低串扰、低功耗硅基光开关设计与实现

逍遥设计自动化 · 发表于 2025-1-16 08:04:00

引言
在光电子集成芯片快速发展的背景下，2 × 2光开关作为光信息处理和信号路由的基本单元，在通信、传感、量子系统和微波光子线路中发挥着重要作用。随着大规模光电子集成芯片的需求不断增长，光开关的性能指标，特别是串扰和功耗，需要进一步优化。

实现2 × 2光开关的主要方法包括：Add-drop微环谐振器（MRR）和马赫-曾德干涉仪（MZI）。MRR具有结构紧凑(典型半径约10 μm)的特点，常用于波长选择性开关。然而，由于其对温度变化高度敏感，谐振波长容易发生漂移，因此需要通过温度调控和主动反馈调谐来维持稳定运行，确保开关性能的可靠性。相比之下，MZI开关尺寸较大（典型长度约100 μm），通常用于宽带光路由，即实现与波长无关的光信号切换。由于采用平衡干涉结构，2 × 2 MZI开关对温度稳定性要求较低，这一特性使其在实际应用更具吸引力。这里分享北京邮电大学集成电路学院的近期工作，它系统分析了2 × 2耦合器分光不均、两个移相臂损耗差异对2 × 2 MZI开关消光比的影响，并通过波导及热极金属的折叠设计，实现高热效工作。

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开关结构和设计方案

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图1：该文所提出的MZI光开关示意图，包括折叠波导和金属加热器，以及相移器的横截面视图。

MZI开关设计包含多个关键组件以实现最佳性能。其中，多模干涉（MMI）耦合器作为关键元件，具有较高的制造工艺容忍度和宽带适用性。移相器由硅波导和金属加热器组成，采用折叠式结构设计，通过优化热分布来提高功率效率并降低功。

MZI开关的性能主要受到两个关键因素的影响：2 × 2 MMI的功率分配均衡性和MZI干涉仪两臂的损耗一致性。这些参数的任何不平衡都会导致输出端的干涉消光不彻底，从而增加串扰。该文采用其设计的MMI，利用电子束（EBL）工艺制造的器件在C波段的串扰低于?35dB，利用深紫外（DUV）工艺制造的开关串扰低于?30dB。

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MMI耦合器设计与分析

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图2：C波段内MMI耦合器在硅波导宽度变化（±40nm）下的（a）插入损耗和（b）不均衡度。

该文中MMI耦合器设计实现了优异的性能指标，在C波段内插入损耗低于0.14 dB，不平衡度低于0.13 dB。该设计对宽度变化具有良好的容忍度，可达±40nm，适合目前普遍采用的硅光制造工艺。在1550 nm波长下，理论插入损耗和不平衡度分别为0.096dB和0.037dB。

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移相器设计

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图3：移相器设计细节，展示了(a)移相器的横截面示意图，(b)基于逆向设计的90°弯曲结构，(c)功耗特性曲线，(d)热场分布，以及(e)弯曲波导中的电场分布情况。

移相器的波导和热极采用折叠式结构，以最大化热效率。结构中采用200 nm厚的TiW合金作为加热材料，并对波导和热极的尺寸进行了精确优化。该设计实现了约8 mW的π相移（Pπ）功耗，展现出优异的性能。

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制造工艺和实验结果

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图4：器件制造结果展示：(a) 2 × 2 MZI光开关的显微镜图像，以及(b)折叠波导的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及(c)弯曲波导结构的SEM图像。

器件制造过程采用电子束光刻和感应耦合等离子体反应离子刻蚀技术。除了半径为1.75 μm的弯曲波导和MMI区域等特殊部分外，硅波导厚度为220 nm，宽度为500 nm。包层和埋氧层的厚度分别精确控制在2.2 μm和2.0 μm。

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图5：实验结果展示：(a)宽谱光测试结果和(b)在不同加热功率条件下输出端口的光谱响应。

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性能评估
实验表征显示器件性能优异。光开关在直通端（Bar-port）和下载端（Cross-port）处的串扰均低于?35dB。实现π相移所需功耗（Pπ）为8mW，相较现有设计有显著提升。片上插入损耗约为1.6 dB，主要来源包括弯曲波导损耗0.3 dB、MMI耦合器损耗0.3 dB，以及直波导传输损耗约1 dB。

器件具有快速开关能力，10%-90%上升/下降时间分别为22μs/9μs，适用于各种高速应用场景。性能指标，尤其是低功耗和高消光比的结合，使该设计在同类实现中具有优势。

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结论
这种硅基光开关的综合设计方法在关键性能指标上取得了显著进展。高度均衡的MMI耦合器和高效折叠移相器的组合，使器件具备低串扰和低功耗的特性。该设计通过电子束光刻和深紫外光刻工艺成功制造，验证了其在不同工艺方法中的稳健性，适用于多种制造流程。这些成果为下一代光通信和处理系统中大规模光电子集成芯片的发展做出了重要贡献。

本文介绍了新型硅基光开关的设计方法和实现过程，强调了性能优化和实际应用价值。通过精心设计的MMI耦合器和移相器结构，实现了低串扰、低功耗的优异性能指标。这些研究成果对推动光电子集成芯片技术的发展具有重要意义，为实现更高性能的光信号处理和路由系统提供了新的技术方案。

参考文献
[1] T. Yang, E. Zhang, S. Zhang, S. Yang, X. Yang, and L. Zhang, "Low cross talk, low Pπ silicon optical switch based on highly balanced couplers and folded phase shifters," Optics Letters, vol. 50, no. 1, pp. 101-104, Jan. 2025.
END

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