明显提高可靠性、互连密度。(5)等光程性。光互连系统路径的等光程特性保证了各对应点之间互连的等光程性。(6)低功耗。
26、光传递信息的机理是光量子阻抗变换，其功耗极低，并且不会随着信号传输速率的提高而增加。1.1.3 片上光互连网络 近几年来，由于网络视频流、社交网络、搜索引擎和云计算等新型应用的不断出现，因特网业务量增长正一种呈指数式爆发，这就需要更为强大的数据中心和服务器来支撑。这些应用都是些数据密集型的业务，需要在数据中心的服务器间进行海量的数据交互。而这些交互就要求数据中心内的网络互连要具有更宽的带宽、更低的时延。另外，随着单个芯片上集成的计算核数量越来越大，数据中心配线架之间的数据交互需求将飞速增长。为了满足数据中心间不断增长的通信带宽需求，并同时满足低能耗限制，必须采用全新的互连方法。光互连技术已广泛
27、地应用于长距离通信网络，可提供高吞吐量、低能耗和低时延的通信服务。光互连可以利用时分复用（TDM）、波分复用（WDM）等技术来提高链路的带宽利用率。当前，光通信网络已经由不透明的光网络发展成为全光（透明）网络。对不透明光网络来说，承载业务量的光信号需要在各个节点进行光-电-光（OEO）转换，然而全光网络使用的光交叉连接（OXC）和可重配光插分复用器（ROADM）可以提高通信带宽，同时降低能量损耗和运行成本。目前，应用于数据中心的光互连技术仅可以实现点到点的通信链路构造，有点类似于传统的电互连网络（不透明网络）。链路多采用低价多模光纤（MMF）来代替铜线电缆进行短距离数据交换，然而由于交换机采用
28、的是电分组交换技术，就需要在交换机内进行光电和电光转换，这样会增加额外的能源消耗。全光互连将提供一种可行的解决方案来满足通信需求，同时也可极大地降低能耗。根据文献7的报告，数据中心如果使用全光网络最多可节省75%的能耗。 鉴于光互连技术的种种优势，人们纷纷考虑实现的可能性。随着光通信技术的不断发展，当前光互连技术已经通过FTTx技术在光接入网络上得到广泛应用，光互连将进一步应用于数据中心（配线架到配线架）、计算机系统（板卡到板卡、芯片到芯片和芯片内部）。根据应用距离的不同，光互连系统可以进行分类，不同场合对光通信性能指标的要求也会有所不同，如：在长距离光纤通信系统中无需特别关注的能耗指标对芯片
29、间和芯片内光互连来说就显得尤其重要。可以将光互连系统大致分为以下几种类型：芯片内部互连或片上互连（距离小于几厘米）、芯片间互连（距离小于数十厘米）、电路板之间（距离小于1米）、配线架之间（距离小于100米）以及数据中心应用。见图1-1， 尽管这些光互连可能采用的拓扑结构和技术不尽相同，但都能实现100Gbit/s以上的数据传输速度。 片上光互连和光通信网络由于其潜在的巨大优势和良好的应用前景吸引了众多著名大学和公司对其进行研发。包括美国的康奈尔大学、南加州大学、哥伦比亚大学7、Intel 公司，Sun Microsystems 公司，IBM 公司6和 惠普公司8。为了在芯片间实现terabit
30、/s量级的高速海量数据传输，IBM公司开发出了一种集成聚合物波导到印刷电路板上来实现并行光互连的技术。 如图1-2，该光互连系统由32根聚合物波导和2个光通信模块构成，每个光通信模块包含了16个光接收电路和16个激光二极管的驱动电路。每条链路都工作在10 Gb/s，这样可实现160 Gb/s 的双向数据传输。另外光互连已经开始渗透到了超级计算机系统当中，当前已有部分产品采用光互连。比如，东京工业大学在2010年夏季制造的、并于2010年秋季“TOP500”排名中位列世界第四的超级计算机“TSUBAME2.0”就是其中之一。在这台计算机中，单元之间进行互连的7000多条光收发器均采用了基于硅光子
