周林杰等:集成光开关发展现状及关键技术 发光开关的一个关键问题是降低功耗。PLC波导带隙材料,可以实现多种有源器件,如激光器、放大 热光移相器所消耗的功耗最终限制了开关规模。降器和探测器等,是良好的集成光子材料。采用Ⅲ-V 低功耗的一个办法是在波导周围制作空气隔热槽,族材料可以实现波长变换或补偿光传输过程中的损 使波导芯层可以有效地被加热同时又抑制热量向周耗,能给光开关芯片提供额外功能,而且Ⅲ-V族材 围传播。对于折射率对比度为1.5%的SiO2波导 料具有良好的线性电光效应,能实现高速的电光调 当下包层厚度为50μm,包层脊宽度为20m时,制,这意味着其可以实现纳秒量级以下的光交换。 MZI开关切换功耗为45mW,仅为使用常规SiO2但是,基于Ⅲ-V族材料的光开关功耗都比较大,而 波导开关切换功耗的1/10左右[1,响应时间也能且Ⅲ-V族工艺加工大于4寸的晶圆比较困难,不 易实现大规模低成本集成 当光开关达到一定规模后,需要单独控制的开 基于IV族半导体光放大器( Semiconducto 关单元数目非常庞大。为了实现简单的开光调控, Optical Amplifier,SOA)的光开关通常基于广播和 可以将热光移相器驱动电芯片、光开关芯片以及控选择( Broadcast- and-select,B8.s)或者切换和选择 制和电源终端封装在一起∞。将集成电路芯片安( Switch- and-Select,S8S)拓扑结构[。光路 装在PLC芯片表面,不需要将电路布线延伸到PLCS8.S部分可以通过级联MZI实现。SOA放置于 芯片端面,因而减少了电路走线所需要的空间,同时MZI之后用于提供增益或衰减。SOA在关闭状态 PLC芯片端面焊盘数量可以减少,使封装变得更简下具有很大损耗,能吸收串扰光信号,提高光开关的 化,降低了模块组装成本 消光比;而它在开启状态下能提供增益,可用于补偿 至今报道的基于SiO2PLC光开关的最大端口分路/合路器以及无源波导的损耗。随着光开关阵 数为32×32。该光开关采用压缩路径无关插损列规模增大,每条光路上分路/合路器的数量和无源 (Path- Independent- Insertion-Loss, PILOSS)拓扑波导的总长度不断增加,这就需要更大增益量的 结构和柔性印刷电路板技术,大大减少了光波导区SOA来补偿增长的损耗。但是,这会引入放大器自 域和所需的布线空间,并且容易将光开关芯片和热发辐射噪声( Amplifier Spontaneous Emission 调驱动电路封装在一个模块内。该光开关芯片插入 noise,ASE),引起信号失真,并增加光开关功率预 损耗为6.6dB,消光比为55dB,响应时间为算。如图1所示为一个基于MZ-SOA的2×2光 0.7ms,能用于可重构光分插复用器和波长粒度的开关单元结构,MZI的两个输出都连接到SOA, 光路交换系统中 信号输出端口SOA打开以补偿无源器件损耗,另 早期SiO2PLC波导具有较小的折射率对比一个输出端口的SOA处于关闭状态以抑制串扰。 度,因而PLC芯片尺寸较大。 Furukawa公司近年基于该MZl光开关并采用扩展 Benes拓扑结构可 来开发了一种基于二氧化锆一二氧化硅(ZrO2-以进一步减少串扰m3。图2所示为一个采用扩展 SiO2)的高折射率波导材料的PLC技术1,利用这 Benes结构的4×4光开关,它包括4个2×2扩展 种技术实现的波导具有5%以上的折射率对比度, Benes开关单元,每个单元由4个MZ和8个SOA 远远超过了传统PLC,因而芯片具有更小的尺寸。构成。虽然该2×2开关单元具有4个输入和4个 zrO2-SiO2PLC的基本光学特性与传统PLC相当,输出,但外部输入和输出只用到了两个端口。MZI 利用热光效应可以实现多种光开关[223。 两臂上的相位调制器采用量子限制斯塔克效应 SO2PLC技术经过二十多年发展,已经非常成( Quantum-Confined Stark Effect,QCSE),与载流 熟,它具有损耗低和串扰小的优点,但是芯片尺寸相注入移相器相比,QCSE移相器通过改变施加的 比于其他材料制作的芯片仍然过大,功耗也很高,响电压来实现开关切换,因而无静态功耗 应比较慢。虽然SiO2PLC光开关还在不断发展, MZI单元部分 +S04部分 但受限于材料属性,很难满足未来对小型化光开关→ 偏置部 o)→低 芯片的需求 MMI 1.2I-V族材料 偏置部 →OF→压缩 Ⅲ-V族半导体材料(如磷化铟(InP)基材料)也 注:MMI为多模干涉仪 是良好的集成光电子材料,可以用来实现具有纳秒 图1基于MZI-SOA的2×2光开关单元[ 量级切换时间的电光开关[2529。Ⅲ-V材料是直接 11发光开关的一个关键问题是降低功耗。PLC 波导 热光移相器所消耗的功耗最终限制了开关规模。降 低功耗的一个办法是在波导周围制作空气隔热槽, 使波导芯层可以有效地被加热同时又抑制热量向周 围传播。