2019年第1期 光通信研究 2019.02 总第211期 STUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS (Sum. No 211) doi:10.13756/j. gtx.2019.01.002 特邀稿件 集成光开关发展现状及关键技术(特邀 周林杰,陆梁军,郭展志,赵硕义,李祖湘,高伟,李鑫,陈建平 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240 摘要:随着网络传输数据流量的爆炸性增长,传统电交换由于其有限的带寬和高功耗将很难满足网络带宽发展需求。光交换 能直接在光域上完成光信道间信息的交换,具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成本等诸多优点,能满足下一代全光 交换网络、数据中心和高性能计算机光互连网络建设的迫切需求。文章介绍了集成光开关的发展现状及核心技术,包括采用 氧化硅、IlⅤ族丰导体材料和硅材料来制作光开关的进展以及各种技术的特点。其中硅基集威光开关具有结构緊凑、功耗 成本低以及与互补型金属一氧化物一半导体(CMOS)工艺兼容的优势,适合大规模光开关制作和量产,具有潜在的巨大市 场商用价值。文章重点介绍了实现硅基光开关的核心单元器件以及几种代表性光开关阵列,并对光开关状态监控和调节以 及光电對装傲了阐述 关键词:硅基光电子;光开关;光波导;集成光子学 中图分类号:O436 文献标志码:A文章编号:1005-8788(2019)01-0009-18 Development Status and Key Technologies of Integrated Optical Switches ZHOU Linjie, LU Liang-jun, GUO Zhan-zhi, ZHAO Shuoryi, LI Zur-xiang, GAO Wei, LI Xin, CHEN Jian-ping (State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks hanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: With the explosive growth of data traffic in communication networks, traditional electrical switches will be difficult to satisfy the requirement of broadband network development due to their limited bandwidth and high-power consumption. With optical switches, data can be directly exchanged in the optical domain without conversion. All-optical switching has many ad- vantages such as high speed, wide bandwidth, transparency, low power consumption and low cost, It can be applied in the next generation all-optical switching networks, data center and high-performance computer interconnect networks, This paper intro- duces the development status and core technologies of integrated optical switches, including the implementation of optical swit- hes using silicon dioxide, III-V semiconductor materials and silicon materials, Among them, the silicon based integrated opti- al switches have the advantages of compact size, low power consumption, and compatibility with Complementary Metal-Ox ide-Semiconductor(CMOS) technologies, which are suitable for massive low-cost production that can potentially find rich mar- ket applications, This paper focuses on the implementation of the elementary devices for silicon based optical switches and sev eral representative optical switch fabrics. The methods for the switch state monitoring and switch chip package are also cov- ered Key words: silicon photonics optical switch: optical waveguide; integrated photonics 0引言 换模式有能耗高和体积庞大的缺点,而采用全光交 换的光互连技术直接在光域完成光信道间信息的交 在现如今这个数字时代,网络传输数据流量的换,则具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成 增长速度日益加剧。受到各种大数据应用诸如云计本等诸多优点,一直被看作是克服传统的电子交换 算和高清晰视频传输等的推动,数据中心内部机柜技术瓶颈的方法。光互连技术目前仅以点对点光学 之间的数据传输量将会激增。随着对数据流量的进链路的形式使用。不断增长的数据流量和指导集成 步需求,未来数据中心的规模势必将继续扩大,服电路发展的摩尔定律逐渐失效,将使数据中心发展 务器机柜的数量将会进一步增长。数据中心内部流受限于数据传输带宽和功耗问题。解决这些问题最 量估计约为全球互联网流量的4倍,且继续以每年可行的方案是将目前电开关所承载的大流量部分转 27%的速度增长。数据在数据中心内的服务器/移到光路交换上来。用于数据中心内部网络的光交 存储器之间的流量超过了出入站流量。在数据交换换机必须具有大端口数以及快速交换能力,以从电 节点处采用光一电一光的交换方式,势必将会受困开关卸载尽可能多的流量到光开关并减小数据交换 于电子交换技术的发展瓶颈。光一电一光的信号交成本[23。光交换机的数据格式应透明,以适应未来 收稿日期:2018-10-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61705129;61422508;61535006:61661130155) 作者简介:周林杰(1980-),男,浙江平湖人。