31、技术在芯片上集成了光路和电子电路的集成电路。并且，电视机及个人电脑等家用电器产品对光集成器件的配备也已开始探索。索尼公司的个人电脑“VAIO Z”系列中采用了“Light Peak”10，并于2011年7月底投放欧洲市场，“Light Peak”是英特尔公司近年研制开发的一款光传输接口。不久之后的2012年，洛杉矶召开的OFC会议宣布成功开发出了基于VCSEL Terabit/sec的并行光收发模块11，该结构是把24 对收发器模块组集成在一个打孔的CMOS集成电路芯片上。所有的链路信道工作于20 Gb/s (BER 10-12, 7.3 pJ/bit) ，进而实现了双向0.48 Tb/s数据
32、传输。 从2008年起 ，美国国防部就资助 Sun Microsystems 公司 4429 万美元开发一种应用ONoC 的计算机微芯片互连技术9，ONoC 则由硅光子和近距离通信技术来实现。在此之前，作为超性能纳米光学芯片内通信计划的一部分，该公司已获得 约810万美元的资助，用于先期oNoC的预研。三星公司在 2011 年度的全球超越研究计划（GRO）中也在光互连方向投入大量资金，已决定资助三个研究项目：基于光互连的计算平台架构研究、芯片到电路板光互连系统的开发研究和计算机外设和闪存系统的光互连研究。 近几年来，国内也逐渐开始了光互连技术方面的研究。中科院半导体所集成光电子学国家重点实验室
33、已经在国家高技术研究发展计划项目（863）支持下展开了对芯片之间高速光互连技术的研究17。浙江大学的“硅基发光材料与光互连的基础”项目获得 2008 年度国家 973 计划资助18。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的“硅基光互连关键器件基础研究”得到了上海市科委 2010 年度“创新行动计划”重大基础研究计划的资助12，上海交通大学的“超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技术基础研究”项目获得了 2011 年度国家 973 计划资助17。这些项目主要是针对硅基光互连的基础技术或关键元器件进行研发，但对具体实现把硅基光互连应用于片上光互连网络的研究还很少看到。然而硅基光互连器件研究的最终方向是
34、应用到ONoC 网络和 芯片内全局互连ONoC 网络中，目前来看还没有这方面较完整的研究结果。 国内针对 ONoC 的研究当前还不多，相关的研究主要有：重庆大学的杨小帆教授对大规模计算机光互连网络进行了研究18，中国国防科技大学的窦文华教授对高性能计算机无缓存光互连网络进行了研究19，他们的研究对光 ONoC 的研究有一定的参考借鉴作用，但其应用环境是高性能并行计算的光互连应用，这与芯片内的光互连苛刻的应用环境有很大的差别，其研究成果不能应用到芯片内光互连，西安电子科技大学的顾华玺教授对片上光网络的拓扑结构和系统性能进行了研究20-22，其研究方向主要侧重于对网络时延和网络吞吐量等网络性能的研
35、究。虽然许多研究想从光互连网络拓扑结构的设计上来优化片上光网络的性能，但从物理层的角度上来解释这些设计是否可行的研究还比较少，文献25从物理层角度对 4 种片上光网络的拓扑结构进行了对比分析，进一步提出了光片上网络的性能还受到光的插入损耗、能耗和串扰等物理因素的影响，因此物理层的设计也是必须考虑的因素之一。从网络拓扑和元器件性能两个方面进行研究，两方面进行结合，是个很好的思路。 1.2 微环的由来和发展片上光互连网络是集成光学的一个重要组成部分。集成光学的出现是光学元器件和微系统发展的结果，概念最早是由美国Bell 实验室的Miller 于1969 年提出的3，主要目的是将各种功能的光学元器件
36、集成在一个平面衬底上，实现光学系统的微型化、集成化和规模化。集成光学产生的目的就是尽量减小器件的尺寸提高集成度。同年Marcatili首次提出了微环的概念和结构4，伴随着器件制备工艺的水平不断提高，微型环形谐振器在2000 年以后迅速发展为集成光学的一个研究热点。同时基于微环的多种功能性器件也相继得以实现，微环在光波导器件中日渐发挥出举足轻重的作用，被认为是实现未来大规模光互连网络的基本元器件。 近年来国外许多著名研究机构如Maryland大学、Cornell 大学、加州理工大学、IBM 的Thomas J. Watson 研究中心、MIT、Rochester 大学、Glasgow 大学和Br
