科毅光通信 - 光开关器件与设备生产销售厂商

随着人工智能、机器学习和云计算的发展，对数据处理的需求不断增长，数据中心对快速、高效的光互连的需求变得越来越重要。硅光平台在过去的十年中得到了迅速的发展，特别是在电信和数据通信的光收发器的大规模生产中。最近也被用于新兴应用，包括板上和封装内光互连和光子处理器。光开关被认为是解决这些挑战的一个很有前途的解决方案。其中，硅光平台具有可扩展性，成本效益，运行速度快于微秒。今天带来几种硅光平台的光开关应用：

1、MZI拓扑大规模矩阵光开关：

    基于路径无关插损（PILOSS）拓扑的硅光开关，具有潜在的低损耗和低功耗,在两侧都有输入和输出端口阵列，如图a所示。在未来的晶圆级光学基板上连接多个xPU芯片，必须使用平面光波导，许多路径交叉点和长光路对波导插损提出挑战，图b所示。为避免波导重新布线，用于晶圆级光互连的光开关具有如图c/d所示的相邻输入/输出端口布置，可大大简化波导布线。

AIST提出一种新的光开关拓扑，通过修改传统的PILOSS拓扑使输入和输出端口彼此相邻。该拓扑与传统的PILOSS拓扑具有相同的特点，即严格不阻塞，每条路径上只有一个ON单元开关，并且每条路径上的开关和交叉点数量相同（分别为N和N-2）。唯一区别是每条路径上的交叉点数量（N-1 / N-2），可通过短距离连接到外部而不会交叉。

8×8硅光开关如图所示。使用UV固化粘合剂将高光纤阵列（NA = 0.28）附着在输入和输出SSC的芯片边缘。校准所有64个MZI开关元件的随机初始相位误差，π位移所需功耗为12.5 mW。

    所有可能路径的光纤到光纤的损耗最小值和最大值分别为-13.9 dB和-7.4 dB，消光比最小值为25.4 dB，最大值为33.4 dB。评估最差串扰高于-21.1 dB。

传统的基于单模波导的MZI由于制造偏差而存在明显的随机相位不平衡，累积相位导致显著串扰，通常可通过探测器作为内置功率监视器来校准。此次，浙大戴老师团队成功地演示具有Benes拓扑的免校准64×64 MZIs，解决传统单模移相器中多余损耗和显著的随机相位不平衡。

    Benes拓扑是一个可重新排列的无阻塞交换结构，具有最少数量的2×2 MZIs （(2log2N−1)N/2）和stage （2log2N−1）。对于N=64的免校准N×N Benes MZI，由352个免校准2×2 MZI和1824个交叉点组成。2×2 MZI由两个2×2 MMI耦合器、四个TES-bend波导和两个加宽的多模移相器组成。通过增大波导宽度和缩短移相器长度（2µm宽，50µm长），减小随机相位不平衡。TES-bend波导的两个弯曲非对称定向耦合器用于滤除残余的高阶模式。

64×64 MZIs采用标准的180 nm硅光代工工艺，面积为13.1×1.9 mm2。对352个2x2 MZI在没有加热功率的情况下的所有4096个透射光谱进行表征,C波段的额外损耗平均值在2.5 dB~8.5 dB之间，串扰平均值<-21.5 dB。64x64 MZI具有代表性的all-Bar配置，所有2x2 MZI都从OFF状态调谐到ON状态，额外损耗从3.5到8.5 dB不等，串扰平均值<-30 dB。

上海交大周老师团队展示一个2×2电光开关，通过MTP技术将TFLN转移到低损耗Si3N4平台上，具有宽带宽、超低串扰、高速交换和可忽略的功耗特点，如图所示。

    TFLN包括两对倏逝耦合器，将Si3N4波导的光耦合到LN-Si3N4混合波导上，平均耦合损耗约为0.5 dB/facet， Y方向上1dB公差大于±1.5 μm。LN-Si3N4混合移相器为1000 nm*400 nm Si3N4，在Si3N4顶部有300 nm厚的TFLN，电极间距为6μm。

