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引言) n/ J# ~7 b, D# P% F: S* Q" R
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]。
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5 J5 c! J7 c0 y: A设计概述# G; a/ @* {* Q+ p) M. A
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。2 R! O- p, o# y% _7 ^, Y8 J
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8 I5 |5 t9 [) U: U9 K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。
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: ?$ L2 r8 T0 [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。
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阵列波导光栅设计6 B; U. g' j( R6 g) B
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。( |( A$ @* [$ N) J: l" G
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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。% w6 T+ U6 a) j) G" M
( f1 i" A5 \7 B9 U$ T: I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。" g. W! i5 h5 y2 I5 ~5 B
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, ^+ }; x- e9 ] W( u# \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。
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布拉格光栅滤波器设计
* [; D$ F$ V6 nBGF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。4 A8 }0 X, A( C" \& B) S
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0 s% x5 s4 S1 J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。9 S. k/ b" W' y
: v' K: y1 r4 aBGF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。
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2 l! Y4 u8 I; N& ` P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。9 Z9 i& ], t5 R3 k- ^
( q( F2 c% r! b$ ~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。/ S h5 m! `* \4 q3 S( o) P, l G
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& | a) W& W, C$ H( c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。
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7 Z" \5 b1 t- Y- w. N6 `制造的器件- a- F5 `% q L6 S! Z4 l1 ~
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)。
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- X1 l6 G& Q: b5 X# Z" z4 U5 R" V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。) t; g" W2 x z# G' {% D6 H
; m: e! e% K) v3 [/ _; d; f/ U实验结果
2 J9 v' j: H6 Z$ U' A$ hAWG和BGF性能
) ?" R. B7 T! K, m I( ~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。
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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。
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2 {; m* O# t* o7 C% s4 k5 r4 z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。
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+ g, k2 K( N+ V+ N- H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。# X: Z3 v) C' b- D# i. G
: _- N: V: F1 L. r2 l2 }, w% q; I开关性能/ j! c: v0 ?2 z8 Q& u; e
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。
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. B9 u9 @) J7 C! I5 y' x3 r2 J2 r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。- b: q7 D0 H7 u! g% ^' F% L
2 n& V: Y/ d% c1 w6 X ^. x7 X7 A0 z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。
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* o) O: P$ i/ \开关速度, W/ q+ \9 v! \- t
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)。0 a9 ?, _6 D' k
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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。; ]. f4 t7 e/ Z! p7 t+ h2 d
( V* {- o- v6 \9 i9 f% U结论, G: f- n* {" }% m! i& Z
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。/ s" c4 V, E+ S, S3 e! k( i" F
- t7 s1 K d: J) M; E参考文献1 Q8 T1 n3 W4 D$ B* ?
[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.) ~* ^: d0 s5 h0 O2 `# H7 n) W
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