光通信研究 2019年第1期总第211期 MMI 相位调制器 SOA 0.07mm2,芯片带宽>38.5GHz,消光比高于 20dB;2016年他们又用MRR实现了1×8光开关, netl 通过光纤连接搭建了8×8无阻塞光交换[3;201 年他们通过软件定义的控制方式使用1×8微环光 e88。33 开关分别实现了波长选择性的单播与多播数据传 =a…34输[,以及基于空间和波长路由的超通道光交 图2采用扩展 Benes结构的4×4光开关[25 换 除了MZI结构之外,基于有源一无源集成的 IBM的研究团队也一直致力于开发基于MZI InP平台也可以采用微环谐振器( Microring Re 的电光开关[1工艺,实现基于IBM的90nm senator,MRR)来形成开关矩阵。由于单微环开CMOS工艺线。2×2MZI光开关采用推挽式驱 动,在O波段的45nm光学带宽内,插入损耗约为 关存在带宽和消光比之间的权衡,一般采用多个微 1dB,光学串扰<-23dB,单元响应时间为4ns,电 环级联来提高带宽和开关消光比。为了补偿损耗, 光移相器平均功耗为1mW。单片无阻塞4×4 在微环开关阵列前面或者后面可集成SOA。 MZ光开关也采用了同样的90nm工艺,将CMOS 令。由于InP基SOA可以用作波长变换器,利用它逻辑、开关驱动以及光器件都集成在了同一芯片 合AWG能实现波长路由光开关[。加州大上40。光开关片上插入损耗为1.5~3.0dB,串扰 学圣芭芭拉分校实现了8×8单片集成可调光路由<-23dB。CMOS开关和驱动均集成在了同一芯 器芯片,它包括了1个无源AWG和8个基于SOA片上,简化了组装并降低了系统成本。 的波长变换器。该开关的原理是利用波长变换将信 加州大学伯克利分校研究小组在硅基光开关的 号光波长转变为AWG路由波长,然后经过无源研究上另辟蹊径,提出了一种将硅基光电子技术和 AwG传输到特定端口。该开关芯片的尺寸为MEMS技术相结合的新型光开关,开关状态可以通 425mm×14.5mm,能对40Gbit/s数据进行路过MEMS操控波导的微小移动来实现。2015年他 由,每一路的功耗为2W 们报道了一种基于50×50交叉开关矩阵的光开 基于Ⅲ-材料的集成光子技术能有效地实现 关,在9mm×9mm的芯片上集成了2500个开 纳秒量级的开关芯片。由于IV材料可以实现增关单元。在每一个开关单元内都有一对单臂波导可 益能有效补偿无源损耗,因而开关阵列的总体插损移动的定向耦合器( Directional Coupler,DC),通过 可以做到很低。但由于1V材料加工工艺比较复MEMs技术控制DC两根波导的垂直距离来控制 杂昂贵,光开关成本较高,对于大规模集成多端口开光路,进而决定开关单元的状态。开关单元在状态 关芯片,成品率也是潜在问题, 切换时的电压为14V,消光比为26dB,开关时间为 1.3绝缘体上硅材料 2.5μs。器件的传输损耗主要来自于波导交叉,最 硅基光电子器件能采用CMOS兼容工艺制备,长路径的片上损耗为27.5dB。2016年他们又报道 具备能与微电子器件单片集成的潜力,保证了硅基了另外一种具有更高性能的64×64光开关,图3 光子器件具有相对低廉的价格和广阔的市场。如所示为采用MEMS驱动的硅基大规模光开关。开 今,硅基光子学已经成为集成光子学领域诸如高性关单元的响应时间为0.91gs,消光比超过了60dB 能计算、光通信(电信/数据)、光学传感器、片上光而整个芯片尺寸为8.6mm×8.6mm,在300mm带 互连、微波光子和激光雷达等领域的领先技术解决宽(1400~1700mm)范围的片上损耗仅为3.7dB 方案3。而近几年重要的硅光子学公司的收购事该开关的最大问题是驱动电压非常高,开启和关闭 件也表明了在未来几年商业化的良好前景。国内外对应的电压分别为42V和24V 均有许多研究团队着手开展关于硅基光开关器件及 日本先进工业科技研究所( The National insti 应用方面的研究,推动了集成光开关朝实用化方向 tute of advanced Industrial science and technolo 的发展 gy,AIST)实现了基于 PILOSS拓扑结构的8×8热 哥伦比亚大学一直致力于硅基微环光开关的研光光开关[7],共有64个开关单元和49个波导交叉 究和系统应用。2014年他们实现了一个基于硅基节点。开关单元基于热光效应,采用双臂集成了氮 MRR的4×4热光开关,该光开关尺寸为化钛(TN)的MZIl结构,器件的平均片上损耗为 12输入 输出 1 2 3 4 1 2 3 4 MMI 相位调制器 SOA 图2 采用扩展 Benes结构的4×4光开关[25] 除了 MZI结构之 外,基 于 有 源 - 无 源 集 成 的 InP平台 也 可 以 采 用 微 环 谐 振 器 (Microring Re￾sonator,MRR)来形成开关矩阵[31]。