光通信研究 2019年第1期总第211期 换时间可以达到纳秒量级 自于波导侧壁粗糙度引入的散射损耗。使用多模宽 波导可以减小波导侧壁处的模场强度,从而减小散 射损耗。采用这种方法在没有经过后端工艺的无源 器件上可以实现非常低的损耗,但经过后端工艺(包 括离子注入掺杂、探测器制作和金属化工艺等)会增 加波导额外损耗[。此外,采用超薄60nm厚度硅 波导,可以将损耗降低至0.6dB/cm,与常规硅波导 声3 相比提高了5倍2。浅刻蚀脊型硅波导由于其光 学模式和侧壁交叠较少,因而具有较低的传输损耗。 横截面为0.25pm(高度)×2m(宽度)和0.05pm 蚀刻深度的硅波导在C波段中具有0.27dB/cm的 传输损耗[]。 开关单元 2.1.2光开关单元 (1)MZI结构 MM 输出 MZI是一种广泛应用于硅基光电子芯片的单 元结构,也是一种常见的光开关单元结构553.61。 绝热深刻蚀 用于光开关基本单元的MZI通常为2×2的4端口 图416×16MZI电光开关整体及单元结构示意图 IZI。如图5和6所示,2×2MZI结构由3个部分 硅基高速光开关采用载流子注入技术,但载流组成,分别为位于左右两侧的两个3dB耦合器和位 子注入后也伴随产生热光效应。为了减小热光效应于中间的两段长直波导(相位调制臂)。3B耦合 影响MZ光开关可以采取同步驱动方案,即当载器可以是2×2MMI,也可以是DC。相对于DC 流子注入到MZ的一个臂的同时将调制电压施加MM具有高带宽和工艺容差大等优点,因此MzI 到另一个臂上的热光移相器,以此抵消热光效应的更多地采用MMI结构作为3dB耦合器 影响[6 开关单元中如采用双微环辅助MZI电光开关 MMI 输出 来替代MZⅠI电光开关,可以大幅减小开关调节功 耗[。由于微环是谐振结构,对环境温度变化很敏图5以MMI为3dB耦合器的MZI结构示意图 感,因此在实际应用中可以采用片上光功率监控,通 过控制电路来跟踪和锁定微环的谐振波长[676 输入 输出 除了学术界,企业界也积极开展硅基光开关研 究。华为公司在2016年报道了32×32光开关[0 拓扑结构采用扩展 Benes结构。由于常规 Ben结图6以DC为3dB耦合器的MZl结构示意图 构不可避免会产生一级串扰,因此他们在 Benes结 在理想情况下,因为光场在MZI两臂中经过的 构的基础上增加更多的开关单元来消除一级串扰,路径相同,在直波导中传播而引入的相位变化相同 从而降低开关整体串扰值。该芯片共有48个2×则上下两臂之间的相位差为0。当两臂之间相位差 2热光MZI单元,在每个单元上都增加了监控光电为0时,MZI开关单元的工作状态为交叉状态,光 二极管来确定单元的状态 的路由路径为I1-O2和I2-O1。若通过移相器来 改变两臂之间的相位差使其为π,则MZI开关单元 2硅基光开关关键技术 的工作状态从交叉状态切换为直通状态。在直通状 2.1基本元件 态下,光的路由路径为I1-O1和I2-O2。 2.1.1硅波子 对于2×2MZI开关单元,如果3dB耦合器不 大规模光开关包含了大量比较长的连接波导,能很好地实现均匀分光,则会导致在两输出端口产 为了减小开关插入损耗,首先需要减小波导的传输生较大的串扰。此外,上下两臂之间损耗的不均匀 损耗。硅波导由于其高折射率对比度,损耗主要来性也会导致串扰增加。上下两臂之间损耗的不均匀
换时间可以达到纳秒量级。 I1 O1 I10 O10 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I11 I12 I13 I14 I15 I16 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9 O11 O12 O13 O14 O15 O16 输 入 I ~1 I6 输 出 O ~1 O16 抽头 I1 I2 O1 O2 MMI p+ n+ 输入 MMI 输出 MZI 开关单元 绝热深刻蚀 图4 16×16MZI电光开关整体及单元结构示意图 硅基高速光开关采用载流子注入技术,但载流 子注入后也伴随产生热光效应。