一种双MZ结构的低串扰光开关及光开关阵列

技术领域

本发明属于集成光电子器件技术领域，具体涉及一种基于片上硅基光电子学的双MZ结构的低串扰光开关及光开关阵列。

背景技术

随着信息时代的高速深化，人类对互联网服务需求的不断增加。光通信技术的发展是提高互联网通信能力的关键因素，近年来，光互连技术向着短距离应用方向发展。人们类比集成电路，提出了光子集成线路的概念，它顾名思义就是在同一个基片上集成不同的光学器件。硅是理想的实现集成光路的材料，使用硅基光子器件构成的光开关阵列是大规模光交换芯片的核心单元。

由于3dB定向耦合器的波长依赖性，使用它构成的马赫泽德(MZ)型光开关有低串扰工作带宽过小的问题。因此，人们使用宽带耦合器(例如多模干涉(MMI)耦合器、绝热耦合器或波长无关耦合器)替换定向耦合器。然而，MMI耦合器的插入损耗太高，绝热耦合器的尺寸较大(亚毫米长度)，波长无关耦合器的制造公差太高(<0.1nm)，这些耦合器都不适合于高端口数的光开关阵列。

光开关阵列的拓扑结构最好是严格无阻塞的，以实现灵活的操作。严格非阻塞意味着任何输入端口都可以与任何输出端口任意连接，并且未使用的输入端口始终可以连接到未使用的输出端口，而无需重新安排现有连接。多层结构是硅基集成光电子学的优势所在，使用多层结构能够大大提高芯片的集成度。

发明内容

为了解决背景技术中提到的问题，本发明提出了一种双MZ结构的低串扰光开关及光开关阵列。

本发明基于硅基集成光电子学，具有高集成度、与CMOS工艺兼容性好、能够大规模生产的特点，因而具有重要的实用价值。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种双MZ结构的低串扰光开关：

如附图1(a)所示，一种单层双MZ结构的低串扰光开关，其特征在于：由第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)、第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)、第一输出波导(51)、第二输出波导(52)和波导交叉单元(31)组成；第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)由第一功分器(21)、第一相移波导(22)、第二相移波导(23)、第二功分器(24)构成，第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)由第三功分器(41)、第三相移波导(42)、第四相移波导(43)、第四功分器(44)构成；第一功分器(21)、第二功分器(24)、第三功分器(41)、第四功分器(44)为直波导3dB定向耦合器，实现50/50功率分配的功能，分别由第一功分器上直波导(211)和第一功分器下直波导(212)、第二功分器上直波导(241)和第二功分器下直波导(242)、第三功分器上直波导(411)和第三功分器下直波导(412)、第四功分器上直波导(441)和第四功分器下直波导(442)组成；第一功分器(21)的上、下直波导分别经过第一相移波导(22)和第二相移波导(23)与第二功分器(24)的上、下直波导相连，第三功分器(41)的上、下直波导分别经过第三相移波导(42)和第四相移波导(43)与第四功分器(44)的上、下直波导相连。

第一功分器下直波导(212)连接第二输入波导(12)，作为整个低串扰光开关的第二输入端，第四功分器下直波导(442)连接第二输出波导(52)，作为整个低串扰光开关的第二输出端；第二功分器上直波导(241)连接第一输出波导(51)，作为整个低串扰光开关的第一输出端；第三功分器上直波导(411)连接第一输入波导(11)，作为整个低串扰光开关的第一输入端。第二功分器上直波导(241)到第一输出波导(51)和第三功分器上直波导(411)到第一输入波导(11)间的两条波导由波导交叉单元(31)进行交叉，第二功分器下直波导(242)与第三功分器下直波导(412)间直接连接；第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)、第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)、第一输出波导(51)、第二输出波导(52)和波导交叉单元(31)均位于同一层。

如附图1(b)所示，一种双层双MZ结构的低串扰光开关，其特征在于：由第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)、第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)、第一输出波导(51)、第二输出波导(52)、波导交叉单元(31)和层间耦合器(32)组成；第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)由第一功分器(21)、第一相移波导(22)、第二相移波导(23)、第二功分器(24)构成，第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)由第三功分器(41)、第三相移波导(42)、第四相移波导(43)、第四功分器(44)构成；第一功分器(21)、第二功分器(24)、第三功分器(41)、第四功分器(44)为直波导3dB定向耦合器，实现50/50功率分配的功能，分别由第一功分器上直波导(211)和第一功分器下直波导(212)、第二功分器上直波导(241)和第二功分器下直波导(242)、第三功分器上直波导(411)和第三功分器下直波导(412)、第四功分器上直波导(441)和第四功分器下直波导(442)组成；第一功分器(21)的上、下直波导分别经过第一相移波导(22)和第二相移波导(23)与第二功分器(24)的上、下直波导相连，第三功分器(41)的上、下直波导分别经过第三相移波导(42)和第四相移波导(43)与第四功分器(44)的上、下直波导相连。