由于单微环开 关存在带宽和消光比之间的权衡,一般采用多个微 环级联来提高带宽和开关消光比。为了补偿损耗, 在微环开关阵列前面或者后面可集成SOA。 由于InP基SOA 可以用作波长变换器,利用它 再结合 AWG 能实现波长路由光开关[32]。加州大 学圣芭芭拉分校实现了8×8单片集成可调光路由 器芯片,它包括了1个无源 AWG 和8个基于 SOA 的波长变换器。该开关的原理是利用波长变换将信 号光波长 转 变 为 AWG 路 由 波 长,然 后 经 过 无 源 AWG 传 输 到 特 定 端 口。 该 开 关 芯 片 的 尺 寸 为 4.25mm×14.5 mm,能对 40Gbit/s数据进行路 由,每一路的功耗为2 W。 基于III-V 材料的集成光子技术能有效地实现 纳秒量级的开关芯片。由于III-V 材料可以实现增 益能有效补偿无源损耗,因而开关阵列的总体插损 可以做到很低。但由于III-V 材料加工工艺比较复 杂昂贵,光开关成本较高,对于大规模集成多端口开 关芯片,成品率也是潜在问题。 1.3 绝缘体上硅材料 硅基光电子器件能采用 CMOS兼容工艺制备, 具备能与微电子器件单片集成的潜力,保证了硅基 光子器件具有相对低廉的价格和广阔的市场。如 今,硅基光子学已经成为集成光子学领域诸如高性 能计算、光通信(电信∕数据)、光学传感器、片上光 互连、微波光子和激光雷达等领域的领先技术解决 方案[33-37]。而近几年重要的硅光子学公司的收购事 件也表明了在未来几年商业化的良好前景。国内外 均有许多研究团队着手开展关于硅基光开关器件及 应用方面的研究,推动了集成光开关朝实用化方向 的发展。 哥伦比亚大学一直致力于硅基微环光开关的研 究和系统应用。2014年他们实现了一个基于硅基 MRR 的 4×4 热 光 开 关[38],该 光 开 关 尺 寸 为 0.07mm2,芯 片 带 宽 >38.5 GHz,消 光 比 高 于 20dB;2016年他们又用 MRR实现了1×8光开关, 通过光纤连接搭建了8×8无阻塞光交换[39];2017 年他们通过软件定义的控制方式使用1×8 微环光 开关分别实现了波长选择性的单播与多播数据传 输[40],以 及 基 于 空 间 和 波 长 路 由 的 超 通 道 光 交 换[41]。 IBM 的研究团队也一直致力于开发基于 MZI 的 电 光 开 关[42] 工 艺,实 现 基 于 IBM 的 90 nm CMOS工 艺 线。2×2 MZI光 开 关 采 用 推 挽 式 驱 动,在 O 波段的45nm 光学带宽内,插入损耗约为 1dB,光学串扰<-23dB,单元响应时间为4ns,电 光移相器平均功耗为1 mW [43]。单片无阻塞4×4 MZI光开关也采用了同样的90nm 工艺,将 CMOS 逻辑、开关 驱 动 以 及 光 器 件 都 集 成 在 了 同 一 芯 片 上[44]。光开关片上插入损耗为1.5~3.0dB,串扰 <-23dB。CMOS开关和驱动均集成在了同一芯 片上,简化了组装并降低了系统成本。 加州大学伯克利分校研究小组在硅基光开关的 研究上另辟蹊径,提出了一种将硅基光电子技术和 MEMS技术相结合的新型光开关,开关状态可以通 过 MEMS操控波导的微小移动来实现。2015年他 们报道了 一 种 基 于 50×50 交 叉 开 关 矩 阵 的 光 开 关[45],在9mm ×9mm 的芯片上集成了2500个开 关单元。在每一个开关单元内都有一对单臂波导可 移动的定向耦合器(DirectionalCoupler,DC),通过 MEMS技术控制 DC 两根波导的垂直距离来控制 光路,进而决定开关单元的状态。开关单元在状态 切换时的电压为14V,消光比为26dB,开关时间为 2.5μs。器件的传输损耗主要来自于波导交叉,最 长路径的片上损耗为27.5dB。2016年他们又报道 了另外一种具有更高性能的64×64光开关[46],图3 所示为采用 MEMS驱动的硅基大规模光开关。开 关单元的响应时间为0.91μs,消光比超过了60dB; 而整个芯片尺寸为8.6mm×8.6mm,在300nm带 宽(1400~1700nm)范围的片上损耗仅为3.7dB。 该开关的最大问题是驱动电压非常高,开启和关闭 对应的电压分别为42V 和24V。 日本先进工业科技研究所(TheNationalInsti￾tuteofAdvancedIndustrialScienceandTechnolo￾gy,AIST)实现了基于 PILOSS拓扑结构的8×8热 光光开关[47],共有64个开关单元和49个波导交叉 节点。开关单元基于热光效应,采用双臂集成了氮 化钛(TiN)的 MZI结构,器件的平均 片 上 损 耗 为 12 光通信研究 2019年 第1期 总第211期