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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" E* G' d7 C; d1 y, g
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]。" d, H! ]! D, e6 z- _5 _

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9 K9 |; A  E$ \4 [  Y4 v7 T$ G, q7 Q3 z- p! s. T
设计概述% O9 N8 ?* N+ I- j/ d! J
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。0 x' g7 Y7 Q1 U

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' ]# }6 f8 h& y5 J: d9 c( t
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。
$ l, z5 P6 F% ]  _3 d) m0 r. n; S) j9 x) Y' ~- c
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。
. d, t. ]1 i2 n! ~) H/ T: y8 Y5 {
4 V9 I: |" V7 U+ J/ J/ H阵列波导光栅设计! D, X  t3 b. q
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。
8 z. O, v/ G+ T

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6 g0 U0 ^2 _7 R8 v6 |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 o' T" A, N7 H& }, K  N* g& |* {/ ^2 r! N# h
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。
4 b( X( N3 |! ^1 `' z

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2 Z& p' ]! z: l8 A; W, A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。
, y4 D% f0 c2 V( B5 H0 |3 P3 o9 }, F+ k; `5 w7 J
布拉格光栅滤波器设计# Z: L# b3 B4 O* z! N
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。
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$ {, d6 i; \3 y6 Z; {
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。' l6 a: s1 Q0 R0 y

& o8 _, J% y' B9 m, iBGF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。& d/ p( Q+ N! Z& L$ P$ H

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: W2 _6 E% g1 Z$ n
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。! V4 \+ t; b2 \/ h7 I; g
, @5 I# t  i$ [' w1 W' x
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。) x% Q, g; C- J3 N& ]" [

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4 `. w/ Z. o6 N/ D
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。9 U6 K5 y1 E: F0 @$ ^: [: W

$ W: Q/ `. z# ]  u制造的器件& e, n  K# D6 {8 Q
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)。
7 |( d5 I8 r$ W) n& D! ^4 w( E# }1 V5 i

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, n+ J; Z- w- U$ f+ _$ A3 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。& n, n% E3 _, @$ `! K, M
& M, T! c* a0 N' U# `4 z
实验结果/ v9 P2 v( g+ R* Y
AWG和BGF性能$ m3 d: G$ \- p0 U2 m9 g5 u
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。6 j/ s' g) f+ E. x# y

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9 g) V. }6 W0 z/ K5 w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。
( s3 O2 t( a- x6 @
  U1 n1 d; N5 M, ?" g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。
3 C, t, F' X6 h& {

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% D* o* F- K( p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。2 q# C7 H4 g8 f4 t* F
  u) O( P) P4 `, U6 J
开关性能4 R1 Y5 s; y6 P# W' q
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。5 g3 _0 w5 n; f2 n. M/ p; Y% G% N

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  B1 l" h  `; l0 u
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。
2 G0 q$ q/ t& P4 T% u! n
4 b' q# S% ~& Y$ I* Q% o$ F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 [8 I3 `# D  x! Y' P9 L+ h& k

" ^. }1 F- {4 G6 S1 ]$ C开关速度$ I6 q% q0 X2 e! L: Z: G/ I$ K3 E$ g! J
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)。
- F' k7 _3 \7 S' ~+ _

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- u: s6 O+ W; a9 ^! \- m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。* a1 V, s, W& f: O2 i+ n6 @

2 a" b2 @3 S, Z' B/ ^' V* r结论
) X- w9 h2 h& a0 \4 A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。
  g7 K8 @8 V0 u* U# W+ {
* {, Q. A$ W( i# ~* Y+ c, R参考文献
# R0 A' E2 R9 M$ I* T; E6 y[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, h4 C! K' V) {2 X$ d
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$ v( u! ?2 U; i; F5 m转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!8 \/ |! h. v- B! L8 @- j
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. `/ V) e8 O/ r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。1 }4 [: u/ u7 b9 |
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