为了减小热光效应 影响,MZI光开关可以采取同步驱动方案,即当载 流子注入到 MZI的一个臂的同时将调制电压施加 到另一个臂上的热光移相器,以此抵消热光效应的 影响[66]。 开关单元中如采用双微环辅助 MZI电光开关 来替代 MZI电光开关,可以大幅减小开关调节功 耗[56]。由于微环是谐振结构,对环境温度变化很敏 感,因此在实际应用中可以采用片上光功率监控,通 过控制电路来跟踪和锁定微环的谐振波长[67-69]。 除了学术界,企业界也积极开展硅基光开关研 究。华为公司在2016年报道了32×32光开关[70], 拓扑结构采用扩展 Benes结构。由于常规 Benes结 构不可避免会产生一级串扰,因此他们在 Benes结 构的基础上增加更多的开关单元来消除一级串扰, 从而降低开关整体串扰值。该芯片共有448个2× 2 热光 MZI单元,在每个单元上都增加了监控光电 二极管来确定单元的状态。 2 硅基光开关关键技术 2.1 基本元件 2.1.1 硅波导 大规模光开关包含了大量比较长的连接波导, 为了减小开关插入损耗,首先需要减小波导的传输 损耗。硅波导由于其高折射率对比度,损耗主要来 自于波导侧壁粗糙度引入的散射损耗。使用多模宽 波导可以减小波导侧壁处的模场强度,从而减小散 射损耗。采用这种方法在没有经过后端工艺的无源 器件上可以实现非常低的损耗,但经过后端工艺(包 括离子注入掺杂、探测器制作和金属化工艺等)会增 加波导额外损耗[71]。此外,采用超薄60nm 厚度硅 波导,可以将损耗降低至0.6dB/cm,与常规硅波导 相比提高了5倍[72]。浅刻蚀脊型硅波导由于其光 学模式和侧壁交叠较少,因而具有较低的传输损耗。 横截面为0.25μm(高度)×2μm(宽度)和0.05μm 蚀刻深度的硅波导在 C 波段中具有0.27dB/cm的 传输损耗[73]。 2.1.2 光开关单元 (1)MZI结构 MZI是一种广泛应用于硅基光电子芯片的单 元结构,也是一种常见的光开关单元结构[58-59,62]。 用于光开关基本单元的 MZI通常为2×2的4端口 MZI。如图5和6所示,2×2 MZI结构由3个部分 组成,分别为位于左右两侧的两个3dB耦合器和位 于中间的两段长直波导(相位调制臂)。3dB 耦合 器可以是 2×2 MMI,也可以是 DC。相对于 DC, MMI具有高带宽和工艺容差大等优点,因此 MZI 更多地采用 MMI结构作为3dB耦合器。 MMI I1 I2 O1 O2 输入 MMI 输出 图5 以 MMI为3dB耦合器的 MZI结构示意图 I1 I2 O1 O2 DC DC 输入 输出 图6 以 DC为3dB耦合器的 MZI结构示意图 在理想情况下,因为光场在 MZI两臂中经过的 路径相同,在直波导中传播而引入的相位变化相同, 则上下两臂之间的相位差为0。当两臂之间相位差 为0时,MZI开关单元的工作状态为交叉状态,光 的路由路径为I1-O2 和I2-O1。若通过移相器来 改变两臂之间的相位差使其为 π,则 MZI开关单元 的工作状态从交叉状态切换为直通状态。在直通状 态下,光的路由路径为I1-O1 和I2-O2。 对于2×2 MZI开关单元,如果3dB耦合器不 能很好地实现均匀分光,则会导致在两输出端口产 生较大的串扰。此外,上下两臂之间损耗的不均匀 性也会导致串扰增加。上下两臂之间损耗的不均匀 14 光通信研究 2019年 第1期 总第211期
