硅基單片波長選擇開關(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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) ?/ i7 V2 O: M設(shè)計(jì)概述
. Y" }% ^0 U. V4 a提出的硅基單片WSS利用AWG進(jìn)行波長解復(fù)用/復(fù)用，并使用BGF進(jìn)行額外的波長濾波。圖1展示了這種WSS設(shè)計(jì)的示意圖。

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。

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BGF，BGF作為帶通濾波器只傳輸所選信道的波長并反射其他波長。BGF的傳輸帶可以通過TiN加熱器調(diào)諧到每個(gè)信道的波長。經(jīng)過濾波后，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)過開關(guān)的信道復(fù)用。
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  K/ s0 J" ~0 ^+ M' X6 Q/ g陣列波導(dǎo)光柵設(shè)計(jì)
2 P+ a* ^) b* u; Y+ \* \; k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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; E2 i5 P0 C$ F$ `  V6 Z- M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)是測試端口。
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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。圖3顯示了加熱器的排列，加熱器的數(shù)量與波導(dǎo)長度相對(duì)于最短波導(dǎo)的差異成正比。
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圖3：AWG的中心波長由波導(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。

布拉格光柵濾波器設(shè)計(jì)
1 t3 s/ `4 k7 X4 a! j8 ^BGF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。

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。
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圖5：BGF的傳輸特性。(a) 傳輸峰在1528.9 nm。將10 dB下降波長（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。

  \! Y: e+ X$ `2 lBGF的中心波長可以使用集成的TiN加熱器進(jìn)行調(diào)諧。圖6顯示了通過15 mA注入電流實(shí)現(xiàn)的22.3 nm波長移動(dòng)，為所有信道提供了足夠的調(diào)諧范圍。
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9 e# W; f6 k0 ~( t8 `圖6：峰值傳輸波長隨注入TiN加熱器電流的變化。在15 mA注入電流下觀察到22.3 nm的波長移動(dòng)。
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制造的器件
  H/ o( ~+ T# b/ [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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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。

! n" I2 ?5 y4 L+ Q! T7 e$ a) z實(shí)驗(yàn)結(jié)果
: U  g8 |/ F4 wAWG和BGF性能
+ e! k& z1 c" l: ~( m8 ~9 w. x圖8顯示了使用測試端口測量的輸入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。

圖8：使用測試端口測量的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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, M7 W3 ]) g# A. d$ O* r添加BGF顯著改善了器件的串?dāng)_性能。圖9比較了有無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。
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圖9：相鄰信道串?dāng)_的比較。(a) BGF的阻帶移至測量波長范圍之外。(b) BGF的傳輸峰調(diào)諧到相應(yīng)信道。串?dāng)_降低到-23.1 dB。

4 o+ P3 L, ~+ n! r" ]! c' x8 l開關(guān)性能
/ O6 R  x5 T7 d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)，顯示了來自AWG1和AWG2的輸出譜。
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圖10：不同開關(guān)設(shè)置下的傳輸率。藍(lán)線表示從輸出AWG1測量的傳輸譜，橙線表示從輸出AWG2測量的傳輸譜。(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。

) f# c! Y9 ?6 U4 S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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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。

% {* l& q5 A  A6 o* \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，為波長路由和管理提供了緊湊高效的解決方案。

參考文獻(xiàn)
- d2 ?( R* k5 |# C  G7 D[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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