光開(kāi)關(guān)矩陣作為數據中心、通信系統和先進(jìn)計算架構中的核心器件，通過(guò)實(shí)現動(dòng)態(tài)靈活的光信號路由以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的數據傳輸需求。隨著(zhù)數據流量呈指數級增長(cháng)，開(kāi)關(guān)矩陣的可擴展性變得至關(guān)重要。然而，有限的物理空間要求器件實(shí)現高集成密度，這給熱調諧型光開(kāi)關(guān)矩陣帶來(lái)了開(kāi)關(guān)元件微型化和熱串擾抑制等方面的挑戰。

本工作提出一種基于超緊湊熱調諧微盤(pán)諧振器（MDR）的可擴展光開(kāi)關(guān)矩陣結構。

如圖1(a)所示，該芯片采用二維傳輸網(wǎng)絡(luò )架構，在波導交叉點(diǎn)利用雙刻蝕對稱(chēng)橢圓交叉波導器，實(shí)現橫向與縱向的光信號路由。圖1(b)為單個(gè)網(wǎng)格單元的放大視圖，MDR作為開(kāi)關(guān)單元，在波導交叉點(diǎn)布置兩個(gè)獨立熱可調的MDR，通過(guò)諧振波長(cháng)調控實(shí)現可重構無(wú)阻塞連接。MDR處于諧振狀態(tài)時(shí)，輸入光信號從Drop端口輸出，與原方向相反；處于非諧振狀態(tài)時(shí)則保持原方向傳輸。通過(guò)協(xié)同調控兩個(gè)MDR的工作狀態(tài)，可實(shí)現三方向光路由，并支持雙波長(cháng)信道并行傳輸，提升輸入/輸出端口密度。為降低相鄰MDR間的熱串擾，在不增大單元尺寸的前提下增加MDR間距，同時(shí)集成深槽隔離結構降低相鄰單元的熱耦。所提出的光開(kāi)關(guān)矩陣具有良好的可擴展性，并顯著(zhù)降低了熱串擾，展現出其在未來(lái)光互連網(wǎng)絡(luò )中的應用潛力。

圖1 所提出基于微盤(pán)的可擴展光開(kāi)關(guān)矩陣示意圖

作為原理驗證，本工作設計、制備并封裝了1×8×2λ硅基光開(kāi)關(guān)矩陣芯片。如圖2(a)所示，該芯片包含八個(gè)熱調諧MDR，實(shí)現八通道光路由功能，并采用邊緣耦合器陣列作為I/O接口。實(shí)驗中，當光信號從輸入端口I0注入時(shí)，可通過(guò)控制各MDR狀態(tài)將信號路由至任意輸出端口。圖2(b)與圖2(c)分別展示了所制備芯片的顯微圖像與封裝模塊實(shí)物圖。

圖2 1×8×2λ硅基光開(kāi)關(guān)芯片示意圖以及制備芯片的顯微圖像以及封裝模塊實(shí)物圖

隨后對該芯片進(jìn)行了性能測試。圖3(a)為所有輸出端口在靜態(tài)條件下的傳輸光譜。以輸出端口O2為例，其響應對應單個(gè)MDR的Drop端口，具有164 GHz的3-dB帶寬以及19.4 dB的消光比。圖3(b)展示了單個(gè)MDR的熱光調諧特性，隨著(zhù)加熱功率增加，MDR諧振波長(cháng)實(shí)現11.4?nm范圍的調諧，對應調諧效率為75.5?pm/mW。該動(dòng)態(tài)波長(cháng)控制能力驗證了MDR作為開(kāi)關(guān)單元的有效性。

圖3 開(kāi)關(guān)矩陣芯片的各輸出端口傳輸譜與MDR波長(cháng)調諧性測試結果

為評估開(kāi)關(guān)時(shí)間，通過(guò)對MDR施加5 ?kHz方波信號，測試得到其相應信號上升時(shí)間為14?μs，下降時(shí)間為16?μs，平均開(kāi)關(guān)時(shí)間為15?μs，如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)矩陣芯片的開(kāi)關(guān)時(shí)間測試結果

為評估消光比與串擾性能，通過(guò)控制各MDR的開(kāi)關(guān)狀態(tài)完成了八通道傳輸測試，結果總結于圖5中。測得各通道開(kāi)關(guān)消光比在20.0-26.2?dB范圍內變化，串擾水平在-22.7?dB至-16.7?dB之間。

圖5 開(kāi)關(guān)矩陣芯片的開(kāi)關(guān)消光比與串擾測試結果

為驗證所提出設計在熱串擾抑制方面的有效性，本文對比分析了傳統基于雙MDR緊密布置的網(wǎng)格單元與本設計中采用的網(wǎng)格單元的抑制熱串擾表現。圖6(a)展示了僅對MDR1頂部加熱器施加偏壓時(shí)的波長(cháng)漂移情況。當加熱功率從0增至46.0 mW時(shí)，MDR1產(chǎn)生4.4 nm的波長(cháng)移動(dòng)，而MDR2因熱串擾也出現0.6 nm的波長(cháng)漂移。圖6(b)展示了本設計中網(wǎng)格單元的測試結果，該設計通過(guò)引入路由波導設計使雙MDR間距增至250 μm。當對MDR1施加0-60 mW功率時(shí)，MDR1保持4.4 nm的調諧范圍，而MDR2的串擾漂移降至0.1 nm，驗證了路由波導設計對抑制熱串擾的有效性。

圖6 基于不同結構的雙微盤(pán)網(wǎng)格單元熱串擾測試結果

最后，基于該芯片進(jìn)行了高速光信號傳輸測試。圖7展示了20?Gbps信號分別路由至8個(gè)輸出端口的眼圖測試結果，并給出了背靠背（B2B）測試作為對比。所有輸出端口均獲得清晰張開(kāi)的眼圖，進(jìn)一步驗證了所提出光開(kāi)關(guān)矩陣在高速光互連中的可行性。

圖7 高速光數據傳輸眼圖測試結果

該工作成果以“Scalable integrated optical switch matrix using ultra-compact thermally-tunable dual micro-disk resonators”為題被Photonics Research期刊錄用。

博士生周朗同學(xué)為第一作者。該研究工作獲國家自然科學(xué)基金面上項目支持。

論文原文鏈接：https://opg.optica.org/prj/upcoming_pdf.cfm?id=561238  

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