光通信研究 2019年第1期总第211期 量为x。因此光开关工作状态为直通状态。两个嵌 在这两个非对称MZI开关单元中,OFF状态 套的MZI插入损耗在这种相位调节下也是相等的,下泄漏到交叉端口的光是串扰的主要来源。ON状 因此该状态下光开关理论上也无串扰。 态下泄漏到直通端口的光最终传输到矩阵开关的空 (5)可调分光MZI结构 闲口,不会增加开关输出端的串扰;但是在OFF状 对于MZI光开关,如果前后两个耦合器具有相态下泄漏到交叉端口的光最终传输到了矩阵开关的 等的分光比,两个臂的相位差为π的话,光能完全传输出口。在级联MZI光开关结构中,来自MZIA 输到直通端,交叉端理论上无任何串扰;而如果两个的泄漏光被MZIB所阻挡,因此在OFF状态下串 臂的相位差为0的话,光是否能完全传输到交叉端扰光功率大大降低了。因此,这种光开关的消光比 取决于两个耦合器的分光比,只有在严格3dB耦合远高于普通单个光开关 比下,才能获得完全传输,直通端无串扰。这在实际 (7)MRR结构 情况下很难满足,而且工艺容错性也较低。 MRR结构在集成光子器件中有广泛的应 通过采用可调分光MZI结构可以在两种状态用,。图12(a)所示为常见的与两条波导耦合 下都获得极小的光串扰,如图10所示[。该结构的MRR结构,它的特点是输入光、透射光和反射光 与传统的2×2MZI光开关相同,只是前面的3 端口没有重叠因而便于控制光的传输。相对于 耦合器被另一个MZI所取代。增加的MZI用作可MZ1开关,MRR结构简单紧凑,因而可构建更小尺 调分光器,其分光比可以根据后面3dB耦合器的实寸的开关矩阵芯片。 际分光比做相应调节,以获得最大开关消光比。这 MRR开关因其谐振特性而具有波长选择性 种结构可以减小串扰,但增加了可调元件数目和光单个MRR的谐振谱线呈洛伦兹曲线,也因此导致 路损耗。 工作带宽较低。MRR开关所需的相移量比MZI更 可调分光器 小,因此功耗更低。MRR工作原理如图12(b)所 移相器2 直通端示,初始状态下,如果光波长处于谐振波长λ上,从 输出 l1端口输入的光会从O1端口输出。如果对MRR 交叉端 输出 调相改变其折射率使得谐振波长蓝移,则λ。波长的 输入光会从I1端口传输到O2端口。通过这种方式 就实现了输入光在两个输出端口之间的切换。为了 图10可调分光MZI结构示意图[1 增加工作带宽,可以采用级联MRR,让每个微环的 (6)级联MZI结构 谐振波长对准同一波长,开关状态切换时让它们 级联MZ光开关单元由两个具有半波长长度起调谐。 差的非对称MZI以及1个交叉点构成,如图11所 。该光开关单元适用于基于交叉矩阵拓扑结输入 输出 输出 构的光开关中。MZI两臂的初始相位差为x,因此 端O 输出 端O 空闲端 空闲端 (a)结构示意图 (b)工作原理图 MZI A 图12MRR光开关 图11级联MZl光开关单元结构示意图 (8)双微环辅助MZI结构 开关单元初始状态为直通状态(OFF状态);当MZI 双微环辅助马赫一曾德尔(Dual- ring assiste 上的移相器提供π相移时,光开关处于交又状态MZI, DR-MZI光开关结构结合了MRR和MZ1的 (ON状态)。在OFF状态下,输入端口1连通到输特点,能在较小尺寸上实现低功耗、低串扰和高消光 出端口2,输入端口2连通到输出端口1;在ON状比光交换【5,,。2×2DRMZ结构如图13(a) 态下,输人端口1连通到空闲端口(在交叉矩阵开关所示,在一个较短MZI的两个臂上分别耦合有一个 中没有用到该路径),输入端口2通过两个级联的MRR MZI连通到输出端口2′ 传统MZI光开关单元为了在调制臂上引入π量为π。因此光开关工作状态为直通状态。两个嵌 套的 MZI插入损耗在这种相位调节下也是相等的, 因此该状态下光开关理论上也无串扰。 (5)可调分光 MZI结构 对于 MZI光开关,如果前后两个耦合器具有相 等的分光比,两个臂的相位差为π的话,光能完全传 输到直通端,交叉端理论上无任何串扰;而如果两个 臂的相位差为0的话,光是否能完全传输到交叉端 取决于两个耦合器的分光比,只有在严格3dB耦合 比下,才能获得完全传输,直通端无串扰。这在实际 情况下很难满足,而且工艺容错性也较低。 通过采用可调分光 MZI结构可以在两种状态 下都获得极小的光串扰,如图10所示[76]。该结构 与传统的2×2 MZI光开关相同,只是前面的3dB 耦合器被另一个 MZI所取代。增加的 MZI用作可 调分光器,其分光比可以根据后面3dB耦合器的实 际分光比做相应调节,以获得最大开关消光比。这 种结构可以减小串扰,但增加了可调元件数目和光 路损耗。 输入 1 2 直通端 输出 交叉端 输出 DC 可调分光器 移相器 1 DC DC 移相器 2 1′ 2′ 互补分光比 图10 可调分光 MZI结构示意图[76] (6)级联 MZI结构 级联 MZI光开关单元由两个具有半波长长度 差的非对称 MZI以及1个交叉点构成,如图11所 示[77-78]。该光开关单元适用于基于交叉矩阵拓扑结 构的光开关中。MZI两臂的初始相位差为 π,因此 空闲端 空闲端 1′ 2′ 1 2 MZI A 交叉端 MZI B 图11 级联 MZI光开关单元结构示意图[78] 开关单元初始状态为直通状态(OFF状态);当 MZI 上的移相器提供 π 相移时,光开关处 于 交 叉 状 态 (ON 状态)。在 OFF状态下,输入端口1连通到输 出端口2′,输入端口2连通到输出端口1′;在 ON 状 态下,输入端口1连通到空闲端口(在交叉矩阵开关 中没有用到该路径),输入端口2通过两个级联的 MZI连通到输出端口2′。 在这两个非对称 MZI开关单元中,OFF 状态 下泄漏到交叉端口的光是串扰的主要来源。ON 状 态下泄漏到直通端口的光最终传输到矩阵开关的空 闲口,不会增加开关输出端的串扰;但是在 OFF 状 态下泄漏到交叉端口的光最终传输到了矩阵开关的 输出口。在级联 MZI光开关结构中,来自 MZIA 的泄漏光被 MZIB 所阻挡,因此在 OFF 状态下串 扰光功率大大降低了。因此,这种光开关的消光比 远高于普通单个光开关。 (7)MRR结构 MRR 结 构 在 集 成 光 子 器 件 中 有 广 泛 的 应 用[61,79-81]。图12(a)所示为常见的与两条波导耦合 的 MRR结构,它的特点是输入光、透射光和反射光 端口 没 有 重 叠 因 而 便 于 控 制 光 的 传 输。相 对 于 MZI开关,MRR 结构简单紧凑,因而可构建更小尺 寸的开关矩阵芯片。 MRR开关因其谐振特性而具有波长选择性, 单个 MRR 的谐振谱线呈洛伦兹曲线,也因此导致 工作带宽较低。MRR开关所需的相移量比 MZI更 小,因此功耗更低。MRR 工作原理如图 12(b)所 示,初始状态下,如果光波长处于谐振波长λp 上,从 I1 端口输入的光会从 O1 端口输出。如果对 MRR 调相改变其折射率使得谐振波长蓝移,则λp 波长的 输入光会从I1 端口传输到 O2 端口。通过这种方式 就实现了输入光在两个输出端口之间的切换。为了 增加工作带宽,可以采用级联 MRR,让每个微环的 谐振波长对准同一波长,开关状态切换时让它们一 起调谐。 -驻n 输入 端 I1 输出 端 O2 输出 端 O1 （a） 结构示意图 （b） 工作原理图 1 0 传 输 波长 驻n 输出 端 O2 输出 端 O1 姿p 图12 MRR光开关 (8)双微环辅助 MZI结构 双微环辅助马赫-曾德尔 (Dual-ringassisted MZI,DR-MZI)光开关结构结合了 MRR和 MZI的 特点,能在较小尺寸上实现低功耗、低串扰和高消光 比光交换[56,63,65]。2×2DR-MZI结构如图13(a) 所示,在一个较短 MZI的两个臂上分别耦合有一个 MRR。 传统 MZI光开关单元为了在调制臂上引入 π 16 光通信研究 2019年 第1期 总第211期