硅基单片波长选择开关：利用阵列波导光栅和布拉格光栅滤波器

逍遥设计自动化

引言
2 |. _; l# J* l- a波长选择开关（WSS）是可重构光分插复用器（ROADM）中的关键组件，对于灵活高效的光网络具有重要作用。本文介绍了新型硅基单片WSS，该器件结合了阵列波导光栅（AWG）和布拉格光栅滤波器（BGF），实现了快速开关和低串扰性能[1]。
+ a) B( \6 Z- U( }2 D

ur42w0q5zi5640135471608.png

/ b% V% n" d& z% ?$ f; c
设计概述
提出的硅基单片WSS利用AWG进行波长解复用/复用，并使用BGF进行额外的波长滤波。图1展示了这种WSS设计的示意图。
* s; f2 L' [, J, m/ ^0 y

taged5rzkwi640135471709.png

图1：提出的硅基单片WSS示意图。输入的波分复用信号经过解复用后输入BGF进行滤波。输出AWG由1×2 MZI开关选择。

8 Z" y4 @. A+ _" h在这个设计中，输入的波分复用（WDM）信号首先由输入AWG解复用。每个解复用的信道然后通过BGF，BGF作为带通滤波器只传输所选信道的波长并反射其他波长。BGF的传输带可以通过TiN加热器调谐到每个信道的波长。经过滤波后，1×2热光马赫-曾德尔干涉（MZI）开关将光信号导向输出AWG1或AWG2。最后，输出AWG将经过开关的信道复用。

+ G- h& L+ J& l( t% S阵列波导光栅设计
输入AWG设计为盒状形状，如图2所示。该AWG具有8个信道，信道间隔为100 GHz，自由光谱范围（FSR）为947.3 GHz。

rgwu1tdkd3d640135471809.png

  D, r0 u# U  u  J5 F+ f& m0 j5 {! P图2：输入AWG的掩模布局。A侧有八个连接到平板波导的波导。其中一个波导是WSS的输入。B侧有十二个连接到平板波导的波导。八个波导连接到BGF，对应Ch#1到Ch#8。一个波导是测试端口。

为确保输入和输出AWG之间的正确对准，在阵列波导上集成了加热器，用于热控制中心波长。图3显示了加热器的排列，加热器的数量与波导长度相对于最短波导的差异成正比。

uv02hgpnmzu640135471910.png

* v7 i' Q! [3 D- D. z) K图3：AWG的中心波长由波导阵列上的加热器控制。波导上的加热器数量与波导长度相对于最短波导的差异成正比。单位加热器尺寸为8×6μm，电阻为20.25Ω。

; C% w( d' \4 n& L+ X& c; p3 ~布拉格光栅滤波器设计
0 a! D, n& v! P- z0 Q1 _3 I" d8 aBGF由具有不同宽度（WL和WH）的交替波导段组成，如图4所示。两个BGF单元串联连接以增强滤波性能。
( D9 n/ n% C8 W  [0 V

3b3pfsri3wh640135472010.png

图4：BGF的示意图，由一系列交替的具有两种不同宽度WL和WH的波导组成。两个BGF单元串联连接。
- L* O7 H* w% h3 _) B
BGF的传输特性如图5所示。该滤波器在1528.9 nm处有一个传输峰，阻带为9.5 nm，3 dB带宽为0.6 nm，适合WSS的100 GHz信道间隔。

jpikogy0ypd640135472110.png

5 C3 Z. q  _- f" ]  _& E0 r图5：BGF的传输特性。(a) 传输峰在1528.9 nm。将10 dB下降波长（1524.0 nm和1533.5 nm）之间的间隔定义为阻带，其为9.5 nm。(b) 中心波长附近的放大视图。3 dB带宽为0.6 nm。该带宽适合单片WSS的100 GHz（约0.8 nm）信道间隔。

BGF的中心波长可以使用集成的TiN加热器进行调谐。图6显示了通过15 mA注入电流实现的22.3 nm波长移动，为所有信道提供了足够的调谐范围。
9 b+ z0 f+ R4 S* x% r$ ~7 M

uugeiol5bsp640135472210.png

9 V4 Q  s# P; j% x( z; Z0 [+ `图6：峰值传输波长随注入TiN加热器电流的变化。在15 mA注入电流下观察到22.3 nm的波长移动。

制造的器件
图7显示了制造的硅基单片WSS的整体布局和照片。芯片尺寸为2.5 mm × 5.0 mm，包括用于高效光耦合的光斑尺寸转换器（SSC）。
9 x4 V3 s+ G* P9 C% r. s2 G( |

