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隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和云計(jì)算的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)處理的需求不斷增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心對(duì)快速、高效的光互連的需求變得越來越重要。硅光平臺(tái)在過去的十年中得到了迅速的發(fā)展，特別是在電信和數(shù)據(jù)通信的光收發(fā)器的大規(guī)模生產(chǎn)中。最近也被用于新興應(yīng)用，包括板上和封裝內(nèi)光互連和光子處理器。光開關(guān)被認(rèn)為是解決這些挑戰(zhàn)的一個(gè)很有前途的解決方案。其中，硅光平臺(tái)具有可擴(kuò)展性，成本效益，運(yùn)行速度快于微秒。今天帶來幾種硅光平臺(tái)的光開關(guān)應(yīng)用：

1、MZI拓?fù)浯笠?guī)模矩陣光開關(guān)：

    基于路徑無關(guān)插損（PILOSS）拓?fù)涞墓韫忾_關(guān)，具有潛在的低損耗和低功耗,在兩側(cè)都有輸入和輸出端口陣列，如圖a所示。在未來的晶圓級(jí)光學(xué)基板上連接多個(gè)xPU芯片，必須使用平面光波導(dǎo)，許多路徑交叉點(diǎn)和長(zhǎng)光路對(duì)波導(dǎo)插損提出挑戰(zhàn)，圖b所示。為避免波導(dǎo)重新布線，用于晶圓級(jí)光互連的光開關(guān)具有如圖c/d所示的相鄰輸入/輸出端口布置，可大大簡(jiǎn)化波導(dǎo)布線。

AIST提出一種新的光開關(guān)拓?fù)?，通過修改傳統(tǒng)的PILOSS拓?fù)涫馆斎牒洼敵龆丝诒舜讼噜?。該拓?fù)渑c傳統(tǒng)的PILOSS拓?fù)渚哂邢嗤奶攸c(diǎn)，即嚴(yán)格不阻塞，每條路徑上只有一個(gè)ON單元開關(guān)，并且每條路徑上的開關(guān)和交叉點(diǎn)數(shù)量相同（分別為N和N-2）。唯一區(qū)別是每條路徑上的交叉點(diǎn)數(shù)量（N-1 / N-2），可通過短距離連接到外部而不會(huì)交叉。

8×8硅光開關(guān)如圖所示。使用UV固化粘合劑將高光纖陣列（NA = 0.28）附著在輸入和輸出SSC的芯片邊緣。校準(zhǔn)所有64個(gè)MZI開關(guān)元件的隨機(jī)初始相位誤差，π位移所需功耗為12.5 mW。

    所有可能路徑的光纖到光纖的損耗最小值和最大值分別為-13.9 dB和-7.4 dB，消光比最小值為25.4 dB，最大值為33.4 dB。評(píng)估最差串?dāng)_高于-21.1 dB。

傳統(tǒng)的基于單模波導(dǎo)的MZI由于制造偏差而存在明顯的隨機(jī)相位不平衡，累積相位導(dǎo)致顯著串?dāng)_，通常可通過探測(cè)器作為內(nèi)置功率監(jiān)視器來校準(zhǔn)。此次，浙大戴老師團(tuán)隊(duì)成功地演示具有Benes拓?fù)涞拿庑?zhǔn)64×64 MZIs，解決傳統(tǒng)單模移相器中多余損耗和顯著的隨機(jī)相位不平衡。

    Benes拓?fù)涫且粋€(gè)可重新排列的無阻塞交換結(jié)構(gòu)，具有最少數(shù)量的2×2 MZIs （(2log2N?1)N/2）和stage （2log2N?1）。對(duì)于N=64的免校準(zhǔn)N×N Benes MZI，由352個(gè)免校準(zhǔn)2×2 MZI和1824個(gè)交叉點(diǎn)組成。2×2 MZI由兩個(gè)2×2 MMI耦合器、四個(gè)TES-bend波導(dǎo)和兩個(gè)加寬的多模移相器組成。通過增大波導(dǎo)寬度和縮短移相器長(zhǎng)度（2μm寬，50μm長(zhǎng)），減小隨機(jī)相位不平衡。TES-bend波導(dǎo)的兩個(gè)彎曲非對(duì)稱定向耦合器用于濾除殘余的高階模式。

64×64 MZIs采用標(biāo)準(zhǔn)的180 nm硅光代工工藝，面積為13.1×1.9 mm2。對(duì)352個(gè)2x2 MZI在沒有加熱功率的情況下的所有4096個(gè)透射光譜進(jìn)行表征,C波段的額外損耗平均值在2.5 dB~8.5 dB之間，串?dāng)_平均值<-21.5 dB。64x64 MZI具有代表性的all-Bar配置，所有2x2 MZI都從OFF狀態(tài)調(diào)諧到ON狀態(tài)，額外損耗從3.5到8.5 dB不等，串?dāng)_平均值<-30 dB。

