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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

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发表于 2024-11-12 08:01:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言
" ?" G  [# c% 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]。# O! b; \: i5 S& W8 I3 E

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* ?( H% p0 U# O5 B9 N
设计概述
! t; q, F- t! g  o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。
" y" o9 T2 {7 e" J$ s

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  O0 {3 G! E9 u$ l, \# ^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。
6 M0 C0 t) W2 N3 U- |  v# G# _
7 \5 o+ A& ~$ k! {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。
' A4 E1 v- j; Y% m. o5 A: w9 a% b5 L0 \, }! Q6 l- z3 Y
阵列波导光栅设计
* K% [- }) a- e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。" h( W& y( |+ a5 H# U3 u( b* d9 V

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0 B5 H4 D. _' O( s( {) B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。3 p' Y. B! h" U  y, @: E
$ k1 }8 |: R2 B# P: d5 [9 {
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。% U) C, P  j- n/ S, @; Z- ^6 q

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' u4 d' O2 L$ ^& O2 \+ `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。- L5 W# @" Q5 Z3 b( I5 v& F  _
6 {9 W& @6 |5 P- [
布拉格光栅滤波器设计$ T" ~$ ?" |# I8 J9 z
BGF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。+ M. U" ?% w9 u; x; h) w) x! E6 v6 \

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2 V' n( D# A1 n  i9 o; }
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。: H9 I6 U% Y* I/ s8 l3 a. }/ y
- T* i' O1 ]% x3 ^
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。
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2 f0 h0 [1 ^* t  \8 ~  T2 G& [8 q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 M: X. o1 e' K3 Y- ~" ]
0 [) r# A0 P% y) m6 i: C, T2 m
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。( N! L- e8 \; y1 Z4 E

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/ y6 g$ u6 j  L/ c; o- m
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。
1 D4 e: q; P, n" [3 k/ y3 A4 O. v2 d4 z. w3 L$ q! z
制造的器件% _( Y( e) @( |4 o0 Z3 g, Y2 i
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)。
8 N, h& u, @2 p, t0 ^

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+ l8 P- [, b0 n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。
* P( n: Z7 v. i' |* Z2 T4 i' K; g( c7 s1 }$ ]
实验结果  N3 G! {, u9 {& Q
AWG和BGF性能# M4 b0 ^! s; s! H7 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。2 |+ n6 y1 h9 E3 v' ~. I

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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。$ T5 R4 f2 y# @9 j" h' r3 |

3 ?$ `, E% Z5 C, B+ C# U! B6 P, U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。) X. c$ `3 l+ p4 j! V' R

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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。
6 O! A+ p, k5 Z
( S; a+ g; ^6 e1 j- }; d. g2 W; ^0 z开关性能
5 P2 z5 \/ Y" l) }& M4 w1 ^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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! J* G, c* ^  h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。
! f% S) r3 D) Z3 T  V- f- o% M. {7 C' l9 n+ T) m
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。
$ w- P5 j9 y4 f4 [+ @( G" U" e! {7 H' p- D: I2 F
开关速度  g3 R+ d7 Z( m3 p  X/ P2 e
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)。
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  w3 `9 ], x' G$ `- I5 @& h! 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。
, l) Q+ W# `* c5 v+ J5 @9 ?" o; D* p0 c8 S: V' z. w* \
结论
2 w( A# o# U7 E1 L* \! E' t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。
! l. D- E1 g* W1 q* L/ h; w7 Z+ ?3 x  q  F
参考文献
. |* V# ]  L$ P[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 2024.6 r& C* n5 z" A' t+ P2 g

0 p. \: O. k' l) B! _! j# wEND
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# {2 |- o! ?, O) E9 [% l5 K关于我们:1 y. t- O0 S6 I' b; V3 p
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