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

引言
4 r% X% y  M: ?( z  S( p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]。

ur42w0q5zi5640135471608.png

9 A- ~& Z1 d  f7 f- ?. H设计概述
9 d8 c7 C/ u0 `3 m1 J3 D) Y$ L3 ^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。
/ I! z+ v- R- e. P

taged5rzkwi640135471709.png

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。

/ s2 Q+ T  D; f! B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。
+ d6 H% l! H4 I0 {, V
( c* F7 N1 D2 [阵列波导光栅设计
8 Z% |9 F# R. B( Y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。

rgwu1tdkd3d640135471809.png

9 s' u4 j2 r0 w' Y  z- t* j: l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。
6 ?& C+ |, |* S* N6 p9 V" U
$ C0 c$ z) Z( W1 Z4 e4 s# O2 }; m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。

uv02hgpnmzu640135471910.png

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。
4 K' P0 m% V9 G" C5 P6 Q) h1 [
) K: O, i8 B/ w/ ]. x& e1 q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。
+ Z7 Y1 I, o. z, E' _

3b3pfsri3wh640135472010.png

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。

$ ]& [4 s& d5 TBGF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。
5 d/ S; y: W" f5 ~

jpikogy0ypd640135472110.png

0 d, l) f! ~7 H2 h' 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。

+ \2 d& e! I8 s2 I  c8 {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。

uugeiol5bsp640135472210.png

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）。
0 A# A% \# b+ r. P. A2 k/ K+ z! n

yxwg1osz1b2640135472311.png

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。
: k$ E7 p2 c7 H2 l3 ~$ G
3 E* a8 {5 o4 r% j3 u/ B0 K实验结果
AWG和BGF性能
! P& q7 j( R! x1 k- A* R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。

14esxfmmwu1640135472411.png

# |: F" O- R2 }2 F$ u9 l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。
3 H& G/ v' F6 \' H' D" {/ R( }9 S) N) S

frb150mku2x640135472511.png

0 ^& P3 X/ J2 o% k- k( ~' n; Y, R7 d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 @8 k6 D+ C2 E) U  ]开关性能
, L+ a! z9 e7 e2 y7 |0 k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。
' F8 b/ _/ k" O# \* y, {; l

4xsrkmgc4c0640135472611.png

. Z8 C; y) b% _( W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。
% P% X7 r; G) z0 [' ^
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）。
! Z. j/ T! _/ n0 x

gbaxa0sifrh640135472711.png

( d& a8 @; h! l: ?: x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。

9 o' w; h6 d; u6 ]2 o: N" m结论
0 T- t, {1 T/ J, S# d4 }3 H3 k: K% o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。
% I" Z' X  d9 Y+ d/ p- m# ?8 ^
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.

+ `- P8 M2 j( b8 b9 DEND
# G5 F; T; L: j9 v6 U

软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请

. q% m& f) o; A2 Y欢迎转载

转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
) d; n5 {8 O( }% v2 c1 o/ ?

2 h, X7 A: H4 R5 g4 Q! x# v
% F9 |+ I5 t! k. e3 A' z# Q

ekn2u3u0xcx640135472811.gif

; B5 f  q4 F6 N& k" d
( c& k; ^+ y' F0 q1 ^% T关注我们

" S7 {& T) }" X) {1 o

0v2yitejibj640135472911.png & Z( j+ ^2 F( L+ u/ p

gbqjmndc1gr640135473011.png : p6 D/ E' l) f/ }" J( ?

0 G1 S5 I1 L, i/ y jwrfxcofv2a640135473111.png

                     
5 O' H  v3 M1 ~- J


! `9 ?  s5 s* M) _* n关于我们：
) B. q2 i5 Z/ H% u9 w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。
: v5 }$ L9 j8 j" V/ K
http://www.latitudeda.com/
' N8 H4 ~; b5 V（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）