周林杰等:集成光开关发展现状及关键技术 相移来实现开关状态的切换,需要数百微米长的臂2.1.3移相景 长,导致开关单元的尺寸不够紧凑且所需功耗较高 光开关对输入光信号进行路由,这个过程需要 为了减少调制所需的相移量从而减少功耗,可以采通过移相器调节相位来完成。硅波导移相器根据其 用慢光结构来替代MZI中较长的调制臂。波导中工作原理主要分为基于热光效应的热光移相器和基 的相移与其群折射率直接相关。因此,如果慢光结于等离子体色散效应的电光移相器两种 构能引入较大的群折射率改变量,实现π相移量所 由于硅材料具有很大的热光系数,在1550nm 需的调制臂,臂长就可以很大程度缩短。慢光结构波长附近为1.86×10-4K-,因此热光移相器具有 多种多样,例如:布拉格光栅、光子晶体和MRR等。很好的相位调节效率。热光移相器结构简单,易于 MRR由于其结构简单以及易于加工等优点,可以实现且稳定性较高。常用的结构一种是在波导包层 更方便地与MZI结合。 之上加一层金属电阻(如TiN),对金属电阻进行加 与单波导耦合的MRR处于过耦合状态时,在热,热量传导到波导上改变波导的温度,从而实现折 其谐振波长附近,耦合波导的相位响应变化剧烈。射率调节。但是,由于SiO2的热传导系数很小,金 DR-MZI结构所使用的MRR需要工作于过耦合状属电阻上的热量传导到硅波导上较慢,并且有不少 态,图13(b)描述了DR-MZI开关单元的工作原理。热量向上传导损失掉,导致调节功耗较高;另一种是 将波导作为微加热器对波导本身进行加热,无掺杂 MRI 或轻掺杂的波导芯区作为高电阻区,两边的平板区 域都进行n++或者p+重掺杂,并通过金属接触形 成欧姆连接,为低阻区,这样就在波导上形成了一个 热电阻,由于波导芯区电阻较大,加电后热量直接在 波导上产生,避免了所需的热量传导过程,相比 (a)2×2DR-MZl结构示意图 于金属电阻加热,这种方法更为高效,功耗更低,调 IRR1&MRR,2丌 节速度也更快。虽然波导区两侧进行了掺杂,但在 MRR 加热过程中波导芯区的载流子浓度增加比较小,所 d(A1,2)=0 耍 (Ap)=T 引起的载流子吸收损耗可以忽略不计。 热光移相器的缺点是热光效应的响应时间较 长,大都在毫秒量级。此外,功耗较高也是热光移相 1-4 器的不足之处,当实现光开关多端口大规模集成时 交叉状态 片上功耗过高会产生严重的热串扰现象,因此降低 1-3功耗也是热光开关研究的重点 A 硅基电光移相器的原理是基于等离子色散效 波长 波长 应。在半导体材料中,自由载流子浓度的变化会导 (b) DR-MZL工作原理示意图 致该材料的折射率和吸收系数发生改变。当硅中自 图13DR-MZI光开关结构及工作原理示意图 由载流子的浓度变化为108cm-3时,硅材料折射率 初始状态下,两个完全相同的MRR的谐振波长重的变化大概为-10-3量级。实现载流子浓度变化 叠,因而它们耦合波导的相位响应也完全一致。由所采用的电学结构主要是PIN二极管。当向PIN 于上下两个调制臂的相位差为0,基于MZI的干涉二极管加电时,本征区注入大量自由载流子,改变了 原理,此时该开关单元工作于交叉状态。由于波导的折射率。电光开关的优势在于开关响应速度 MRR处于过耦合,MZI上下两臂的相位响应在快(纳秒量级),而且功耗较小;但是由于自由载流子 MRR的谐振波长附近从0~2x剧烈变化。如果在的吸收,损耗也会增大。 其中一个MRR中采用电光调制引入较小的相移使 热光和电光移相器各有优缺点:热光移相器结 其谐振波长蓝移,就可以在上下两臂之间引入π相构简单,在相位调节过程中不会影响开关的消光比、 位差,从而将 DR-MZI开关单元的工作状态切换到串扰和损耗等特性,但是开关速度慢;而电光移相器 直通状态。工作波长可以选在两个MRR谐振峰的则相反,反应速度快,但在开关过程中会引入额外的 中间点,工作带宽由两个MRR的耦合强度决定 损耗,导致消光比和串扰特性的恶化,采用推挽式电 17相移来实现开关状态的切换,需要数百微米长的臂 长,导致开关单元的尺寸不够紧凑且所需功耗较高。 为了减少调制所需的相移量从而减少功耗,可以采 用慢光结构来替代 MZI中较长的调制臂。