周林杰等:集成光开关发展现状及关键技术 性主要来源于两个方面:一个是器件加工工艺本身的一条波导臂上的电光移相器用另一个推挽式驱动 可能会导致两臂有差异;另一个是单臂电光调制的的MZI移相器来代替。为了在一条干涉臂上产生 MzⅠ其调制臂会有自由载流子吸收损耗。MZI开所需的π相位以此改变光开关状态,MZl移相器需 关单元的优点在于其频谱响应较宽,缺点在于调制要工作在最大传输功率点,它的两个臂上相位分别 臂较长,通常需要数百微米以获得π相移 从0~π以及π~0变化。在这种工作模式下,MZI (2)波长不敏感MZI结构 移相器的输出端能产生精确的π相移,而且0和π 降低3dB耦合器的波长灵敏度可以进一步提相移状态下损耗相同。通过调节MZI光开关下臂 高MZI光开关的光学带宽。这可以通过减小DC的衰减器,可以使开关两臂具有相同的光功率,达到 中波导间距来实现,然而波导间距减小则要求更精完全平衡干涉,因而能大幅度抑制功率不均衡所引 确的制备工艺。采用MMI来替代DC也可以减小起的串扰 波长灵敏度,但是MMI中波导与多模干涉区域的 过渡无法避免会引起额外损耗, 图7所示为一种波长不敏感的MZI光开关结 构,它的3dB耦合器由具有中间相位延迟的两段式2 衰减器 DC构成[。两段式耦合器实质上就是一个小型 注:PD为光电二极管 MZI结构,包括一个功率耦合系数为k1的输入DC, 图8单臂嵌套型MZI光开关结构示意图1 两个相位差为cp的干涉臂以及1个功率耦合系数 (4)双臂平衡嵌套型MZⅠ结构 为κ2的输出DC。该两段式DC结构可以采用对称 上述单臂嵌套MZI光开关可进一步拓展为双 式设计,让前后耦合器耦合系数相同,即k1=k2 臂平衡嵌套型MZI光开关,如图9所示。该光开关 0.5,同时两个臂的光程差为1/4波长。与使用不同包括1个输入2×2耦合器,1个输出2×2耦合器 合系数的不对称设计相比,这种对称性设计具有以及两个由2×2MzI嵌套构成的干涉臂。每个嵌 更高的工艺容差[1 套的MZI具有两个相同的载流子注入移相器。该 光开关具有平衡结构,其中两个主干涉臂的光程等 PN二极管移相器宽带50%锅合器 △d(N),a(N 长,可以实现宽带光交换 嵌套MZIA 输出端 宽带50%耦合器 DC 图7波长不敏感MZI光开关结构示意图 移相器2 输 (3)单臂嵌套型MZI结构 移相器3 硅材料中的自由载流子色散( Free Carrier Dis- 移相器4 persion,FCD)效应通常用于实现高速、低功耗和小 一嵌套MZB 型化电光移相器。对于光开关应用,移相器的结构图9双臂平衡嵌套型MZI光开关结构示意图 通常是基于载流子注入的PIN二极管。这种移相 当移相器1和4相位为0而移相器2和3相位 器虽然相位调节效率非常高,但由于自由载流子吸为x时,嵌套的MZIA将来自端口b的光信号传输 收( Free Carrier Absorption,FCA)效应,载流子注到端口d,相位增量为π,而嵌套的MZIB将来自端 入后会增加光学损耗。对于2×2MZ光开关,PN口a的光信号传输到端口c,相位增量也为。因 二极管打开后的直通状态下光学损耗问题比较严此,此光开关工作在交叉状态。由于平衡相位调节 重,因为FCA引起的损耗使得MzI两臂之间出现下两个嵌套的MZI插入损耗相等,因此光开关两干 了功率不平衡,导致光泄漏到交叉端同时还增加了涉臂具有相等光功率,实现了平衡干涉,在直通端口 光开关的插入损耗。采用推挽式驱动可以减小处无串扰 FCA的影响,但能获得的最佳串扰值有限。 在开关另一个工作状态下,移相器1和3相位 采用嵌套型MZI结构可以改善FCA带来的两为π,而移相器2和4相位为0,此时嵌套的MZIA 臂功率不均衡问题,单臂嵌套型MZI光开光结构如将光信号从端口b传输到端口d,相位增量为0,而 图8所示。该结构实际上就是将MZI开关单元嵌套的MZIB将光信号从端口a传输到c,相位增 15
