光通信研究 2019年第1期总第211期 换时间可以达到纳秒量级 自于波导侧壁粗糙度引入的散射损耗。使用多模宽 波导可以减小波导侧壁处的模场强度,从而减小散 射损耗。采用这种方法在没有经过后端工艺的无源 器件上可以实现非常低的损耗,但经过后端工艺(包 括离子注入掺杂、探测器制作和金属化工艺等)会增 加波导额外损耗[。此外,采用超薄60nm厚度硅 波导,可以将损耗降低至0.6dB/cm,与常规硅波导 声3 相比提高了5倍2。浅刻蚀脊型硅波导由于其光 学模式和侧壁交叠较少,因而具有较低的传输损耗。 横截面为0.25pm(高度)×2m(宽度)和0.05pm 蚀刻深度的硅波导在C波段中具有0.27dB/cm的 传输损耗[]。 开关单元 2.1.2光开关单元 (1)MZI结构 MM 输出 MZI是一种广泛应用于硅基光电子芯片的单 元结构,也是一种常见的光开关单元结构553.61。 绝热深刻蚀 用于光开关基本单元的MZI通常为2×2的4端口 图416×16MZI电光开关整体及单元结构示意图 IZI。如图5和6所示,2×2MZI结构由3个部分 硅基高速光开关采用载流子注入技术,但载流组成,分别为位于左右两侧的两个3dB耦合器和位 子注入后也伴随产生热光效应。为了减小热光效应于中间的两段长直波导(相位调制臂)。3B耦合 影响MZ光开关可以采取同步驱动方案,即当载器可以是2×2MMI,也可以是DC。相对于DC 流子注入到MZ的一个臂的同时将调制电压施加MM具有高带宽和工艺容差大等优点,因此MzI 到另一个臂上的热光移相器,以此抵消热光效应的更多地采用MMI结构作为3dB耦合器 影响[6 开关单元中如采用双微环辅助MZI电光开关 MMI 输出 来替代MZⅠI电光开关,可以大幅减小开关调节功 耗[。由于微环是谐振结构,对环境温度变化很敏图5以MMI为3dB耦合器的MZI结构示意图 感,因此在实际应用中可以采用片上光功率监控,通 过控制电路来跟踪和锁定微环的谐振波长[676 输入 输出 除了学术界,企业界也积极开展硅基光开关研 究。华为公司在2016年报道了32×32光开关[0 拓扑结构采用扩展 Benes结构。由于常规 Ben结图6以DC为3dB耦合器的MZl结构示意图 构不可避免会产生一级串扰,因此他们在 Benes结 在理想情况下,因为光场在MZI两臂中经过的 构的基础上增加更多的开关单元来消除一级串扰,路径相同,在直波导中传播而引入的相位变化相同 从而降低开关整体串扰值。该芯片共有48个2×则上下两臂之间的相位差为0。当两臂之间相位差 2热光MZI单元,在每个单元上都增加了监控光电为0时,MZI开关单元的工作状态为交叉状态,光 二极管来确定单元的状态 的路由路径为I1-O2和I2-O1。若通过移相器来 改变两臂之间的相位差使其为π,则MZI开关单元 2硅基光开关关键技术 的工作状态从交叉状态切换为直通状态。在直通状 2.1基本元件 态下,光的路由路径为I1-O1和I2-O2。 2.1.1硅波子 对于2×2MZI开关单元,如果3dB耦合器不 大规模光开关包含了大量比较长的连接波导,能很好地实现均匀分光,则会导致在两输出端口产 为了减小开关插入损耗,首先需要减小波导的传输生较大的串扰。此外,上下两臂之间损耗的不均匀 损耗。硅波导由于其高折射率对比度,损耗主要来性也会导致串扰增加。上下两臂之间损耗的不均匀换时间可以达到纳秒量级。 I1 O1 I10 O10 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I11 I12 I13 I14 I15 I16 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9 O11 O12 O13 O14 O15 O16 输 入 I ~1 I6 输 出 O ~1 O16 抽头 I1 I2 O1 O2 MMI p+ n+ 输入 MMI 输出 MZI 开关单元 绝热深刻蚀 图4 16×16MZI电光开关整体及单元结构示意图 硅基高速光开关采用载流子注入技术,但载流 子注入后也伴随产生热光效应。