第一功分器下直波导(212)连接第二输入波导(12)，作为整个低串扰光开关的第二输入端，第四功分器下直波导(442)连接第二输出波导(52)，作为整个低串扰光开关的第二输出端；第二功分器上直波导(241)连接第一输出波导(51)，作为整个低串扰光开关的第一输出端；第三功分器上直波导(411)连接第一输入波导(11)，作为整个低串扰光开关的第一输入端；第二功分器上直波导(241)到第一输出波导(51)和第三功分器上直波导(411)到第一输入波导(11)间的两条波导由波导交叉单元(31)进行交叉，第二功分器下直波导(242)与第三功分器下直波导(412)间通过层间耦合器(32)连接；第二输入波导(12)、第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)、第一输出波导(51)位于同一层，第一输入波导(11)、第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)、第二输出波导(52)位于另一层。

在第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)中，当不施加相位调制时，第一相移波导(22)和第二相移波导(23)之间的相位差为0，两相移波导的模传播常数相同，从第一功分器(21)下直波导(212)的输入端输入的光将全部传输到第二功分器(24)上直波导(241)的输出端，呈现交叉状态；当施加相位调制时，使第一相移波导(22)和第二相移波导(23)之间的相位差为π时，从第一功分器(21)下直波导(212)的输入端输入的光将全部传输到第二功分器(24)下直波导(242)的输出端，呈现直通状态。第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)与第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)的工作过程相类似。

因此，对于上述单层和双层双MZ结构的低串扰光开关，当在第一相移波导(22)、第二相移波导(23)、第三相移波导(42)和第四相移波导(43)上不施加任何调制时，第一相移波导(22)和第二相移波导(23)之间的相位差为0，第三相移波导(42)和第二相移波导(43)之间的相位差也为0，从第二输入波导(12)端输入的光信号将从第一输出波导(51)端输出，从第一输入波导(11)端输入的光信号将从第二输出波导(52)端输出，这种状态定义为低串扰光开关的交叉工作状态；当对第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)和第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)同时施加调制时，第一相移波导(22)和第二相移波导(23)之间的相位差为π，第三相移波导(42)和第四相移波导(43)之间的相位差也为π，从第二输入波导(12)端输入的光信号将从第二输出波导(52)端输出，这种状态定义为低串扰光开关的直通工作状态。

由于定向耦合器的强波长相关性，一般的基于定向耦合器的MZ光开关在直通工作状态时，串扰随波长分布较为平均；但交叉状态时，串扰从中心波长向两边劣化严重。这是干扰光开关性能的重要原因。在本发明涉及的双MZ型低串扰光开关中，由于来自第一级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(2)的干扰被第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)(4)阻挡，在交叉工作状态下，由于随着光波长的变化，功分器功率分配不均，MZ结构平衡性破坏而泄漏到另一输出端上的光功率大大减少。因此，低串扰光开关的预期消光比和串扰可以达到常规单MZI光开关单元的两倍，从而扩宽了工作带宽。

二、一种N×N单层双MZ结构的低串扰光开关阵列：

所述的N×N单层双MZ结构的低串扰光开关阵列由N

所述的双MZ结构的低串扰光开关是一种“不完整”的2×2光开关，直通工作状态时它的第一输入波导(11)端和第一输出波导(51)端之间并不导通；因此可以使用如附图2(a)所示的等效电路来表示一个光开关单元。

如图2(b)所示，使用发明中所述的单层双MZ结构的低串扰光开关，通过光波导和波导交叉单元连接，可以按照图示的规律，将双MZ结构的低串扰光开关以正向和倒置的方向交替排列，构成PILOSS型光开关阵列。光开关中直通状态下从第一输入波导(11)端到第一输出波导(51)端的路径无法导通，通过排列可以使得光开关阵列中的信号不经过该路径。在该光开关阵列中，第一级和第N级光开关的第二输入波导(12)和第二输出波导(52)分别作为输入端0、输入端1……输入端N及输出端0’、输出端1’……输出端N’。这是一种严格无阻塞结构，仅需将对应编号的光开关从交叉工作状态切换到直通工作状态，即可构成从任意输入口到任意输出口的通路，而无需重新安排现有连接。比如，仅需在S00’光开关上施加相位调制，使其工作在直通状态，即可使光信号构成从输入口0到输出口0’之间的通路。

