硅基單片波長(zhǎng)選擇開關(guān)：利用陣列波導(dǎo)光柵和布拉格光柵濾波器

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
波長(zhǎng)選擇開關(guān)（WSS）是可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）中的關(guān)鍵組件，對(duì)于靈活高效的光網(wǎng)絡(luò)具有重要作用。本文介紹了新型硅基單片WSS，該器件結(jié)合了陣列波導(dǎo)光柵（AWG）和布拉格光柵濾波器（BGF），實(shí)現(xiàn)了快速開關(guān)和低串?dāng)_性能[1]。
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設(shè)計(jì)概述
提出的硅基單片WSS利用AWG進(jìn)行波長(zhǎng)解復(fù)用/復(fù)用，并使用BGF進(jìn)行額外的波長(zhǎng)濾波。圖1展示了這種WSS設(shè)計(jì)的示意圖。
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圖1：提出的硅基單片WSS示意圖。輸入的波分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)解復(fù)用后輸入BGF進(jìn)行濾波。輸出AWG由1×2 MZI開關(guān)選擇。
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在這個(gè)設(shè)計(jì)中，輸入的波分復(fù)用（WDM）信號(hào)首先由輸入AWG解復(fù)用。每個(gè)解復(fù)用的信道然后通過(guò)BGF，BGF作為帶通濾波器只傳輸所選信道的波長(zhǎng)并反射其他波長(zhǎng)。BGF的傳輸帶可以通過(guò)TiN加熱器調(diào)諧到每個(gè)信道的波長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)濾波后，1×2熱光馬赫-曾德爾干涉（MZI）開關(guān)將光信號(hào)導(dǎo)向輸出AWG1或AWG2。最后，輸出AWG將經(jīng)過(guò)開關(guān)的信道復(fù)用。
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' Y9 A8 @! r* @0 ?0 w/ Q& {! z陣列波導(dǎo)光柵設(shè)計(jì)
- \# Y( A) D1 B! ^5 c2 b: S% c( R輸入AWG設(shè)計(jì)為盒狀形狀，如圖2所示。該AWG具有8個(gè)信道，信道間隔為100 GHz，自由光譜范圍（FSR）為947.3 GHz。
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圖2：輸入AWG的掩模布局。A側(cè)有八個(gè)連接到平板波導(dǎo)的波導(dǎo)。其中一個(gè)波導(dǎo)是WSS的輸入。B側(cè)有十二個(gè)連接到平板波導(dǎo)的波導(dǎo)。八個(gè)波導(dǎo)連接到BGF，對(duì)應(yīng)Ch#1到Ch#8。一個(gè)波導(dǎo)是測(cè)試端口。
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; P0 r& q. D  s* l為確保輸入和輸出AWG之間的正確對(duì)準(zhǔn)，在陣列波導(dǎo)上集成了加熱器，用于熱控制中心波長(zhǎng)。圖3顯示了加熱器的排列，加熱器的數(shù)量與波導(dǎo)長(zhǎng)度相對(duì)于最短波導(dǎo)的差異成正比。

9 }1 @, z9 x2 y  c3 t4 O0 K) i圖3：AWG的中心波長(zhǎng)由波導(dǎo)陣列上的加熱器控制。波導(dǎo)上的加熱器數(shù)量與波導(dǎo)長(zhǎng)度相對(duì)于最短波導(dǎo)的差異成正比。單位加熱器尺寸為8×6μm，電阻為20.25Ω。

+ \  U0 J; r+ \5 _+ W" c; F; B1 w0 A布拉格光柵濾波器設(shè)計(jì)
, y# S) i" p8 F8 yBGF由具有不同寬度（WL和WH）的交替波導(dǎo)段組成，如圖4所示。兩個(gè)BGF單元串聯(lián)連接以增強(qiáng)濾波性能。
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圖4：BGF的示意圖，由一系列交替的具有兩種不同寬度WL和WH的波導(dǎo)組成。兩個(gè)BGF單元串聯(lián)連接。
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BGF的傳輸特性如圖5所示。該濾波器在1528.9 nm處有一個(gè)傳輸峰，阻帶為9.5 nm，3 dB帶寬為0.6 nm，適合WSS的100 GHz信道間隔。

圖5：BGF的傳輸特性。(a) 傳輸峰在1528.9 nm。將10 dB下降波長(zhǎng)（1524.0 nm和1533.5 nm）之間的間隔定義為阻帶，其為9.5 nm。(b) 中心波長(zhǎng)附近的放大視圖。3 dB帶寬為0.6 nm。該帶寬適合單片WSS的100 GHz（約0.8 nm）信道間隔。

