周林杰等:集成光开关发展现状及关键技术 中,传输路径中波导交叉结数量最少为0,最多的则子网络,DLN光开关矩阵拓扑结构如图19所 导交叉结数量不同,引起过大的损耗不均匀性。其层都分别有2级N/2个交换单元和2个N/2× 为(N-1)2。 N/2×N/2子网络由递归法构成,直到最简单的2× 2.2.3 Benes网絡结构 2交换单元。如8×8DLN结构中的4×4子网络的 图17所示为4×4 Benes拓扑结构示意图,该结构就是4×4DLN的结构。N×NDLN结构的交 结构有着广泛应用8。 Benes结构的阻塞性质为可换单元数目为5/4×N2-2N。可以看到DLN结 重构无阻塞。一个NXN端口的 Benes结构可以拆构有点类似于S8s结构,只是中间的无源交叉网 分为2log2N-1级开关阵列,每一级由N/2个2×2络换成了子网络,相对于S8S结构,其优点就是波 基本开关单元组成。因此,该结构所需的开关单元导交叉结更少。因此,DLN可以实现低插入损耗和 数量为(2log2N-1)×N/2。 Benes结构是所需开低串扰的交换矩阵 关单元数量最少的无阻塞拓扑结构。在N×N端口 的 Benes结构交换网络中,每一条传输路径只需经 过2lg2N-1个开关单元,少于 Crossbar和Pl 1 LOSS结构。因此, Benes结构可以实现比 Crossbar< l3 L等 和 PILOSS结构片上插入损耗更低的光开关芯片 该结构的不足之处在于,其阻塞性质为可重构无阻 l4 塞,已建立的端口连接可能会导致闲置端口受到阻 (a)4×4开关矩阵 塞从而需要复杂的重构算法来连接闲置端口 全上三 图174×4 Benes拓扑结构示意图 l1 由于 Benes结构在信号传输过程中不可避免地 会出现一级串扰,扩展 Benes结构正是为了解决 级串扰的问题而被广泛研究,8×8扩展 Benes拓扑 结构如图18所示[83。扩展 Benes结构通过增加 L4-口 开关单元的数目来优化开关单元的性能,从而提高 (b)8×8开关矩阵 整个光开关系统的性能。 图19DLN光开关矩阵拓扑结构示意图 2.3偏振相关性问题 由于常规的亚微米尺寸绝缘体上硅( Silicon on Insulator,SOⅠ)波导具有很强的双折射特性,横电 场( Transverse electric,TE)和横磁场( Transverse Magnetic,TM)偏振有效折射率差别很大,因而以 X年此为基础的耦合器和移相器也具有偏振相关性。如 何减小器件的偏振依赖性是硅基光开关设计中的难 题,解决这个问题可以采用以下不同方法: (1)使用截面积更大的硅波导,比如波导高度 图188×8扩展 Benes拓扑结构示意图 为1.5mm的脊型波导,选择适当的波导宽度可以 2.2.4双层网络结构 使得TE和TM模式的有效折射率相等。但这 双层网络( Double-Layer-Network,DIN)结构种波导的弯曲半径较大,不利于减小芯片尺寸 是一种严格无阻塞交换结构,也是一个三级网络结 (2)使用偏振多样性设计,即将输入的两个偏 构,输入级和输出级都由N个1×2的交换单元构振中的一个(通常为TM)通过偏振分束和旋转后变 成,而中间级由4个N/2×N/2的子网络构成。成另外一个偏振(通常为TE),然后再用两个相同 DLN的名字来源于其结构可以分成上下两层,每 开关阵列或一个双向开关阵列完成光路交换,最后 19导交叉结数量不同,引起过大的损耗不均匀性。其 中,传输路径中波导交叉结数量最少为0,最多的则 为(N -1)2。 2.2.3 Benes网络结构 图17所示为4×4Benes拓扑结构示意图,该 结构有着广泛应用[83]。