1×2光开关在100nm波长范围内，插入损耗为~1.3 dB，在1540 ~ 1565nm波长范围内，串扰小于- 35db。疏逝波耦合器额外损耗约0.5 dB/facet。

    对于2×2级联光开关的插损为4.18 ~ 5.51 dB，带宽超过100nm，在1540-1565nm范围内串扰小于-45 dB。

    所制芯片间隙实际测量为7 μm导致Vπ大于20 V，但没有静态功耗，可以忽略不计，开关的上升时间和下降时间分别为3.7 ns和3.0 ns。

2、空间和波长选择性光开关：

    光开关可以有效地缓解与传统电子互连相关的性能瓶颈，同时实现跨多波长和空间路径的高效数据传输。空间和波长可重构光开关对于利用波分复用（WDM）至关重要，允许基于空间和频谱的任意光信号的选择性路由。

    University of Cambridge介绍一种新的扩展拓扑结构，提出一种超紧凑的4×4×4λ SWSS支持空间和波长选择性开关，如图所示。

    共有32个热调MRR控制四个不同波长通道的64条路由路径。当MRR在特定波长处处于关断状态时，光信号直接传播到直通端口；相反传输到位于垂直交叉波导上的交叉口。

    该光开关具有四个波长通道，对于每个波长通道，信号由两个导通状态定向到目标输出端口。共36个控制电极和3个共用接地连接。

对所有64条路由路径的片上损耗和串扰进行评估，插损在2.3 ~ 8.6 dB之间，串扰在-35.3 ~ -59.7 dB之间。测试热光开关的上升时间和下降时间分别为47.58µs和0.33µs。

四个通态波长通道的光谱响应带宽分别为20 GHz、21 GHz、24 GHz和25 GHz,通道间距为3.2 nm，消光比为38.8 dB。10Gb/s数据通过SWSS从I4路由到O1,在固定BER为10-9时，SWSS产生的功率代价小于1.3 dB，链路中加入了EDFA。

 University of Cambridge提出一个改进的扩展4×4×8λ空间和波长选择光开关，波长通道通过基于微环的热调谐独立控制。具有4个输入和4个输出端口以及8个路由波长，总共允许128条光路由路径。采用改进的扩展Banyan架构来减少带内串扰。每个波长通道的通断状态通过热调谐MRR对来控制，每对MRR都能够进行差分推挽，光开关具有优异消光比，带宽和制造公差。在lMEC制造。MRR实现超过25 dB ER，超过50 GHz带宽和1.5 dB插损。该设计将MRR的高调谐效率和波长选择性与MZIs宽带和稳定性相结合，定位为高性能、多维交换网络的解决方案，大大简化控制电路和封装。

该开关共有192个MRR和12个移相器，全部由16位高分辨率DAC控制。所有端口IL约为10 dB，差异接近2 dB，串扰范围在−36 dB到−49.0 dB之间。

下图显示8个波长通道调谐到导通状态时该路径的透射光谱，ER均大于30 dB，所有通道的实测带宽均超过60 GHz。

3、偏振和波长选择性光开关：

传统硅光光开关只容纳单一偏振，且用于光互连的光子集成器件被设计在TE模式下工作，在偏振无关光纤系统中存在限制。传统一维光栅耦合器具有偏振依赖性，二维光栅耦合器可以将光纤任意偏振光转换为TE模式，二维光栅耦合器的挑战是实现高耦合效率和紧凑面积。    港科（广州）首次展示一种紧凑高效的二维光栅耦合器，采用193nm DUV光刻技术，衍射光栅是在硅和多晶硅（poly-Si）上浅蚀刻孔的双层结构，顶视图和截面视图如图所示。这种结构优化光栅强度，增强与单模光纤中的场分布重叠，采用遗传算法和二维时域有限差分模拟优化。160nm多晶硅在70nm蚀刻孔上，纳米孔直径为325 nm，多晶硅直径（dteeth）为300 nm，周期为536 nm。

