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 · 发表于 2024-11-12 08:01:00

引言
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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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。

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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。

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。

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。

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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。

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。

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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。

布拉格光栅滤波器设计
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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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。

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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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。

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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）。

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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。

实验结果
AWG和BGF性能
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。

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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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
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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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。

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。

开关速度
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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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。

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.

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