教授,博士,主要研究方向为硅基光电子集成 通信作者:周林杰,教授。E-mail:lizhou@sjtu.edu.cndoi:10.13756/j.gtxyj.2019.01.002 特邀稿件 集成光开关发展现状及关键技术(特邀) 周林杰,陆梁军,郭展志,赵硕义,李祖湘,高 伟,李 鑫,陈建平 (上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海 200240) 摘要:随着网络传输数据流量的爆炸性增长,传统电交换由于其有限的带宽和高功耗将很难满足网络带宽发展需求。光交换 能直接在光域上完成光信道间信息的交换,具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成本等诸多优点,能满足下一代全光 交换网络、数据中心和高性能计算机光互连网络建设的迫切需求。文章介绍了集成光开关的发展现状及核心技术,包括采用 氧化硅、III-V 族半导体材料和硅材料来制作光开关的进展以及各种技术的特点。其中硅基集成光开关具有结构紧凑、功耗 小、成本低以及与互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺兼容的优势,适合大规模光开关制作和量产,具有潜在的巨大市 场商用价值。文章重点介绍了实现硅基光开关的核心单元器件以及几种代表性光开关阵列,并对光开关状态监控和调节以 及光电封装做了阐述。 关键词:硅基光电子;光开关;光波导;集成光子学 中图分类号:O436 文献标志码:A 文章编号:1005-8788(2019)01-0009-18 DevelopmentStatusandKeyTechnologiesofIntegratedOpticalSwitches ZHOULin-jie,LULiang-jun,GUOZhan-zhi,ZHAOShuo-yi,LIZu-xiang,GAO Wei,LIXin,CHENJian-ping (StateKeyLaboratoryofAdvancedOpticalCommunicationSystemsandNetworks, ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China) Abstract:Withtheexplosivegrowthofdatatrafficincommunicationnetworks,traditionalelectricalswitcheswillbedifficultto satisfytherequirementofbroadbandnetworkdevelopmentduetotheirlimitedbandwidthandhigh-powerconsumption.With opticalswitches,datacanbedirectlyexchangedintheopticaldomainwithoutconversion.All-opticalswitchinghasmanyad￾vantagessuchashighspeed,widebandwidth,transparency,lowpowerconsumptionandlowcost.Itcanbeappliedinthenext generationall-opticalswitchingnetworks,datacenterandhigh-performancecomputerinterconnectnetworks.Thispaperintro￾ducesthedevelopmentstatusandcoretechnologiesofintegratedopticalswitches,includingtheimplementationofopticalswit￾chesusingsilicondioxide,III-Vsemiconductormaterialsandsiliconmaterials.Amongthem,thesiliconbasedintegratedopti￾calswitcheshavetheadvantagesofcompactsize,lowpowerconsumption,andcompatibilitywithComplementaryMetal-Ox￾ide-Semiconductor(CMOS)technologies,whicharesuitableformassivelow-costproductionthatcanpotentiallyfindrichmar￾ketapplications.Thispaperfocusesontheimplementationoftheelementarydevicesforsiliconbasedopticalswitchesandsev￾eralrepresentativeopticalswitchfabrics.Themethodsfortheswitchstatemonitoringandswitchchippackagearealsocov￾ered. Keywords:siliconphotonics;opticalswitch;opticalwaveguide;integratedphotonics 0 引 言 在现如今这个数字时代,网络传输数据流量的 增长速度日益加剧。受到各种大数据应用诸如云计 算和高清晰视频传输等的推动,数据中心内部机柜 之间的数据传输量将会激增。随着对数据流量的进 一步需求,未来数据中心的规模势必将继续扩大,服 务器机柜的数量将会进一步增长。数据中心内部流 量估计约为全球互联网流量的4倍,且继续以每年 27%的速度增长[1]。数据在数据中心内的服务器/ 存储器之间的流量超过了出入站流量。在数据交换 节点处采用光-电-光的交换方式,势必将会受困 于电子交换技术的发展瓶颈。光-电-光的信号交 换模式有能耗高和体积庞大的缺点,而采用全光交 换的光互连技术直接在光域完成光信道间信息的交 换,则具有高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成 本等诸多优点,一直被看作是克服传统的电子交换 技术瓶颈的方法。光互连技术目前仅以点对点光学 链路的形式使用。不断增长的数据流量和指导集成 电路发展的摩尔定律逐渐失效,将使数据中心发展 受限于数据传输带宽和功耗问题。解决这些问题最 可行的方案是将目前电开关所承载的大流量部分转 移到光路交换上来。用于数据中心内部网络的光交 换机必须具有大端口数以及快速交换能力,以从电 开关卸载尽可能多的流量到光开关并减小数据交换 成本[2-3]。光交换机的数据格式应透明,以适应未来 收稿日期:2018-10-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61705129;61422508;61535006;61661130155) 作者简介:周林杰(1980-),男,浙江平湖人。教授,博士,主要研究方向为硅基光电子集成。 通信作者:周林杰,教授。E-mail:ljzhou@sjtu.edu.cn 9 2019年 第1期 总第211期 光 通 信 研 究 STUDY ON OPTICALCOMMUNICATIONS 2019.02 (Sum.No.211)