科毅光通信 - 光开关器件与设备生产销售厂商

光开关矩阵作为数据中心、通信系统和先进计算架构中的核心器件，通过实现动态灵活的光信号路由以满足不断增长的数据传输需求。随着数据流量呈指数级增长，开关矩阵的可扩展性变得至关重要。然而，有限的物理空间要求器件实现高集成密度，这给热调谐型光开关矩阵带来了开关元件微型化和热串扰抑制等方面的挑战。

本工作提出一种基于超紧凑热调谐微盘谐振器（MDR）的可扩展光开关矩阵结构。

如图1(a)所示，该芯片采用二维传输网络架构，在波导交叉点利用双刻蚀对称椭圆交叉波导器，实现横向与纵向的光信号路由。图1(b)为单个网格单元的放大视图，MDR作为开关单元，在波导交叉点布置两个独立热可调的MDR，通过谐振波长调控实现可重构无阻塞连接。MDR处于谐振状态时，输入光信号从Drop端口输出，与原方向相反；处于非谐振状态时则保持原方向传输。通过协同调控两个MDR的工作状态，可实现三方向光路由，并支持双波长信道并行传输，提升输入/输出端口密度。为降低相邻MDR间的热串扰，在不增大单元尺寸的前提下增加MDR间距，同时集成深槽隔离结构降低相邻单元的热耦。所提出的光开关矩阵具有良好的可扩展性，并显著降低了热串扰，展现出其在未来光互连网络中的应用潜力。

图1 所提出基于微盘的可扩展光开关矩阵示意图

作为原理验证，本工作设计、制备并封装了1×8×2λ硅基光开关矩阵芯片。如图2(a)所示，该芯片包含八个热调谐MDR，实现八通道光路由功能，并采用边缘耦合器阵列作为I/O接口。实验中，当光信号从输入端口I0注入时，可通过控制各MDR状态将信号路由至任意输出端口。图2(b)与图2(c)分别展示了所制备芯片的显微图像与封装模块实物图。

图2 1×8×2λ硅基光开关芯片示意图以及制备芯片的显微图像以及封装模块实物图

随后对该芯片进行了性能测试。图3(a)为所有输出端口在静态条件下的传输光谱。以输出端口O2为例，其响应对应单个MDR的Drop端口，具有164 GHz的3-dB带宽以及19.4 dB的消光比。图3(b)展示了单个MDR的热光调谐特性，随着加热功率增加，MDR谐振波长实现11.4 nm范围的调谐，对应调谐效率为75.5 pm/mW。该动态波长控制能力验证了MDR作为开关单元的有效性。

图3 开关矩阵芯片的各输出端口传输谱与MDR波长调谐性测试结果

为评估开关时间，通过对MDR施加5  kHz方波信号，测试得到其相应信号上升时间为14 μs，下降时间为16 μs，平均开关时间为15 μs，如图4所示。

图4 开关矩阵芯片的开关时间测试结果

为评估消光比与串扰性能，通过控制各MDR的开关状态完成了八通道传输测试，结果总结于图5中。测得各通道开关消光比在20.0-26.2 dB范围内变化，串扰水平在-22.7 dB至-16.7 dB之间。

图5 开关矩阵芯片的开关消光比与串扰测试结果

为验证所提出设计在热串扰抑制方面的有效性，本文对比分析了传统基于双MDR紧密布置的网格单元与本设计中采用的网格单元的抑制热串扰表现。图6(a)展示了仅对MDR1顶部加热器施加偏压时的波长漂移情况。当加热功率从0增至46.0 mW时，MDR1产生4.4 nm的波长移动，而MDR2因热串扰也出现0.6 nm的波长漂移。图6(b)展示了本设计中网格单元的测试结果，该设计通过引入路由波导设计使双MDR间距增至250 μm。当对MDR1施加0-60 mW功率时，MDR1保持4.4 nm的调谐范围，而MDR2的串扰漂移降至0.1 nm，验证了路由波导设计对抑制热串扰的有效性。

图6 基于不同结构的双微盘网格单元热串扰测试结果

最后，基于该芯片进行了高速光信号传输测试。图7展示了20 Gbps信号分别路由至8个输出端口的眼图测试结果，并给出了背靠背（B2B）测试作为对比。所有输出端口均获得清晰张开的眼图，进一步验证了所提出光开关矩阵在高速光互连中的可行性。

图7 高速光数据传输眼图测试结果

该工作成果以“Scalable integrated optical switch matrix using ultra-compact thermally-tunable dual micro-disk resonators”为题被Photonics Research期刊录用。

博士生周朗同学为第一作者。该研究工作获国家自然科学基金面上项目支持。

论文原文链接：https://opg.optica.org/prj/upcoming_pdf.cfm?id=561238  

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