硅基高速光开关阵列芯片研究

摘要

光开关阵列芯片和模块能够将任意端口输入的光信号从任意端口输出，是光交换网络中最基础、最核心器件。光开关阵列芯片在下一代全光交换网络、数据中心光互连及计算机通信网络中都有广泛的应用，具有体积小、功耗低、稳定性高等优点。近年来，硅基光子集成器件凭借其尺寸小、功耗低、与 CMOS工艺兼容的优点，引起了学术界和工业界广泛的研究。基于绝缘体上硅(SOI)的调制器、滤波器和可调延时线等器件都已经相继被研制，硅基光电子芯片的集成度也越来越高。所以，基于硅基光电子学的高速光开关阵列芯片，具有重要的学术研究价值和在光电子领域的应用价值，成为近年来的研究热点。本论文针对现有硅基光开关阵列芯片端口数少、开关速度慢的不足，从开关单元和开关阵列拓扑结构入手，在开关速度、插入损耗、串扰、功耗等主要指标及器件的加工、封装、测试等技术做了深入研究，并分别提出了3种不同开关单元结构来实现高速、大端口、低功耗的硅基光开关阵列芯片。
　　首先，本文讨论了硅基光开关阵列芯片的工作原理和设计过程。介绍了光开关阵列芯片的基本概念及参数指标，并指出影响开关性能的因素，为后续的研究提供了方向和准则。在此基础上，本文将光开关阵列分解成几种基本单元器件，从微观入手分别研究了两种无源单元器件和两种有源单元器件，包括2×23-dB耦合器、波导交叉结、p-i-n二极管和波导型热电阻。文中分别阐述了这4种不同单元器件的工作原理，并介绍了详细的设计和仿真过程，来实现低损耗、低串扰的无源器件以及低功耗、低损耗的有源器件。测试结果表明，经过优化后的2×2多模干涉(MMI)耦合器的附加损耗为0.22 dB，MMI型波导交叉结的插入损耗为0.05 dB。之后，从宏观入手，本文详细阐述了几种常见的开关拓扑结构，并定量比较了不同拓扑结构在实现硅基光开关阵列芯片的性能优缺点。
　　接着，文本提出以硅基2×2 MZI作为光开关单元，实现高速大端口光开关阵列芯片。通过理论计算，文中分析了非理想2×2 MMI耦合器和两个波导臂损耗不均匀对2×2 MZI开关性能的影响。为了解决这个问题，本文提出在2×2 MZI两臂上同时集成热光移相器和电光移相器：热光移相器用于补偿工艺误差带来的MZI两臂相位不同，而电光移相器用于实现高速、低功耗光开关。采用这种设计减少了器件损耗，提高了开关的性能。在上述2×2 MZI开关单元基础上，本文采用Benes拓扑结构实现了4×4硅基光开关阵列芯片。通过测试所有24种开关状态的功耗、插入损耗和串扰性能，可以得到该开关阵列芯片的平均功耗为48 mW，平均片上插入损耗为5.8到7.7 dB，最大串扰为-12 dB；除此之外我们还实现了50 Gb/s的QPSK光信号传输。在该4×4光开关阵列芯片的基础上，本文进一步提出并实现了16×16硅基高速光开关阵列芯片，它由7级56个2×2 MZI开关单元构成。相比于4×4光开关阵列设计，我们对各个单元结构的参数进行了重新优化。为了对多端口光开关集成芯片进行系统的测试，本文也探讨并实现了芯片的电学和光学封装。对16×16光开关阵列芯片进行系统测试，实验结果表明器件的片上插入损耗为6.7到14 dB，在30 nm波长范围内最大串扰为-10 dB。实现全平行（“all-bar”）状态的功耗为1.17 W。此外本文也进行了OOK信号动态路由实验，可以测得该芯片的10%-90%上升延和下降延时间分别为3.2和2.5 ns。该16×16硅基光开关阵列芯片是现已经报道的端口数最大的硅基高速光开关阵列芯片。
　　随后，针对基于2×2 MZI单元结构的光开关阵列芯片功耗较大、串扰较高的问题，本文提出了新型2×2双环耦合马赫-增德尔(DR-MZI)光开关单元，实现硅基光开关阵列芯片。2×2 DR-MZI由2个相同的微环谐振腔(MRR)分别与对称型MZI的两个臂耦合构成。利用传输矩阵法对该结构进行建模，文中详细阐述了2×2 DR-MZI的工作原理；通过数值计算，本文研究了MRR与MZI波导臂的耦合强度对2×2 DR-MZI光开关的折射率改变量、光谱带宽和插入损耗性能的影响。在理论分析基础上，本文设计并实验验证了硅基2×2 DR-MZI光开关单元，每个MRR上都分别集成了波导型热电阻结构和p-i-n二极管结构。该设计同样利用热光效应补偿工艺误差带来的MRR谐振不对准，利用载流子色散效应实现高速光开关。实验测得开关单元的串扰<-20 dB，功耗为3 mW；通过高速光信号传输实验，我们证明该2×2 DR-MZI可以实现25 Gb/s的OOK光信号传输；时域响应实验也表明此2×2 DR-MZI光开关单元可以实现GHz的高速光开关。以硅基2×2 DR-MZI为光开关单元，本文还提出并证明了基于Benes结构的4×4硅基光开关阵列芯片。实验表明，该芯片的串扰都小于-18.4 dB，光谱带宽为35 GHz，最大功耗为23.75 mW。与其他已报道的硅基4×4电光开关阵列芯片比较，本文提出的基于DR-MZI的4×4光开关阵列芯片具有较高的性能。
　　然后，本文提出并实现了一种基于广义马赫-增德尔(GMZI)的4×4对称型无阻塞光开关阵列芯片。通过传输矩阵法对N×N GMZI光开关结构进行理论建模，利用矩阵求解的方法可以计算得到实现任意N×N GMZI光开关状态所需的相位关系。针对单个N×N GMZI光开关只有N种开关状态的情况，本文提出利用对称型结构实现无阻塞光开关芯片，并实现了硅基4×4无阻塞光开关阵列芯片。该芯片由1个4×4 GMZI和4个2×2 MZI构成。该结构的优点是不需要波导交叉结，并且由于对称结构，插入损耗与路径无关。芯片采用热光效应，所有的移相器都采用波导型热电阻 n-i-n结构。测试表明该芯片可以实现所有24种开关状态，平均片上插入损耗为9 dB，端口不均衡性为±2 dB。最大串扰为-12 dB。实现所有开关状态的平均功耗为109 mW。除此之外，我们还通过40 Gb/s的QPSK光信号传输实验验证了该芯片的开关功能。此外，本文通过传输矩阵法对该硅基4×4无阻塞光开关阵列进行整体建模，并通过随机误差统计法分析计算了2×2和4×4 MMI耦合器的端口不均匀性对器件串扰的影响。计算表明，仿真与实验能够较好的吻合；通过优化2×2和4×4 MMI耦合器的结构，该开关阵列芯片的串扰可以低于-25 dB。
　　最后，对本论文所有的研究内容做了总结，针对硅基高速光开关阵列芯片的研究主题，提出对未来的研究工作的展望。