采用imec提供的ISIPP50G平台制作双层二维光栅耦合器和抛物面SSC，面积仅为55 × 37µm2。对于x偏振，在1535 nm处实现-2.54 dB峰值耦合效率，带宽为23.4 nm。y偏振在1531 nm处的峰值耦合效率为-2.7 dB。抛物型SSC的插入损耗在1550 nm波长为0.3 dB，在1500-1600 nm波长范围内保持在0.4 dB以下。所提出的二维光栅耦合器在220 nm SOI平台上以180 nm的最小特征尺寸实现最佳的实验峰值耦合效率。

其展示一个基于硅光平台的偏振和波长选择开关（PWSS），成功从光纤中解复用8个通道，包括4个波长和两个正交偏振，进行不同光I/O的切换操作，实现完全可重构的超紧凑WDM系统。

    利用上述的高效且垂直耦合的二维光栅耦合器作为光纤和光芯片之间的光学I/O接口，具有较小的偏振相关损耗，将任意偏振光解耦为两个TE模式，利用MZl实现片上偏振控制。

    在级联双微环谐振器阵列中进行波长控制，双环MRR提供平顶通带，以应对制造和温度变化。在可调波长选择性开关之后，通过波导路由和交叉连接到两个光学接口，如图所示。架构创新在于扩展性，允许级联额外MRR而不增加交叉数量，显著降低电路复杂性，减少额外插损以及串扰。

 PWSS总共包含三个光学I/O，八个MRR，一个MZI。二维光栅耦合器在Ex和Ey下的耦合效率峰值为-2.54 dB。MRR自由光谱范围为18.7 nm,带宽约为1.3 nm。对于来自光纤的任何PDM和WDM信号，MZI可以通过调节加热器1和加热器2上的电压来实现偏振通道的解复用和切换。

通过对每个通道的MRR施加电压，每个波长通道可以在每个MRR阵列的两个输出之间独立切换，连接到端口1或端口2。当光从光纤输入时，每个通道的端口1和端口2的开关输出可以独立选择。下图显示8个不同通道的硅片光开关串扰矩阵，四个波长为1544.7 nm，1546.2nm,1547.8 nm和15549.3 nm，最大串扰保持在-16 dB以下。

4、基于PI-SOA光开关：

    Eindhoven展示基于SOA单片集成高密度8x8 PI开关，如图所示。主要特点是，缩小尺寸SOA阵列间距为60μm,实现偏振不敏感光开关。

    每个输入端口的信号通过1xN广播、选定光开关（MCS）和无源合并器到所有输出端口。1xN MCS由SOA前方、级联MMI分离器和SOA后放组成。为实现PI SOA基于一个对称Q1.25的非应变InGaAsP层，每条路径都包含一个PI SOA，可以传输或关闭光信号。

OA增益谱3dB带宽约为68 nm (峰值约为1540 nm)，可以覆盖整个c波段。其中交叉波导损耗0.25 dB，6个MMI每个损耗4dB，各种波导类型转换以及butt-joint每个损耗0.1~0.2dB。

    下图给出I1→O5和I6→O7路径在SOA电流为80 mA和不同输入功率下的增益和偏振相关增益（PDG）谱。当输入功率为3.5 dBm时，I1→O5路径提供25db增益和PDG < 1.8 dB，当输入功率为7.5 dBm时，增益饱和降至22.5 dB， PDG降至1.5 dB。

光开关的另一个重要的性能指标是开关比，整个c波段达到60dB，信噪比为47db。对于30 Gbps的传输，当SOA都在100mA时，在BER为10-9时功率代价小于0.2 dB。例如，对于10Gbps的传输，测量的损失可以忽略不计。

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