三、一种M×N×N多层光开关阵列：

所述的M×N×N多层光开关阵列由单层和双层结构的双MZ低串扰光开关构成，需要的光开关个数为(M×N

如附图3所示，所述的M×N×N多层光开关阵列由输入级、单层交换级和输出级组成。输入级和输出级各由N个M×M层间交换单元构成，单层交换级由M个N×N单层双MZ结构的低串扰光开关阵列构成，输入级和输出级的层间交换单元分别连接到单层交换级的相应端口上。该种多层光开关阵列同样也是无阻塞网络。

所述的M×M层间交换单元由单层和双层结构的双MZ低串扰光开关交替组成，是一种严格无阻塞的PILOSS阵列。其中，如附图4(a)所示是2×2层间交换单元的示意图。它由两个双层结构光开关和两个单层结构光开关组合而成。与单层阵列相似，双MZ结构的低串扰光开关以正向和倒置的方向交替排列，第一级是两个双层双MZ结构的低串扰光开关，它们的第二输出波导(12)分别位于不同的层中，作为输入端0和输入端1。第二级是两个分别位于不同层中的单层双MZ结构的低串扰光开关，它们的第二输出波导(12)分别作为输出端0’和输出端1’。如图4(b)所示，两层结构可以叠加放置以降低面积。向对应编号的双MZ结构的低串扰光开关施加相位调制，使其从交叉工作状态切换到直通工作状态，即可分别构成光信号从任意输入端口到任意输出端口的通路，实现层间信号切换的功能。按照相似的规律可以组成端口数更大的多层间交换单元。

本发明使用的光波导均为单模、单偏振的硅基光波导结构。

本发明的有益效果是：本发明抑制了光开关单元器件的串扰，与现有方案相比大大地扩宽了使用3dB定向耦合器的马赫泽德(MZ)型光开关的工作带宽，改善了器件性能。本发明采用的双MZ光开关结构可以构成严格无阻塞的单层双MZ结构的低串扰光开关阵列，实现了十分灵活的端口切换。本发明可以构成多层结构光开关阵列，节约了面积，提高了器件的集成度。本发明基于标准的硅基平面集成光波导制作工艺，生产成本低，性能优越。

附图说明

图1是本发明的双MZ结构的低串扰光开关结构示意图，其中图1(a)是用作单层双MZ结构的低串扰光开关，图1(b)是用作双层双MZ结构的低串扰光开关。

图2是本发明的N×N单层双MZ结构的低串扰光开关阵列的示意图。

图3是本发明的M×N×N多层光开关阵列示意图。

图4是本发明具体实施方式中使用的2×2层间交换单元的示意图。其中，图4(a)是2×2层间交换单元的结构图，图4(b)是2×2层间交换单元的3D模型图。

图5是本发明具体实施例中器件的具体参数示意图，其中图5(a)是基于pin二极管的电光相位调制器的结构示意图，图5(b)是用于单层双MZ结构的低串扰光开关的层间交叉单元的结构示意图，图5(c)是层间耦合器的结构示意图。

图6是本发明具体实施方式中双MZ结构光开关与普通的马赫泽德(MZ)型光开关的仿真传输谱线对比图，其中图6(a)是双MZ结构光开关的仿真结果，图6(b)是使用相同元件构成的马赫泽德(MZ)型光开关的仿真结果。

图7是本发明具体实施方式中2×2层间交换单元的仿真传输谱线图。

图1中，11为第一输入波导，12为第二输入波导，2为第一级2×2马赫泽德干涉仪，21为第一功分器，22为第一相移波导，23为第二相移波导，24为第二功分器，31为波导交叉单元，32为层间耦合器，4为第二级2×2马赫泽德干涉仪(MZI)，41为第三功分器，42为第三相移波导，43为第四相移波导，44为第四功分器，51为第一输出波导，52为第二输出波导。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施例如下：

选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导：其芯层材料为硅，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料为SiO

对于图1(a)所示的单层双MZ结构的低串扰光开关，第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第二输出波导(52)、第一输出波导(51)以及各个元件的光波导连接线均使用上述矩形波导的结构和尺寸。第一功分器(21)、第二功分器(24)、第三功分器(41)、第四功分器(44)为直波导3dB定向耦合器，其具体尺寸均使用上述矩形波导的结构和尺寸，波导间距为200nm，耦合长度为18.75μm，以达到50/50的输出功率比。

第一相移波导(22)、第二相移波导(23)、第三相移波导(42)、第四相移波导(43)所涉及的相位调制结构均使用基于pin二极管的电光相位调制器，调制器的长度为200μm，调制器区域的脊形波导和上述矩形波导之间使用宽度渐变结构进行连接。脊形波导区域的底部平板宽度为5μm、高为70nm，通过5μm长的三角形结构与没有底部平板的矩形波导区域相连。如图5(a)所示，基于pin二极管的电光相位调制器由P掺杂区、N掺杂区和本征硅区的脊形波导区构成(在P掺杂区和N掺杂区间施加电压后，P型和N型载流子注入到波导区，从而改变光折射率，完成光相位的调制)，P掺杂浓度为2×10