yxwg1osz1b2640135472311.png

- U8 ^1 B3 \# D图7：(a) 硅基单片WSS的整体布局。具有一个输入和两个输出，8个信道，信道间隔为100 GHz。使用光斑尺寸转换器进行光学输入和输出。(b) 硅基单片WSS的照片。芯片尺寸为2.5 mm × 5.0 mm。
4 Z4 ?5 ?9 _! o# x5 P5 m! Y
6 I1 y/ H% ~* g) `+ o# I$ u实验结果
AWG和BGF性能
4 U: |3 G5 O; l图8显示了使用测试端口测量的输入AWG的传输谱。每个信道中心的平均传输损耗为9.5 dB。然而，由于平板波导-波导阵列界面处的曲率设计不正确，观察到明显的二次和三次峰值。
0 e, z" P( k. f% i8 ]* \

14esxfmmwu1640135472411.png

图8：使用测试端口测量的8信道AWG传输谱。AWG的二次和三次峰值显著干扰了邻近信道。每个信道中心的平均峰值传输损耗为9.5 dB。
) g0 o/ l% z7 d% X! ~
添加BGF显著改善了器件的串扰性能。图9比较了有无BGF滤波时的相邻信道串扰。当BGF调谐到相应信道时，相邻串扰从-5.6 dB降低到-23.1 dB。

frb150mku2x640135472511.png

# J1 Q+ Z: C. n* p. G图9：相邻信道串扰的比较。(a) BGF的阻带移至测量波长范围之外。(b) BGF的传输峰调谐到相应信道。串扰降低到-23.1 dB。

开关性能
) t9 \& M; H4 S  ^$ [由于其他信道的加热器故障，开关实验在三个信道（Ch#4、Ch#5和Ch#6）上进行。图10展示了两种不同的开关状态，显示了来自AWG1和AWG2的输出谱。

4xsrkmgc4c0640135472611.png

3 b8 P/ v: D0 J7 |& X$ ^图10：不同开关设置下的传输率。蓝线表示从输出AWG1测量的传输谱，橙线表示从输出AWG2测量的传输谱。(a) Ch#4 → 输出AWG2，Ch#5 → 输出AWG2，Ch#6 → 输出AWG1 (b) Ch#4 → 输出AWG1，Ch#5 → 输出AWG2，Ch#6 → 输出AWG2。
9 W/ t, M" H( q$ _
2 O, \" T7 h+ j  Y) L每个信道中心的平均损耗为20.7 dB，平均串扰为-13.9 dB。原文中的表II列出了器件中损耗的详细分布。

8 d6 s' ^6 C5 Q7 J, v开关速度
. i4 {) S- |- X! X测量了WSS的开关速度，结果如图11所示。上升和下降时间均为13μs，明显快于常见的自由空间光学型WSS（约1 ms）。
: B1 N2 m4 V* y( y6 Y

gbaxa0sifrh640135472711.png

$ N0 Y1 H# r- c2 U- u' \0 X$ S图11：硅基单片WSS的开关响应。(a) 硅基单片WSS的上升时间。(b) 硅基单片WSS的下降时间。

结论
本文介绍了结合AWG和BGF的硅基单片WSS，实现了快速开关和低串扰。添加BGF将相邻串扰从-5.6 dB降低到-23.1 dB。制造的器件展示了20.5 dB的平均总损耗，-13.9 dB的平均串扰，以及上升和下降时间均为13μs的开关时间。这些结果表明硅基单片WSS在下一代光网络中具有应用潜力，为波长路由和管理提供了紧凑高效的解决方案。

6 t. ?! i8 v8 s( o, s$ Z: F" U参考文献
[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.
8 p+ H6 Y8 J- ~
& Z$ u, D3 p0 s7 lEND
- a, w6 m& d: `; |0 ]
& o6 a$ N/ ^& U
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
  T" X( h$ j  t4 k' n9 }
  K, T2 w8 s. Y6 e欢迎转载

转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

3 p1 k6 U+ }3 F5 t& k
& |( S% E" G) p( C  ^

ekn2u3u0xcx640135472811.gif

) `" \, L/ }/ i) j关注我们

# w7 H& O' }! T6 `- A4 R( R+ R

% N0 W! q- U* B2 E6 A 0v2yitejibj640135472911.png ) `% \4 b8 z2 E; G

D* p% O# p# Z: T5 s6 K gbqjmndc1gr640135473011.png

jwrfxcofv2a640135473111.png

                     

8 m& X+ z' m/ |( B' Y' D( W

关于我们：
0 Q( E$ W0 N& i5 E) r; H深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）