( @- t2 ^% c7 wBGF的中心波長(zhǎng)可以使用集成的TiN加熱器進(jìn)行調(diào)諧。圖6顯示了通過(guò)15 mA注入電流實(shí)現(xiàn)的22.3 nm波長(zhǎng)移動(dòng)，為所有信道提供了足夠的調(diào)諧范圍。
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圖6：峰值傳輸波長(zhǎng)隨注入TiN加熱器電流的變化。在15 mA注入電流下觀察到22.3 nm的波長(zhǎng)移動(dòng)。
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制造的器件
圖7顯示了制造的硅基單片WSS的整體布局和照片。芯片尺寸為2.5 mm × 5.0 mm，包括用于高效光耦合的光斑尺寸轉(zhuǎn)換器（SSC）。
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( Q" G3 G: T/ z; ~+ [1 c! `圖7：(a) 硅基單片WSS的整體布局。具有一個(gè)輸入和兩個(gè)輸出，8個(gè)信道，信道間隔為100 GHz。使用光斑尺寸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光學(xué)輸入和輸出。(b) 硅基單片WSS的照片。芯片尺寸為2.5 mm × 5.0 mm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
AWG和BGF性能
- e/ A: E& T" m6 x: H0 `8 m4 u6 H- z圖8顯示了使用測(cè)試端口測(cè)量的輸入AWG的傳輸譜。每個(gè)信道中心的平均傳輸損耗為9.5 dB。然而，由于平板波導(dǎo)-波導(dǎo)陣列界面處的曲率設(shè)計(jì)不正確，觀察到明顯的二次和三次峰值。
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圖8：使用測(cè)試端口測(cè)量的8信道AWG傳輸譜。AWG的二次和三次峰值顯著干擾了鄰近信道。每個(gè)信道中心的平均峰值傳輸損耗為9.5 dB。
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添加BGF顯著改善了器件的串?dāng)_性能。圖9比較了有無(wú)BGF濾波時(shí)的相鄰信道串?dāng)_。當(dāng)BGF調(diào)諧到相應(yīng)信道時(shí)，相鄰串?dāng)_從-5.6 dB降低到-23.1 dB。

- A, N0 ?3 P7 q圖9：相鄰信道串?dāng)_的比較。(a) BGF的阻帶移至測(cè)量波長(zhǎng)范圍之外。(b) BGF的傳輸峰調(diào)諧到相應(yīng)信道。串?dāng)_降低到-23.1 dB。
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8 y% W$ L) n9 R. H  p開關(guān)性能
& V7 W6 F: L3 I+ [# k! }由于其他信道的加熱器故障，開關(guān)實(shí)驗(yàn)在三個(gè)信道（Ch#4、Ch#5和Ch#6）上進(jìn)行。圖10展示了兩種不同的開關(guān)狀態(tài)，顯示了來(lái)自AWG1和AWG2的輸出譜。
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* G9 s- a. H8 Z% |6 `圖10：不同開關(guān)設(shè)置下的傳輸率。藍(lán)線表示從輸出AWG1測(cè)量的傳輸譜，橙線表示從輸出AWG2測(cè)量的傳輸譜。(a) Ch#4 → 輸出AWG2，Ch#5 → 輸出AWG2，Ch#6 → 輸出AWG1 (b) Ch#4 → 輸出AWG1，Ch#5 → 輸出AWG2，Ch#6 → 輸出AWG2。
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! k( I* s: O6 i每個(gè)信道中心的平均損耗為20.7 dB，平均串?dāng)_為-13.9 dB。原文中的表II列出了器件中損耗的詳細(xì)分布。

開關(guān)速度
測(cè)量了WSS的開關(guān)速度，結(jié)果如圖11所示。上升和下降時(shí)間均為13μs，明顯快于常見的自由空間光學(xué)型WSS（約1 ms）。
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( F" G7 N# `8 e' r圖11：硅基單片WSS的開關(guān)響應(yīng)。(a) 硅基單片WSS的上升時(shí)間。(b) 硅基單片WSS的下降時(shí)間。

結(jié)論
本文介紹了結(jié)合AWG和BGF的硅基單片WSS，實(shí)現(xiàn)了快速開關(guān)和低串?dāng)_。添加BGF將相鄰串?dāng)_從-5.6 dB降低到-23.1 dB。制造的器件展示了20.5 dB的平均總損耗，-13.9 dB的平均串?dāng)_，以及上升和下降時(shí)間均為13μs的開關(guān)時(shí)間。這些結(jié)果表明硅基單片WSS在下一代光網(wǎng)絡(luò)中具有應(yīng)用潛力，為波長(zhǎng)路由和管理提供了緊湊高效的解決方案。

1 r; X- H) ?7 R; \$ L7 J參考文獻(xiàn)
[1] Y. Moriya, Y. Yagi, Y. Mizoguchi, and H. Tsuda, "Silicon monolithic wavelength selective switch utilizing arrayed waveguide gratings and Bragg grating filters," IEICE Electronics Express, vol. 21, no. 10, pp. 1–5, May 2024.
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