目录

声明

答辩决议书

第一章 绪论

1.1硅基集成光子器件的研究背景与现状

1.2光开关阵列芯片的研究现状和挑战

1.3硅基光开关阵列芯片的研究现状与面临问题

1.4本论文结构安排及主要内容

第二章 硅基光开关阵列芯片原理与设计

2.1光开关阵列芯片基本概念与参数指标

2.2无源单元结构的仿真设计与性能分析

2.3有源单元结构的仿真设计与性能分析

2.4光开关阵列常见拓扑结构

2.5本章小结

第三章 基于马赫-增德尔（MZI）的硅基光开关阵列芯片

3.1 2×2 MZI光开关单元理论分析与设计实现

3.2 4×4 MZI光开关阵列芯片芯片设计与实验研究

3.3 16×16 MZI光开关阵列芯片芯片设计与实验研究

3.4本章小结

第四章 基于双环耦合马赫-增德尔(DR-MZI)的硅基光开关阵列芯片

4.1 2×2 DR-MZI光开关单元理论分析与设计实现

4.2 4×4 DR-MZI光开关阵列芯片设计与实验研究

4.3本章小结

第五章 基于广义马赫-增德尔(GMZI)的硅基光开关阵列芯片

5.1 GMZI光开关理论分析

5.2基于GMZI的4×4对称型无阻塞光开关阵列芯片设计与实验研究

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2研究展望

参考文献

附录一 符号与标记

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