Benes结构的阻塞性质为可 重构无阻塞。一个 N×N 端口的Benes结构可以拆 分为2log2N-1级开关阵列,每一级由N/2个2×2 基本开关单元组成。因此,该结构所需的开关单元 数量为(2log2N -1)×N/2。Benes结构是所需开 关单元数量最少的无阻塞拓扑结构。在N×N 端口 的 Benes结构交换网络中,每一条传输路径只需经 过2log2N -1 个 开 关 单 元,少 于 Crossbar和 PI￾LOSS结构。因此,Benes结构可以实现比Crossbar 和 PILOSS结构片上插入损耗更低的光开关芯片。 该结构的不足之处在于,其阻塞性质为可重构无阻 塞,已建立的端口连接可能会导致闲置端口受到阻 塞从而需要复杂的重构算法来连接闲置端口。 输 入 I ~1 I4 输 出 O ~1 O4 I1 I2 I3 I4 O1 O2 O3 O4 图17 4×4Benes拓扑结构示意图 由于 Benes结构在信号传输过程中不可避免地 会出现一级串扰,扩展 Benes结构正是为了解决一 级串扰的问题而被广泛研究,8×8扩展 Benes拓扑 结构如图18所示[83-84]。扩展 Benes结构通过增加 开关单元的数目来优化开关单元的性能,从而提高 整个光开关系统的性能。 输 入 I ~1 I8 输 出 O ~1 O8 图18 8×8 扩展 Benes拓扑结构示意图 2.2.4 双层网络结构 双层网络(Double-Layer-Network,DLN)结构 是一种严格无阻塞交换结构,也是一个三级网络结 构,输入级和输出级都由 N 个1×2的交换单元构 成,而中间级由4个 N/2×N/2的子网络构成。 DLN 的名字来源于其结构可以分成上下两层,每一 层都分别有2级N/2个交换单元和2个N/2×N/2 子网络,DLN 光开关矩阵拓扑结构如图19所示。 N/2×N/2子网络由递归法构成,直到最简单的2× 2交换单元。如8×8DLN结构中的4×4子网络的 结构就是4×4DLN的结构。N×N DLN结构的交 换单元数目为5/4×N2 -2N。 可以看到 DLN 结 构有点类似于 S&S结构,只是中间的无源交叉网 络换成了子网络,相对于 S&S结构,其优点就是波 导交叉结更少。因此,DLN 可以实现低插入损耗和 低串扰的交换矩阵[85]。 输 入 1 ~1 14 输 出 O ~1 O4 I1 I2 I3 I4 O1 O2 O3 O4 输 入 I ~1 I8 输 出 O ~1 O8 I1 I2 I3 I4 O1 O2 O3 O4 I1 I2 I3 I4 O1 O2 O3 O4 （a） 4×4 开关矩阵 （b） 8×8 开关矩阵 图19 DLN 光开关矩阵拓扑结构示意图 2.3 偏振相关性问题 由于常规的亚微米尺寸绝缘体上硅(Siliconon Insulator,SOI)波导具有很强的双折射特性,横电 场(TransverseElectric,TE)和横磁场(Transverse Magnetic,TM)偏振有效折射率差别很大,因而以 此为基础的耦合器和移相器也具有偏振相关性。如 何减小器件的偏振依赖性是硅基光开关设计中的难 题,解决这个问题可以采用以下不同方法: (1)使用截面积更大的硅波导,比如波导高度 为1.5mm 的脊型波导,选择适当的波导宽度可以 使得 TE和 TM 模式的有效折射率相等[86]。但这 种波导的弯曲半径较大,不利于减小芯片尺寸。 (2)使用偏振多样性设计,即将输入的两个偏 振中的一个(通常为 TM)通过偏振分束和旋转后变 成另外一个偏振(通常为 TE),然后再用两个相同 开关阵列或一个双向开关阵列完成光路交换,最后 19 周林杰 等: 集成光开关发展现状及关键技术