37、istol 大学等均在该领域展开了大量基础应用研究。微环谐振器在国内的研究现状现在还处于初期阶段，浙江大学、上海交通大学、上海光机所、北京半导体所、长春光机所、吉林大学、长春光机所、华中科技大学等相关单位已经开展了一些基础理论和简单实验的研究，因而基于微环的各种功能器件的研究还有较大的发展空间 微环谐振器实际是诸多光学谐振器的一种，大多光学谐振器一般通过反馈将光信号送入一个闭合的回路，当光波在闭合回路中传输一周后的相移为2 的整数倍时（谐振条件），回路中由于谐振效应会形成稳定的谐振模式。当谐振腔较长时，谐振器中会同时存在诸多谐振模式，不同的谐振模式对应着不同的谐振波长。微环谐振器最初是用来滤出
38、特定波长的滤波器，现在发展出各种各样的应用。1.3论文的工作与主要创新点1.3.1 论文工作及内容安排从上面两个小结我们了解了光互连网络对于突破当前科技发展带来的带宽不足和能耗过高等瓶颈具有重大意义，同时我们了解到了片上光互连网络发展的美好前景。微环谐振器作为集成光学的基本元器件之一，同样具有无与伦比的优势。如果能把两者有机的结合在一起，必定会对未来光子计算机等诸多功能性器件的出现提供积极的参考和借鉴。本论文的研究工作恰恰是对两者结合效果的大胆尝试和先期探索。论文的主要内容安排如下：第一章 是绪论，共分为3个小节。首先交代了课题的研究背景和研究意义。当前光互连技术尤其是片上光互连网络的开发研究
39、是势在必行，且迫在眉睫。进一步阐述了微环谐振器作为热门器件的特点，以及实现片上光互连的可能性。第二章 是理论基础，主要包括两大方面。首先介绍的是微环的理论基础，共4个小节。从单个微环的结构开始，过渡到串联双环和交叉双环。麦克斯韦方程组推导得出得出光波导传输理论，同时对比全通型和上传下载型的单微环。第2小节重点介绍了全通型和上传下载型微环的重要参量，包括传输特性，相移特性、自由频谱范围、场增强因子，精细度和Q因子等，并简单分析了影响各个指标的因素。进而分别对串联双环和交叉双环进行建模分析，并通过传输矩阵法得出了各个端口的比值。同时论文推导出了串联双环等的重要参量的表达方程，分析出了微环的耦合系数
40、和环程传输系数对各个参数的影响，指明了进一步优化参数的方向。与微环的理论基础相对应的光互连网路的理论介绍。论文重点介绍了片上光互连网络常见的拓扑结构，对不同网络拓扑的构造特点进行了分析，并分析了各自的优缺点。分析引出了阻塞和可重排阻塞以及无阻塞网络的区别。最后介绍了片上互联网络的几个重要的性能指标，包括面积、时延、能耗、吞吐量等第三章介绍了基于串联双环的片上光互连网络。论文提出了一整套的完整的设计流程。先从芯片半导体材料的选取，到串联双环的半径R、波导间距Gap、波导宽度等参数的优化选取，进而介绍了一种新型的基于串联双环的能实现点对点任意连接的NN的交换网络。同时我们推导出了交换网络的传输矩阵
41、并利用Rsoft仿真软件得到了在TE波的前提下，各个输出端口的仿真结果。我们进一步对仿真结果进行了分析，并和计算结果一一比对，发现仿真结果和计算结果的契合度很高，从侧面验证了我们设计的合理性。最后，我们分析了整个基于串联双环的NN的交换网络功能和设计方面的优缺点，提出了进一步提高网络性能的改进措施。第四章介绍了基于串联双环的片上光互连网络。论文提出了一整套的完整的设计流程。先从芯片半导体材料的选取，到串联双环的半径R、波导间距Gap、波导宽度等参数的优化选取，进而介绍了一种新型的基于串联双环的能实现点对点任意连接的NN的交换网络。同时我们推导出了交换网络的传输矩阵并利用Rsoft仿真软件得到了
