光通信研究 2019年第1期总第211期 数据速率和调制格式的多样化。此外,目前超级计实验室报道的基于MEMS技术的光开关最大端口 算机采用并行多核处理器结构,其计算性能取决于数超过了1100个,平均光纤到光纤插人损耗为 处理器性能和处理器之间的数据交互能力这两个因2.1dB,所有可能的连接最大插入损耗为4.0dB。 素。由于电子技术在传输和交换上面临的瓶颈,采MEMS光开关的主要缺点是芯片尺寸大,交换速度 用光互连和光交换以提升处理器之间的数据交互能慢(毫秒量级),系统庞大稳定性差,需要复杂的控制 力是超级计算机的发展趋势。因此,在计算机通信反馈系统来保持镜子的角度。SiO2PLC平面波导 网系统中,也需要实现快速光交换 技术广泛应用于各种无源器件,具有工艺简单和损 高速光开关芯片和模块是光交换系统中最基本耗低等优点。SO2PC光开关的缺点是芯片尺寸 和最核心的部件,其重要性等同于电子设备中的处较大,不太可能继续增大端口数;同时由于SiO2的 理器。未来全光交换要满足高速大容量和低时延交热光系数较小,交换的功耗较大,交换速度仅为毫秒 换的要求,大端口和快速切换的光开关芯片必不可量级。IV族半导体材料也是良好的集成光电子 少。采用分立光开关器件实现光交换的方式在插材料,可用于实现光开关。IV族材料的一个优点 损、体积、功耗和可靠性等方面存在诸多问题,不具是可以实现纳秒量级的开关速度。此外,IlV族材 备商用化应用的前景。光子集成技术能够大幅度减料是直接带隙材料,可以实现有源器件(激光器和放 小系统体积、降低耗能和节约成本,因此全光交换网大器等),可用于波长转换或补偿光路损耗。但是 络中使用的大规模光开关非常适合采用光子集成技基于IlV族材料的光开关功耗都较大,也无法加 术来实现。研究结果表明,采用光子集成芯片的光大于4英寸的晶圆,不适于大端口数光开关阵列 子路由器,其功耗、体积和重量均可以降至分立光开芯片的低成本和规模化生产。由于硅基光电子器件 关器件的1‰以下。 具有尺寸小、集成度高和制作工艺与传统微电子 硅基光电子技术因其独特优势,具备实现大容CMOS工艺相兼容的特点,因此可以大幅度降低基 量、低延时、多端口、低功耗以及快速切换的大规模于硅基光电子技术的光开关芯片成本。硅基光开关 开关芯片的前景。首先,硅基光波导结构具有高折是近年来国际上的热门研究领域。铌酸锂材料是 射率差,这意味着波导弯曲半径更小,器件能做得更种用于制作高速调制器的常见材料,它也能用于制 紧凑,有利于实现大规模集成;其次,尽管硅材料不作光开关,但是尺寸过大,不能高密度集成[。聚 具有线性电光效应,但通过载流子色散效应,可实现合物材料能制作柔性光开关,可用于可穿戴设备上 高速的电光调制,使得纳秒量级的快速光路切换成但同样由于波导尺寸过大,大规模扩展性较差[s10。 为可能;最后,硅基光电子技术因为其与互补型金属 光开关的种类和实现方式很多,下面就简单介 一氧化物一半导体( Complementary Metal-Oxide-绍几种基于常见材料的光开关芯片的技术进展 Semiconductor,CMOS)工艺的兼容性,具有实现低1.1SiO2材料 功耗和低成本光开关芯片的技术前景 SO2PLC平面波导技术主要应用场景是在无 1光开关集成平台 源器件方面,该技术在光分路器、光合路器[1以 及阵列波导光栅( Arrayed Waveguide grating, 光开关阵列是光交换的核心,其基本功能是实AwG)1中广泛应用。PLC集成光子技术具有制 现光信号在不同光路上的快速交换。对光开关的基作简单、插入损耗低、偏振不敏感、稳定性好、易于连 本要求是插入损耗小、串扰低、扩展性好、结构紧凑、接光纤和适宜批量生产等优点。作为光开关的实现 适于批量生产、操作方便、可靠性好和寿命长。不同技术,它依赖于热光效应,可通过马赫一增德尔干涉 的应用场合对各种参数的要求有所不同。 仪(Mach- Zehnder interferometer,MZI)结构实现 光开关最常用的实现方式包括采用微机电系统多端口光开关 ( Micro- Electro-Mechanical System,MEMS)、二 用于制作SiO2PLC光开关的波导折射率对比 氧化硅(SO2)平面光路( Planar Lightwave Circuit,度通常为0.75%或1.5%,其中0.75%折射率对比 PIC)、Ⅲⅴ族材料以及硅基光电子集成等。度波导具有低传播损耗和低光纤耦合损耗,而1.5% MEMS光开关阵列通常利用静电力作用产生机械折射率对比度波导具有更小的弯曲半径(2mm),能 运动改变镜子的方向,从而改变光路。MEMS光交实现更紧凑和更大规模的PLC光开关。 换具有低损耗、低串扰、偏振无关等优点。目前 构建大容量光交换系统时,低成本和大规模开 10数据速率和调制格式的多样化。此外,目前超级计 算机采用并行多核处理器结构,其计算性能取决于 处理器性能和处理器之间的数据交互能力这两个因 素。