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]。


3 J  j/ H4 q& p1 v  c- N  |設(shè)計概述
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)計的示意圖。
3 Y; q; K/ q7 j8 c& {% @
# v+ t' x, @9 G# e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(jìn)行濾波。輸出AWG由1×2 MZI開關(guān)選擇。
  G' V$ M6 f- c8 U: l
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。
- r1 X! D/ T" r7 a
陣列波導(dǎo)光柵設(shè)計
/ j2 D# p# V' a3 x& X6 f& l1 s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。

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。

為確保輸入和輸出AWG之間的正確對準(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)長度相對于最短波導(dǎo)的差異成正比。
& B. S- j* \/ G; H1 }$ X2 Z
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。

7 W5 o3 M! d1 Y6 Q0 p# M0 ]3 T布拉格光柵濾波器設(shè)計
7 h3 L1 ~5 d7 m/ JBGF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。
0 z7 I- l' o) e7 w# q# ?; |) E
- R6 R3 c: F3 }' }0 M4 D% ]! F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。

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。

3 z9 g; s* Z" F, rBGF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。
- K2 @8 j3 e6 O. `( W4 p
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。

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(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。

實驗結(jié)果
. l0 Y/ k$ }$ ]5 G7 i3 xAWG和BGF性能
& E0 c7 j8 u, K' b! J+ p% i4 ]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。

8 |3 ]) N4 w4 d* ^/ g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。
# U/ D8 E/ U! s4 w0 b* j& N
# F( ^, A* j) y5 \5 h5 q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。
. k3 Q4 t0 J& `2 v/ ^% B
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。

* s* H6 t2 r$ L* A2 ]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(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。

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。
7 ]* `$ A' R2 @3 E) F
; _) Z' A9 i: T4 r4 Z/ j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(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。上升和下降時間均為13μs，明顯快于常見的自由空間光學(xué)型WSS（約1 ms）。
" L- l8 ^0 Z- p7 K9 @$ \/ v
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。
7 T" k6 C/ D3 x) R* }. t7 J
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。
: J. Q' G( d( h6 L
# S# \7 I" L4 H6 e  N4 m9 G% y0 B參考文獻(xiàn)
# T+ ^% k% g) y/ o: A" N[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.
* O' q& c0 d2 b/ h2 g
# H+ k6 F9 C& U- Y5 w2 b0 y' @END

  {! O( v! l9 m' Z% A
& i6 w- t! ~; X2 N軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
/ @, c/ p- |. t
歡迎轉(zhuǎn)載
8 |- f( M( t: n2 T5 ~; o
' z* G: s% r8 j4 q4 E* f轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
- L7 G! g$ N' b# G; X* @
0 X6 r+ ~/ b8 Q* J1 N



關(guān)注我們

! n; i- ~4 g* }4 M" V3 u0 t

* I" E9 Y+ f4 \5 X6 F; E 3 s; q1 M& i- ~8 B) ?+ V

5 x  W% z. K2 u  x) ?

                     

% X4 x5 S4 k& \

! O, H' P9 O  W! s, Y5 m. F5 l關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
' y; b; C( S! ^) s9 G' Q/ g
$ _6 \$ k9 H7 p! P  d$ ahttp://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）