性主要来源于两个方面:一个是器件加工工艺本身 可能会导致两臂有差异;另一个是单臂电光调制的 MZI其调制臂会有自由载流子吸收损耗。MZI开 关单元的优点在于其频谱响应较宽,缺点在于调制 臂较长,通常需要数百微米以获得π相移。 (2)波长不敏感 MZI结构 降低3dB耦合器的波长灵敏度可以进一步提 高 MZI光开关的光学带宽。这可以通过减小 DC 中波导间距来实现,然而波导间距减小则要求更精 确的制备工艺。采用 MMI来替代 DC 也可以减小 波长灵敏度,但是 MMI中波导与多模干涉区域的 过渡无法避免会引起额外损耗。 图7所示为一种波长不敏感的 MZI光开关结 构,它的3dB耦合器由具有中间相位延迟的两段式 DC构成[74]。两段式耦合器实质上就是 一 个 小 型 MZI结构,包括一个功率耦合系数为κ1 的输入 DC, 两个相位差为δφ 的干涉臂以及1个功率耦合系数 为κ2 的输出 DC。该两段式 DC结构可以采用对称 式设计,让前后耦合器耦合系数相同,即κ1 =κ2 = 0.5,同时两个臂的光程差为1/4波长。与使用不同 耦合系数的不对称设计相比,这种对称性设计具有 更高的工艺容差[43]。 a1 a2 b1 b2 k1 k2 k2 k1 啄渍 啄渍 驻准（N），琢（N） PIN 二极管移相器 宽带 50%耦合器 宽带 50%耦合器 图7 波长不敏感 MZI光开关结构示意图[74] (3)单臂嵌套型 MZI结构 硅材料中的自由载流子色散(FreeCarrierDispersion,FCD)效应通常用于实现高速、低功耗和小 型化电光移相器。对于光开关应用,移相器的结构 通常是基于载流子注入的 PIN 二极管。这种移相 器虽然相位调节效率非常高,但由于自由载流子吸 收(FreeCarrierAbsorption,FCA)效应,载流子注 入后会增加光学损耗。对于2×2MZI光开关,PIN 二极管打开后的直通状态下光学损耗问题比较严 重,因为 FCA 引起的损耗使得 MZI两臂之间出现 了功率不平衡,导致光泄漏到交叉端,同时还增加了 光开 关 的 插 入 损 耗。采 用 推 挽 式 驱 动 可 以 减 小 FCA 的影响,但能获得的最佳串扰值有限[43]。 采用嵌套型 MZI结构可以改善 FCA 带来的两 臂功率不均衡问题,单臂嵌套型 MZI光开光结构如 图8所示[75]。该结构实际上就是将 MZI开关单元 的一条波导臂上的电光移相器用另一个推挽式驱动 的 MZI移相器来代替。为了在一条干涉臂上产生 所需的π相位以此改变光开关状态,MZI移相器需 要工作在最大传输功率点,它的两个臂上相位分别 从0~π以及 π~0变化。在这种工作模式下,MZI 移相器的输出端能产生精确的 π相移,而且0和 π 相移状态下损耗相同。通过调节 MZI光开关下臂 的衰减器,可以使开关两臂具有相同的光功率,达到 完全平衡干涉,因而能大幅度抑制功率不均衡所引 起的串扰。 准=0|仔 准=仔|0 衰减器 1 2 PD 1 2 注：PD 为光电二极管。 图8 单臂嵌套型 MZI光开关结构示意图[76] (4)双臂平衡嵌套型 MZI结构 上述单臂嵌套 MZI光开关可进一步拓展为双 臂平衡嵌套型 MZI光开关,如图9所示。该光开关 包括1个输入2×2耦合器,1个输出2×2耦合器 以及两个由2×2MZI嵌套构成的干涉臂。每个嵌 套的 MZI具有两个相同的载流子注入移相器。该 光开关具有平衡结构,其中两个主干涉臂的光程等 长,可以实现宽带光交换。 1 2 1 2 移相器 1 移相器 2 移相器 3 移相器 4 a b c d a′ b′ c′ d′ 输入端 DC 嵌套 MZI A 输出端 DC 嵌套 MZI B 输 入 输 出 图9 双臂平衡嵌套型 MZI光开关结构示意图 当移相器1和4相位为0而移相器2和3相位 为π时,嵌套的 MZIA 将来自端口b的光信号传输 到端口d,相位增量为π,而嵌套的 MZIB将来自端 口a'的光信号传输到端口c',相位增量也为 π。因 此,此光开关工作在交叉状态。由于平衡相位调节 下两个嵌套的 MZI插入损耗相等,因此光开关两干 涉臂具有相等光功率,实现了平衡干涉,在直通端口 处无串扰。 在开关另一个工作状态下,移相器1和3相位 为π,而移相器2和4相位为0,此时嵌套的 MZIA 将光信号从端口b传输到端口d,相位增量为0,而 嵌套的 MZIB将光信号从端口a'传输到c',相位增 15 周林杰 等: 集成光开关发展现状及关键技术