对于图1(b)所示的双层双MZ结构的低串扰光开关，第一输入波导(11)、第一功分器(21)、第一相移波导(22)、第二相移波导(23)、第二功分器(24)、第二输入波导(12)、第二输出波导(52)、第三功分器(41)、第三相移波导(42)、第四相移波导(43)、第四功分器(44)、第一输出波导(51)所使用的具体结构与上述单层双MZ结构的低串扰光开关的结构相同。两层间距D＝150nm，如图5(c)所示，层间耦合器(32)采用宽度渐变波导耦合结构，尺寸为：W

本发明与常见的CMOS半导体工艺相兼容，可以工业流水线上制备完成。我们通过时域有限传输算法(FDTD)对上述光开关结构进行了验证仿真。将仿真得到的上述双MZ结构光开关与使用相同元件构成的马赫泽德(MZ)型光开关(Design and Fabrication of Low-Insertion-Loss and Low-Crosstalk Broadband 2×2Mach-Zehnder Silicon PhotonicSwitches，Journal of Lightwave Technology，Vol.33，No.17，2015)的传输谱线进行对比，如图6所示。其中图6(a)是具体实施方式中描述的双MZ结构光开关的仿真结果(单层双MZ结构的低串扰光开关与双层双MZ结构的低串扰光开关的仿真结果差距很小)，图6(b)是使用相同元件构成的马赫泽德(MZ)型光开关的仿真结果。可以看出，马赫泽德(MZ)型光开关串扰低于-20dB的工作带宽为28nm，与之相比，双MZ结构光开关的工作带宽达到了100nm以上。

使用上述单层双MZ结构的低串扰光开关和双层双MZ结构的低串扰光开关构成2×N×N的二层光开关阵列。具体构成方式如图3所示。由N个2×2层间交换单元分别构成输入级和输出级，由2个N×N单层双MZ结构的低串扰光开关阵列构成单层交换级，输入级和输出级的层间交换单元分别连接到单层交换级的相应端口上，从而实现严格无阻塞的二层光开关阵列。

其中，N×N单层双MZ结构的低串扰光开关阵列的构成方法如图2所示。将双MZ光开关以正向和倒置的方向交替排列，构成PILOSS型光开关阵列。光开关中直通状态下从第一输入波导(11)端到第一输出波导(51)端的路径无法导通，通过排列可以使得光开关阵列中的信号不经过该路径。在光开关阵列中，第一级和最后一级光开关的第二输入波导(12)和第二输出波导(52)分别作为输入端0、输入端1……输入端N及输出端0’、输出端1’……输出端N’。

2×2层间交换单元的构成方法如图4所示。它由两个双层结构光开关和两个单层结构光开关组合而成。与单层双MZ结构的低串扰光开关阵列相似，双MZ光开关以正向和倒置的方向交替排列，第一级是两个双层双MZ结构的低串扰光开关，它们的第二输出波导(12)分别位于不同的层中，作为整个层间交换单元的输入端0和输入端1。第二级是两个分别位于不同层中的单层双MZ结构的低串扰光开关，它们的第二输出波导(12)分别作为整个层间交换单元的输出端0’和输出端1’。如图4(b)所示，两层结构可以叠加放置以降低面积。它基于PILOSS拓扑结构，使用时域有限传输算法(FDTD)对其进行模拟仿真，得到的传输谱线如图7所示。可以看出，本具体实施例中2×2层间交换单元在1550nm波长下的损耗为-1.77dB，工作带宽达到100nm以上。光开关阵列的损耗主要来自于pin调制臂载流子注入造成的损耗，每条通路均需要经过3个加调制的光开关，由此可以预计，整个光开关阵列的片上插入损耗在-6dB～-5dB左右。

实施例中所述的多层光开关方案是可重排无阻塞阵列，其中，2×2层间交换单元与N×N单层双MZ结构的低串扰光开关阵列内部分别是严格无阻塞结构。它的控制方式较为简便，此外，它的每一条通路经过的光开关个数相同，均为N+4个；需要施加调制的光开关个数也相同，均为3个。因此，它具有较好的平衡性。

我们计算了实施例所述方案的多层光开关阵列的单元个数和端口数的关系，并与常见的PILOSS网络做了对比。当输入/输出端口个数为n时，实施例所述双层双MZ结构的低串扰光开关阵列所需的光开关个数为(n

本发明所述的光开关阵列可扩展性良好：可以向更多层数、更大端口的方向扩展。而在层数和端口更多的情况下，多层光开关阵列集成度高、总体面积小的优势会更加显著。故而，具体实施方式中涉及的多层光开关阵列同时具有较好的性能、较强的创新性和实用价值。