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)計自動化

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），實現(xiàn)了快速開關(guān)和低串?dāng)_性能[1]。
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設(shè)計概述
' o& W( z4 {% l提出的硅基單片WSS利用AWG進行波長解復(fù)用/復(fù)用，并使用BGF進行額外的波長濾波。圖1展示了這種WSS設(shè)計的示意圖。

圖1：提出的硅基單片WSS示意圖。輸入的波分復(fù)用信號經(jīng)過解復(fù)用后輸入BGF進行濾波。輸出AWG由1×2 MZI開關(guān)選擇。
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在這個設(shè)計中，輸入的波分復(fù)用（WDM）信號首先由輸入AWG解復(fù)用。每個解復(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。

陣列波導(dǎo)光柵設(shè)計
輸入AWG設(shè)計為盒狀形狀，如圖2所示。該AWG具有8個信道，信道間隔為100 GHz，自由光譜范圍（FSR）為947.3 GHz。
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* @1 d3 [% ^- R' Q2 f7 b1 r圖2：輸入AWG的掩模布局。A側(cè)有八個連接到平板波導(dǎo)的波導(dǎo)。其中一個波導(dǎo)是WSS的輸入。B側(cè)有十二個連接到平板波導(dǎo)的波導(dǎo)。八個波導(dǎo)連接到BGF，對應(yīng)Ch#1到Ch#8。一個波導(dǎo)是測試端口。
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為確保輸入和輸出AWG之間的正確對準，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
, p6 P/ B; O2 p/ [6 [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BGF單元串聯(lián)連接以增強濾波性能。

6 G4 y( R7 D% x: _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（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。
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BGF的中心波長可以使用集成的TiN加熱器進行調(diào)諧。圖6顯示了通過15 mA注入電流實現(xiàn)的22.3 nm波長移動，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。
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  R; B! \$ \0 r8 h; i2 D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）。

圖7：(a) 硅基單片WSS的整體布局。具有一個輸入和兩個輸出，8個信道，信道間隔為100 GHz。使用光斑尺寸轉(zhuǎn)換器進行光學(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。

+ P5 [7 k! ~- }1 i# R+ m7 p實驗結(jié)果
AWG和BGF性能
  ?5 p+ C3 G9 m% y2 I+ j$ m% u圖8顯示了使用測試端口測量的輸入AWG的傳輸譜。每個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)計不正確，觀察到明顯的二次和三次峰值。
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: F' s2 [+ D' d* N; c" L# M. A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。每個信道中心的平均峰值傳輸損耗為9.5 dB。

/ B; R% H' ]. j$ C9 z添加BGF顯著改善了器件的串?dāng)_性能。圖9比較了有無BGF濾波時的相鄰信道串?dāng)_。當(dāng)BGF調(diào)諧到相應(yīng)信道時，相鄰串?dāng)_從-5.6 dB降低到-23.1 dB。

1 W) C6 G: M! i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。

開關(guān)性能
由于其他信道的加熱器故障，開關(guān)實驗在三個信道（Ch#4、Ch#5和Ch#6）上進行。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。

每個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分布。
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開關(guān)速度
測量了WSS的開關(guān)速度，結(jié)果如圖11所示。上升和下降時間均為13μs，明顯快于常見的自由空間光學(xué)型WSS（約1 ms）。

, y! ^% K, Z. q! t9 @4 w5 ]圖11：硅基單片WSS的開關(guān)響應(yīng)。(a) 硅基單片WSS的上升時間。(b) 硅基單片WSS的下降時間。
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結(jié)論
本文介紹了結(jié)合AWG和BGF的硅基單片WSS，實現(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)_，以及上升和下降時間均為13μs的開關(guān)時間。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。
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參考文獻
[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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