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光開關(guān)矩陣作為數(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)和先進(jìn)計(jì)算架構(gòu)中的核心器件，通過實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)靈活的光信號(hào)路由以滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。隨著數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，開關(guān)矩陣的可擴(kuò)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(xiàn)高集成密度，這給熱調(diào)諧型光開關(guān)矩陣帶來了開關(guān)元件微型化和熱串?dāng)_抑制等方面的挑戰(zhàn)。

本工作提出一種基于超緊湊熱調(diào)諧微盤諧振器（MDR）的可擴(kuò)展光開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)。

如圖1(a)所示，該芯片采用二維傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在波導(dǎo)交叉點(diǎn)利用雙刻蝕對(duì)稱橢圓交叉波導(dǎo)器，實(shí)現(xiàn)橫向與縱向的光信號(hào)路由。圖1(b)為單個(gè)網(wǎng)格單元的放大視圖，MDR作為開關(guān)單元，在波導(dǎo)交叉點(diǎn)布置兩個(gè)獨(dú)立熱可調(diào)的MDR，通過諧振波長(zhǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)無阻塞連接。MDR處于諧振狀態(tài)時(shí)，輸入光信號(hào)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。通過協(xié)同調(diào)控兩個(gè)MDR的工作狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)三方向光路由，并支持雙波長(zhǎng)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?dāng)_，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(jié)構(gòu)降低相鄰單元的熱耦。所提出的光開關(guān)矩陣具有良好的可擴(kuò)展性，并顯著降低了熱串?dāng)_，展現(xiàn)出其在未來光互連網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用潛力。

圖1 所提出基于微盤的可擴(kuò)展光開關(guān)矩陣示意圖

作為原理驗(yàn)證，本工作設(shè)計(jì)、制備并封裝了1×8×2λ硅基光開關(guān)矩陣芯片。如圖2(a)所示，該芯片包含八個(gè)熱調(diào)諧MDR，實(shí)現(xiàn)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(yàn)中，當(dāng)光信號(hào)從輸入端口I0注入時(shí)，可通過控制各MDR狀態(tài)將信號(hào)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(duì)該芯片進(jìn)行了性能測(cè)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(yīng)對(duì)應(yīng)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(diào)諧特性，隨著加熱功率增加，MDR諧振波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)11.4?nm范圍的調(diào)諧，對(duì)應(yīng)調(diào)諧效率為75.5?pm/mW。該動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)控制能力驗(yàn)證了MDR作為開關(guān)單元的有效性。

圖3 開關(guān)矩陣芯片的各輸出端口傳輸譜與MDR波長(zhǎng)調(diào)諧性測(cè)試結(jié)果

為評(píng)估開關(guān)時(shí)間，通過對(duì)MDR施加5 ?kHz方波信號(hào)，測(cè)試得到其相應(yīng)信號(hào)上升時(shí)間為14?μs，下降時(shí)間為16?μs，平均開關(guān)時(shí)間為15?μs，如圖4所示。

圖4 開關(guān)矩陣芯片的開關(guān)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

為評(píng)估消光比與串?dāng)_性能，通過控制各MDR的開關(guān)狀態(tài)完成了八通道傳輸測(cè)試，結(jié)果總結(jié)于圖5中。測(cè)得各通道開關(guān)消光比在20.0-26.2?dB范圍內(nèi)變化，串?dāng)_水平在-22.7?dB至-16.7?dB之間。

圖5 開關(guān)矩陣芯片的開關(guān)消光比與串?dāng)_測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證所提出設(shè)計(jì)在熱串?dāng)_抑制方面的有效性，本文對(duì)比分析了傳統(tǒng)基于雙MDR緊密布置的網(wǎng)格單元與本設(shè)計(jì)中采用的網(wǎng)格單元的抑制熱串?dāng)_表現(xiàn)。圖6(a)展示了僅對(duì)MDR1頂部加熱器施加偏壓時(shí)的波長(zhǎng)漂移情況。當(dāng)加熱功率從0增至46.0 mW時(shí)，MDR1產(chǎn)生4.4 nm的波長(zhǎng)移動(dòng)，而MDR2因熱串?dāng)_也出現(xiàn)0.6 nm的波長(zhǎng)漂移。圖6(b)展示了本設(shè)計(jì)中網(wǎng)格單元的測(cè)試結(jié)果，該設(shè)計(jì)通過引入路由波導(dǎo)設(shè)計(jì)使雙MDR間距增至250 μm。當(dāng)對(duì)MDR1施加0-60 mW功率時(shí)，MDR1保持4.4 nm的調(diào)諧范圍，而MDR2的串?dāng)_漂移降至0.1 nm，驗(yàn)證了路由波導(dǎo)設(shè)計(jì)對(duì)抑制熱串?dāng)_的有效性。

圖6 基于不同結(jié)構(gòu)的雙微盤網(wǎng)格單元熱串?dāng)_測(cè)試結(jié)果

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

圖7 高速光數(shù)據(jù)傳輸眼圖測(cè)試結(jié)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目支持。

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

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