对于折射率对比度为1.5%的 SiO2 波导, 当下包层厚度为50μm,包层脊宽度为20μm 时, MZI开关切换功耗为45 mW,仅为使用常规 SiO2 波导开关切换功耗的1/10左右[18],响应时间也能 <3ms。 当光开关达到一定规模后,需要单独控制的开 关单元数目非常庞大。为了实现简单的开光调控, 可以将热光移相器驱动电芯片、光开关芯片以及控 制和电源终端封装在一起[20]。将集成电路芯片安 装在PLC芯片表面,不需要将电路布线延伸到PLC 芯片端面,因而减少了电路走线所需要的空间,同时 PLC芯片端面焊盘数量可以减少,使封装变得更简 化,降低了模块组装成本。 至今报道的基于 SiO2 PLC光开关的最大端口 数为32×32 [16]。该光开关采用压缩路径无关插损 (Path-Independent-Insertion-Loss,PILOSS)拓 扑 结构和柔性印刷电路板技术,大大减少了光波导区 域和所需的布线空间,并且容易将光开关芯片和热 调驱动电路封装在一个模块内。该光开关芯片插入 损耗 为 6.6 dB,消 光 比 为 55 dB,响 应 时 间 为 0.7ms,能用于可重构光分插复用器和波长粒度的 光路交换系统中。 早期 SiO2 PLC 波 导 具 有 较 小 的 折 射 率 对 比 度,因而 PLC 芯片尺寸较大。Furukawa公司近年 来开发 了 一 种 基 于 二 氧 化 锆 - 二 氧 化 硅 (ZrO2- SiO2)的高折射率波导材料的 PLC 技术[21],利用这 种技术实现的波导具有5%以上的折射率对比度, 远远超过了传统 PLC,因而芯片具有更小的尺寸。 ZrO2-SiO2 PLC的基本光学特性与传统 PLC相当, 利用热光效应可以实现多种光开关[22-24]。 SiO2 PLC技术经过二十多年发展,已经非常成 熟,它具有损耗低和串扰小的优点,但是芯片尺寸相 比于其他材料制作的芯片仍然过大,功耗也很高,响 应比较慢。虽然 SiO2 PLC 光开关还在不断发展, 但受限于材料属性,很难满足未来对小型化光开关 芯片的需求。 1.2 III-V族材料 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料(如磷化铟(InP)基材料)也 是良好的集成光电子材料,可以用来实现具有纳秒 量级切换时间的电光开关[25-29]。Ⅲ-Ⅴ材料是直接 带隙材料,可以实现多种有源器件,如激光器、放大 器和探测器等,是良好的集成光子材料。采用Ⅲ-Ⅴ 族材料可以实现波长变换或补偿光传输过程中的损 耗,能给光开关芯片提供额外功能,而且Ⅲ-Ⅴ族材 料具有良好的线性电光效应,能实现高速的电光调 制,这意味着其可以实现纳秒量级以下的光交换。 但是,基于Ⅲ-Ⅴ族材料的光开关功耗都比较大,而 且Ⅲ-Ⅴ族工艺加工大于4寸的晶圆比较困难,不容 易实现大规模低成本集成。 基于III-V 族半导体光放大器(Semiconductor OpticalAmplifier,SOA)的光开关通常基于广播和 选择(Broadcast-and-Select,B&S)或者切换和选择 (Switch-and-Select,S&S)拓 扑 结 构[29-30]。 光 路 S&S部分可以通过级联 MZI实现。SOA 放置于 MZI之后用于提供增益或衰减。SOA 在关闭状态 下具有很大损耗,能吸收串扰光信号,提高光开关的 消光比;而它在开启状态下能提供增益,可用于补偿 分路/合路器以及无源波导的损耗。随着光开关阵 列规模增大,每条光路上分路/合路器的数量和无源 波导的总 长 度 不 断 增 加,这 就 需 要 更 大 增 益 量 的 SOA 来补偿增长的损耗。但是,这会引入放大器自 发 辐 射 噪 声 (Amplifier Spontaneous Emission noise,ASE),引起信号失真,并增加光开关功率预 算。如图1所示为一个基于 MZI-SOA 的2×2光 开关单元结构[28],MZI的两个输出都连接到 SOA, 信号输出端口 SOA 打开以补偿无源器件损耗,另 一个输出端口的 SOA 处于关闭状态以抑制串扰。 基于该 MZI光开关并采用扩展 Benes拓扑结构可 以进一步减少串扰[25]。图2所示为一个采用扩展 Benes结构的4×4光开关,它包括4个2×2扩展 Benes开关单元,每个单元由4个 MZI和8个SOA 构成。虽然该2×2开关单元具有4个输入和4个 输出,但外部输入和输出只用到了两个端口。MZI 两臂上 的 相 位 调 制 器 采 用 量 子 限 制 斯 塔 克 效 应 (Quantum-ConfinedStarkEffect,QCSE),与载流 子注入移相器相比,QCSE 移相器通过改变施加的 电压来实现开关切换,因而无静态功耗。 串扰 压缩 低损耗 偏置部分 MMI MMI 偏置部分 MZI 单元部分 短 SOA 部分 ON OFF 串扰 注：MMI 为多模干涉仪。 图1 基于 MZI-SOA 的2×2光开关单元[28] 11 周林杰 等: 集成光开关发展现状及关键技术