波导中 的相移与其群折射率直接相关。因此,如果慢光结 构能引入较大的群折射率改变量,实现 π相移量所 需的调制臂,臂长就可以很大程度缩短。慢光结构 多种多样,例如:布拉格光栅、光子晶体和 MRR 等。 MRR由于其结构简单以及易于加工等优点,可以 更方便地与 MZI结合。 与单波导耦合的 MRR 处于过耦合状态时,在 其谐振波长附近,耦合波导的相位响应变化剧烈。 DR-MZI结构所使用的 MRR 需要工作于过耦合状 态,图13(b)描述了 DR-MZI开关单元的工作原理。 -驻n MRR1 MRR2 （a） 2×2 DR鄄MZI 结构示意图 2仔 相 位 仔 0 姿1，2 驻准（姿1，2）=0 MRR1 & MRR2 波长 2仔 相 位 仔 0 MRR2 MRR1 驻准（姿p）=仔 波长 姿p 姿2 姿1 传 输 1 0 1-4 1-3 姿1，2 波长 姿p 波长 传 输 1 0 1-4 1-3 交叉状态 （b） DR鄄MZI 工作原理示意图 图13 DR-MZI光开关结构及工作原理示意图 初始状态下,两个完全相同的 MRR 的谐振波长重 叠,因而它们耦合波导的相位响应也完全一致。由 于上下两个调制臂的相位差为0,基于 MZI的干涉 原理,此 时 该 开 关 单 元 工 作 于 交 叉 状 态。 由 于 MRR 处 于 过 耦 合,MZI上 下 两 臂 的 相 位 响 应 在 MRR的谐振波长附近从0~2π剧烈变化。如果在 其中一个 MRR 中采用电光调制引入较小的相移使 其谐振波长蓝移,就可以在上下两臂之间引入 π相 位差,从而将 DR-MZI开关单元的工作状态切换到 直通状态。工作波长可以选在两个 MRR 谐振峰的 中间点,工作带宽由两个 MRR的耦合强度决定。 2.1.3 移相器 光开关对输入光信号进行路由,这个过程需要 通过移相器调节相位来完成。硅波导移相器根据其 工作原理主要分为基于热光效应的热光移相器和基 于等离子体色散效应的电光移相器两种。 由于硅材料具有很大的热光系数,在1550nm 波长附近为1.86×10-4K-1,因此热光移相器具有 很好的相位调节效率。热光移相器结构简单,易于 实现且稳定性较高。常用的结构一种是在波导包层 之上加一层金属电阻(如 TiN),对金属电阻进行加 热,热量传导到波导上改变波导的温度,从而实现折 射率调节。但是,由于 SiO2 的热传导系数很小,金 属电阻上的热量传导到硅波导上较慢,并且有不少 热量向上传导损失掉,导致调节功耗较高;另一种是 将波导作为微加热器对波导本身进行加热,无掺杂 或轻掺杂的波导芯区作为高电阻区,两边的平板区 域都进行n++ 或者p ++ 重掺杂,并通过金属接触形 成欧姆连接,为低阻区,这样就在波导上形成了一个 热电阻,由于波导芯区电阻较大,加电后热量直接在 波导上产生,避免了所需的热量传导过程[81],相比 于金属电阻加热,这种方法更为高效,功耗更低,调 节速度也更快。虽然波导区两侧进行了掺杂,但在 加热过程中波导芯区的载流子浓度增加比较小,所 引起的载流子吸收损耗可以忽略不计。 热光移相器的缺点是热光效应的响应时间较 长,大都在毫秒量级。此外,功耗较高也是热光移相 器的不足之处,当实现光开关多端口大规模集成时, 片上功耗过高会产生严重的热串扰现象,因此降低 功耗也是热光开关研究的重点。 硅基电光移相器的原理是基于等离子色散效 应。在半导体材料中,自由载流子浓度的变化会导 致该材料的折射率和吸收系数发生改变。当硅中自 由载流子的浓度变化为1018cm-3时,硅材料折射率 的变化大概为 -10-3 量级。实现载流子浓度变化 所采用的电学结构主要是 PIN 二极管。当向 PIN 二极管加电时,本征区注入大量自由载流子,改变了 波导的折射率。电光开关的优势在于开关响应速度 快(纳秒量级),而且功耗较小;但是由于自由载流子 的吸收,损耗也会增大。 热光和电光移相器各有优缺点:热光移相器结 构简单,在相位调节过程中不会影响开关的消光比、 串扰和损耗等特性,但是开关速度慢;而电光移相器 则相反,反应速度快,但在开关过程中会引入额外的 损耗,导致消光比和串扰特性的恶化,采用推挽式电 17 周林杰 等: 集成光开关发展现状及关键技术