基于信号分析技术的低串扰芯片上光互连网络的研究

Optical network on chip (ONoC) which has a good prospect of application is an attractive solution for comunication problems of multi-processors in ultrafast communication system，supercomputer and very large scale integration systems. Crosstalk noise is an intrinsic characteristic of photonic devices used by ONoC. It is a potential issue in ONoC. In previous researches, crosstalk which seriously impacts the performance of the ONoC has not been theoretically and experimentally studied. This project aims to design a low crosstalk and high reliability ONoC for multi-processor system-on-chip (MPSoC). The main research content of the project is organized as follows. In this project, we will propose a signal analysis model of the ONoC and do signal analysis at device, router, and network levels based on the analysis model. In the study, we will focus on that the crosstalk impacts the performances of the devices, routers, and network. A new multi-ports, low crosstalk and low insertion loss optical router will be designed. This project will propose a new design rule of an ONoC which has low crosstalk, low transmission loss, low power, low bit error ratio and ultrahigh transmission bandwidth. Based on the new optical router and design rule, this project will design a new ONoC whose the number of edge nodes is larger than 100, transfer rate is greater than 12.5Gbit/s, signal to noise ratio is more than 16dB and bit error ratio is lower than 10e-9. The project can provide theoretical support for the research on the ONoC and potentially leverage the technological development.

芯片上光互连网络技术是解决下一代高速通信系统、超级计算机、超大规模集成电路的芯片上多处理器间通信难题的关键技术，具有重大应用前景。目前，对影响芯片上光互连网络性能的关键问题- - 串扰的理论和实验研究尚不完善。本项目旨在利用信号分析技术为芯片上多处理器系统提供低串扰、高可靠性的芯片上光互连网络，主要内容如下：着重建立完善的芯片上光互连网络的理论模型，并以此对芯片上光互连网络进行器件级、光路由器级和网络级的信号分析，重点讨论串扰对其性能的影响；研制新型多端口、低串扰、低损耗的光路由器；提出低串扰、低传输损耗、低误码率、超高传输带宽的芯片上光互连网络的设计准则；基于新型光路由器和设计准则，设计出网络边缘节点数大于100、传输速率大于12.5Gbit/s、信噪比大于16dB、误码率低于10e-9的芯片上光互连网络。本项目可望为芯片上光互连网络技术的研究提供理论和技术支持，加快相关应用技术研发的进程。

芯片上光互连网络(ONoC, Optical network on chip)是一种全新的、可望有效解决电互连所面临问题的、用光连接代替电连接的芯片上多处理器间互连方式，在高速通信网络、高性能超级计算机、超大规模集成电路等领域有巨大的应用前景。 (1) 建立了芯片上光互连网络信号分析模型.基于硅基波导器件串扰特征，依据波导光学理论，进行了建模,得到了他们损耗特性和串扰特性；确定了最佳的波导宽度和间距和最优角度，从而得到最小传输损耗和最小串扰系数。设计了圆饼状和六边形的新型片上温度传感器，得到该温度传感器的灵敏度可以达到0.45 nm∕°C,该研究为芯片上光互连网络的研究提供了坚实的基础。(2) 研制了多端口、低串扰、低损耗的芯片上光互连网络路由器。基于器件级理论模型，建立了芯片上光路由器级的理论模型；并通过EASTFDTD、optisystem等软件对新型路由器进行了仿真模拟，设计了数款新型路由器，同时利用角度优化来提高芯片上光路由器的串扰特性,使新型路由器的平均串扰降低了10 dB。同时对多端口路由器进行了试制， (3) 提出了低串扰芯片上光互连网络设计的新准则，研究了高可靠性芯片上光互连网络。分析了基于Crossbar 和Crux路由器的Mesh和torus结构的芯片上光互连网络的串扰特性，得到了最大网络规模。并利用角度优化方法对网络性能进行了优化，使得网络规模扩展了数倍。基于该研究我们提出了基于串扰芯片上光互连网络的新的设计准则。该研究对芯片上光互连网络的设计尤为重要。(4) 对芯片上光互连网络所用光源进行了研究。通过理论和实验研究了目前芯片上光互连网络中最常用的两种激光器分布反馈式激光器和垂直腔面发射激光器的非线性动力学特性和多稳特性研究，尤其在垂直腔面发射激光器的动态特性研究方面取得了巨大进展，理论研究了它的动力学分布图和分岔图。首次在实验上得到了垂直腔面发射激光器的多种动力学行为，包括：RP、QP、CP等动力学状态，为下一步进行芯片上光互连网络的研究奠定了基础。（5）对高速和低速光网络的全光接口进行了理论和仿真研究。由于芯片上光互连网络存在传输速率不一致的问题，我们利用半导体光放大器的非线性效应理论和实验研究实现了全光接口，利用该全光接口可以实现40Gbps的高速RZ信号到10Gbps的底速NRZ信号的转换。