42、在TE波的前提下，各个输出端口的仿真结果。我们进一步对仿真结果进行了分析，并和计算结果一一比对，发现仿真结果和计算结果的契合度很高，从侧面验证了我们设计的合理性。最后，我们分析了整个基于串联双环的NN的交换网络功能和设计方面的优缺点，提出了进一步提高网络性能的改进措施。第五章是总结和展望。论文全面总结了文中的设计思路和片上互联网络的构造流程，回顾了我们各项仿真结果的分析。最后我们有理由相信经过同行工作者的不懈努力，片上光互连会光明的未来。第六章是致谢。我们不能忘记那些对我们悉心指导，谆谆教诲的老师，也不能忘记同窗好友对我们工作的支持和帮助。在这里，对他们并表示感谢。1.3.2论文创新点论文主要
43、关注了基于串联双环的片上光互连这一热点研究，该研究是较新的，目前尚没有成熟的商用的产品出现。同时理论研究方面，因为不同特色网络结构的运用场合形形色色，分析方法和研究重点有所差别，该领域还有充足的空间进行研究。论文的创新点主要体现在以下几个方面：（1）论文首次提出了一种基于串联双环的能实现任意点对点连接NN的交换网络。它具有使用微环谐振器少、功耗低、串扰小等优点，同时该设计是一种可以无限扩充的结构。（2） 论文总结了整套的基于微环的片上光互连网络的设计流程，详细阐述了微环的各个设计参数对元器件性能的影响，并设计出了一款半径7微米左右的低损耗串联双环。（3） 论文首次提出了利用交叉双环来实现Ben
44、se的构想，并对交叉双环的性能参数进行了设计优化。同时我们分析了相比于串联双环，交叉双环具有的优势和不足。最后证明我们的设计比传统设计在吞吐量、能耗和面积方面都有所提高。二、 理论基础2.1微环的基本原理 微环谐振器作为硅基片上集成的重要元器件之一，是当前研究的一个热点。因此在对微环进行具体设计应用之前,深刻理解微环的基本原理非常有必要的。微环谐振器从本质上讲，还是一个谐振器件，自然具有一般谐振器的共有特性。同时,由于微环作为行波腔,相比于驻波腔谐振器具有一些独特的特性和优点。微环谐振腔光场的输入输出是通过藕合器来实现的,且腔体的形成无需解理面。 微环是一种将光波导首尾相连接而形成的尺寸在微米
45、量级的环形谐振器,一般包括环形波导和直波导，或者都是由环形波导构成。在对微环进行详细了解之前，对光波导理论进行深刻了解是非常重要的。光波导是一种能对光波产生限制作用的功能性器件。光波正是因为这种限制作用的存在,才能在波导中稳定的传播。作为电磁波的一种,光波在光波导里传播的原理实际上就是求解麦克斯韦方程组的问题。假设介质是非此行的 ，此时的麦克斯韦方程组可以表述为 E和H分别表示电场强度和磁场强度,J表示波导中的电流密度。电磁介质中电荷密度由表示。电位移矢量D与电场E的关系和磁感应强度B与磁场H的关系分别为： P表示介质对电场强度E产生响应的电偶极子,是用来表征介质的线性及非线性效应的。、分别表
46、示介电常数、磁导率，、分别是真空介电常数、真空磁导率，、分别是相对介电常数、相对磁导率。对非磁性介质来说，M=0, 。表示光场沿Z的正方向方向传播的传播常数。如果只假设频率是固定的，为，且用矢量A表示电磁场,那么电磁场矢量A可以表示成为 表示电磁场的传播模式。由此可以推出,电场E、磁场H、磁感应强度B和电位移矢量D分别表示如下 （） （） （） （） 对于一个如图 1 所示的光波导结构,波导的折射率只分布在(x,y)平面。由麦克斯韦方程组可以很方便得出电场及磁场的赫姆霍兹方程，如下所示 式中算符定义为,表示折射率分布，是真空波数，表示光沿波导传输的有效折射率。进而求解赫姆霍兹方程，可以得到光场在条形光波导中的传播模式、及传播常数。2.1.1单个微环 微环谐振器一般是由微环和信号波导两部分组成，如果环形谐振器只和一根信号输入波导耦合,就形成全通型(all Pass)微环。如果环形谐振器和两根信号波导波导耦合,就形成上传/下载型(add/drop)微环。从图中可以看出,不论是全通型微环还是上传/下载型微环,其按结构都可以