由于电子技术在传输和交换上面临的瓶颈,采 用光互连和光交换以提升处理器之间的数据交互能 力是超级计算机的发展趋势。因此,在计算机通信 网系统中,也需要实现快速光交换。 高速光开关芯片和模块是光交换系统中最基本 和最核心的部件,其重要性等同于电子设备中的处 理器。未来全光交换要满足高速大容量和低时延交 换的要求,大端口和快速切换的光开关芯片必不可 少。采用分立光开关器件实现光交换的方式在插 损、体积、功耗和可靠性等方面存在诸多问题,不具 备商用化应用的前景。光子集成技术能够大幅度减 小系统体积、降低耗能和节约成本,因此全光交换网 络中使用的大规模光开关非常适合采用光子集成技 术来实现。研究结果表明,采用光子集成芯片的光 子路由器,其功耗、体积和重量均可以降至分立光开 关器件的1‰以下。 硅基光电子技术因其独特优势,具备实现大容 量、低延时、多端口、低功耗以及快速切换的大规模 开关芯片的前景。首先,硅基光波导结构具有高折 射率差,这意味着波导弯曲半径更小,器件能做得更 紧凑,有利于实现大规模集成;其次,尽管硅材料不 具有线性电光效应,但通过载流子色散效应,可实现 高速的电光调制,使得纳秒量级的快速光路切换成 为可能;最后,硅基光电子技术因为其与互补型金属 -氧化物 - 半导体(Complementary Metal-Oxide￾Semiconductor,CMOS)工艺的兼容性,具有实现低 功耗和低成本光开关芯片的技术前景。 1 光开关集成平台 光开关阵列是光交换的核心,其基本功能是实 现光信号在不同光路上的快速交换。对光开关的基 本要求是插入损耗小、串扰低、扩展性好、结构紧凑、 适于批量生产、操作方便、可靠性好和寿命长。不同 的应用场合对各种参数的要求有所不同。 光开关最常用的实现方式包括采用微机电系统 (Micro-Electro-MechanicalSystem ,MEMS)、二 氧化硅(SiO2)平面光路(PlanarLightwaveCircuit, PLC)、III-V 族 材 料 以 及 硅 基 光 电 子 集 成 等。 MEMS光开关阵列通常利用静电力作用产生机械 运动改变镜子的方向,从而改变光路。MEMS光交 换具有低损耗、低串扰、偏振无关等优点[4-6]。目前 实验室报道的基于 MEMS技术的光开关最大端口 数超过 了 1100 个,平 均 光 纤 到 光 纤 插 入 损 耗 为 2.1dB,所有可能的连接最大插入损耗为4.0dB [6]。 MEMS光开关的主要缺点是芯片尺寸大,交换速度 慢(毫秒量级),系统庞大稳定性差,需要复杂的控制 反馈系统来保持镜子的角度。SiO2 PLC 平面波导 技术广泛应用于各种无源器件,具有工艺简单和损 耗低等优点。SiO2 PLC 光开关的缺点是芯片尺寸 较大,不太可能继续增大端口数;同时由于 SiO2 的 热光系数较小,交换的功耗较大,交换速度仅为毫秒 量级。III-V 族半导体材料也是良好的集成光电子 材料,可用于实现光开关。III-V 族材料的一个优点 是可以实现纳秒量级的开关速度。此外,III-V 族材 料是直接带隙材料,可以实现有源器件(激光器和放 大器等),可用于波长转换或补偿光路损耗。但是, 基于III-V 族材料的光开关功耗都较大,也无法加 工大于4英寸的晶圆,不适于大端口数光开关阵列 芯片的低成本和规模化生产。由于硅基光电子器件 具有尺寸 小、集 成 度 高 和 制 作 工 艺 与 传 统 微 电 子 CMOS工艺相兼容的特点,因此可以大幅度降低基 于硅基光电子技术的光开关芯片成本。硅基光开关 是近年来国际上的热门研究领域。铌酸锂材料是一 种用于制作高速调制器的常见材料,它也能用于制 作光开关,但是尺寸过大,不能高密度集成[7-8]。聚 合物材料能制作柔性光开关,可用于可穿戴设备上, 但同样由于波导尺寸过大,大规模扩展性较差[9-10]。 光开关的种类和实现方式很多,下面就简单介 绍几种基于常见材料的光开关芯片的技术进展。 1.1 SiO2 材料 SiO2 PLC平面波导技术主要应用场景是在无 源器件方面,该技术在光分路器、光合路器[11-12]以 及 阵 列 波 导 光 栅 (Arrayed Waveguide Grating, AWG)[13]中广泛应用。PLC 集成光子技术具有制 作简单、插入损耗低、偏振不敏感、稳定性好、易于连 接光纤和适宜批量生产等优点。作为光开关的实现 技术,它依赖于热光效应,可通过马赫-增德尔干涉 仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)结构实现 多端口光开关[14-19]。 用于制作SiO2 PLC光开关的波导折射率对比 度通常为0.75%或1.5%,其中0.75%折射率对比 度波导具有低传播损耗和低光纤耦合损耗,而1.5% 折射率对比度波导具有更小的弯曲半径(2mm),能 实现更紧凑和更大规模的 PLC光开关。 构建大容量光交换系统时,低成本和大规模开 10 光通信研究 2019年 第1期 总第211期