为了减小热光效应 影响,MZI光开关可以采取同步驱动方案,即当载 流子注入到 MZI的一个臂的同时将调制电压施加 到另一个臂上的热光移相器,以此抵消热光效应的 影响[66]。 开关单元中如采用双微环辅助 MZI电光开关 来替代 MZI电光开关,可以大幅减小开关调节功 耗[56]。由于微环是谐振结构,对环境温度变化很敏 感,因此在实际应用中可以采用片上光功率监控,通 过控制电路来跟踪和锁定微环的谐振波长[67-69]。 除了学术界,企业界也积极开展硅基光开关研 究。华为公司在2016年报道了32×32光开关[70], 拓扑结构采用扩展 Benes结构。由于常规 Benes结 构不可避免会产生一级串扰,因此他们在 Benes结 构的基础上增加更多的开关单元来消除一级串扰, 从而降低开关整体串扰值。该芯片共有448个2× 2 热光 MZI单元,在每个单元上都增加了监控光电 二极管来确定单元的状态。 2 硅基光开关关键技术 2.1 基本元件 2.1.1 硅波导 大规模光开关包含了大量比较长的连接波导, 为了减小开关插入损耗,首先需要减小波导的传输 损耗。硅波导由于其高折射率对比度,损耗主要来 自于波导侧壁粗糙度引入的散射损耗。使用多模宽 波导可以减小波导侧壁处的模场强度,从而减小散 射损耗。采用这种方法在没有经过后端工艺的无源 器件上可以实现非常低的损耗,但经过后端工艺(包 括离子注入掺杂、探测器制作和金属化工艺等)会增 加波导额外损耗[71]。此外,采用超薄60nm 厚度硅 波导,可以将损耗降低至0.6dB/cm,与常规硅波导 相比提高了5倍[72]。浅刻蚀脊型硅波导由于其光 学模式和侧壁交叠较少,因而具有较低的传输损耗。 横截面为0.25μm(高度)×2μm(宽度)和0.05μm 蚀刻深度的硅波导在 C 波段中具有0.27dB/cm的 传输损耗[73]。 2.1.2 光开关单元 (1)MZI结构 MZI是一种广泛应用于硅基光电子芯片的单 元结构,也是一种常见的光开关单元结构[58-59,62]。 用于光开关基本单元的 MZI通常为2×2的4端口 MZI。如图5和6所示,2×2 MZI结构由3个部分 组成,分别为位于左右两侧的两个3dB耦合器和位 于中间的两段长直波导(相位调制臂)。3dB 耦合 器可以是 2×2 MMI,也可以是 DC。相对于 DC, MMI具有高带宽和工艺容差大等优点,因此 MZI 更多地采用 MMI结构作为3dB耦合器。 MMI I1 I2 O1 O2 输入 MMI 输出 图5 以 MMI为3dB耦合器的 MZI结构示意图 I1 I2 O1 O2 DC DC 输入 输出 图6 以 DC为3dB耦合器的 MZI结构示意图 在理想情况下,因为光场在 MZI两臂中经过的 路径相同,在直波导中传播而引入的相位变化相同, 则上下两臂之间的相位差为0。当两臂之间相位差 为0时,MZI开关单元的工作状态为交叉状态,光 的路由路径为I1-O2 和I2-O1。若通过移相器来 改变两臂之间的相位差使其为 π,则 MZI开关单元 的工作状态从交叉状态切换为直通状态。在直通状 态下,光的路由路径为I1-O1 和I2-O2。 对于2×2 MZI开关单元,如果3dB耦合器不 能很好地实现均匀分光,则会导致在两输出端口产 生较大的串扰。此外,上下两臂之间损耗的不均匀 性也会导致串扰增加。上下两臂之间损耗的不均匀 14 光通信研究 2019年 第1期 总第211期