上海交大周老師團(tuán)隊(duì)展示一個(gè)2×2電光開關(guān)，通過MTP技術(shù)將TFLN轉(zhuǎn)移到低損耗Si3N4平臺(tái)上，具有寬帶寬、超低串?dāng)_、高速交換和可忽略的功耗特點(diǎn)，如圖所示。

    TFLN包括兩對(duì)倏逝耦合器，將Si3N4波導(dǎo)的光耦合到LN-Si3N4混合波導(dǎo)上，平均耦合損耗約為0.5 dB/facet， Y方向上1dB公差大于±1.5 μm。LN-Si3N4混合移相器為1000 nm*400 nm Si3N4，在Si3N4頂部有300 nm厚的TFLN，電極間距為6μm。

1×2光開關(guān)在100nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，插入損耗為~1.3 dB，在1540 ~ 1565nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，串?dāng)_小于- 35db。疏逝波耦合器額外損耗約0.5 dB/facet。

    對(duì)于2×2級(jí)聯(lián)光開關(guān)的插損為4.18 ~ 5.51 dB，帶寬超過100nm，在1540-1565nm范圍內(nèi)串?dāng)_小于-45 dB。

    所制芯片間隙實(shí)際測(cè)量為7 μm導(dǎo)致Vπ大于20 V，但沒有靜態(tài)功耗，可以忽略不計(jì)，開關(guān)的上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為3.7 ns和3.0 ns。

2、空間和波長(zhǎng)選擇性光開關(guān)：

    光開關(guān)可以有效地緩解與傳統(tǒng)電子互連相關(guān)的性能瓶頸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)跨多波長(zhǎng)和空間路徑的高效數(shù)據(jù)傳輸?？臻g和波長(zhǎng)可重構(gòu)光開關(guān)對(duì)于利用波分復(fù)用（WDM）至關(guān)重要，允許基于空間和頻譜的任意光信號(hào)的選擇性路由。

    University of Cambridge介紹一種新的擴(kuò)展拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種超緊湊的4×4×4λ SWSS支持空間和波長(zhǎng)選擇性開關(guān)，如圖所示。

    共有32個(gè)熱調(diào)MRR控制四個(gè)不同波長(zhǎng)通道的64條路由路徑。當(dāng)MRR在特定波長(zhǎng)處處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，光信號(hào)直接傳播到直通端口；相反傳輸?shù)轿挥诖怪苯徊娌▽?dǎo)上的交叉口。

    該光開關(guān)具有四個(gè)波長(zhǎng)通道，對(duì)于每個(gè)波長(zhǎng)通道，信號(hào)由兩個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)定向到目標(biāo)輸出端口。共36個(gè)控制電極和3個(gè)共用接地連接。

對(duì)所有64條路由路徑的片上損耗和串?dāng)_進(jìn)行評(píng)估，插損在2.3 ~ 8.6 dB之間，串?dāng)_在-35.3 ~ -59.7 dB之間。測(cè)試熱光開關(guān)的上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為47.58μs和0.33μs。

四個(gè)通態(tài)波長(zhǎng)通道的光譜響應(yīng)帶寬分別為20 GHz、21 GHz、24 GHz和25 GHz,通道間距為3.2 nm，消光比為38.8 dB。10Gb/s數(shù)據(jù)通過SWSS從I4路由到O1,在固定BER為10-9時(shí)，SWSS產(chǎn)生的功率代價(jià)小于1.3 dB，鏈路中加入了EDFA。

 University of Cambridge提出一個(gè)改進(jìn)的擴(kuò)展4×4×8λ空間和波長(zhǎng)選擇光開關(guān)，波長(zhǎng)通道通過基于微環(huán)的熱調(diào)諧獨(dú)立控制。具有4個(gè)輸入和4個(gè)輸出端口以及8個(gè)路由波長(zhǎng)，總共允許128條光路由路徑。采用改進(jìn)的擴(kuò)展Banyan架構(gòu)來減少帶內(nèi)串?dāng)_。每個(gè)波長(zhǎng)通道的通斷狀態(tài)通過熱調(diào)諧MRR對(duì)來控制，每對(duì)MRR都能夠進(jìn)行差分推挽，光開關(guān)具有優(yōu)異消光比，帶寬和制造公差。在lMEC制造。MRR實(shí)現(xiàn)超過25 dB ER，超過50 GHz帶寬和1.5 dB插損。該設(shè)計(jì)將MRR的高調(diào)諧效率和波長(zhǎng)選擇性與MZIs寬帶和穩(wěn)定性相結(jié)合，定位為高性能、多維交換網(wǎng)絡(luò)的解決方案，大大簡(jiǎn)化控制電路和封裝。

該開關(guān)共有192個(gè)MRR和12個(gè)移相器，全部由16位高分辨率DAC控制。所有端口IL約為10 dB，差異接近2 dB，串?dāng)_范圍在?36 dB到?49.0 dB之間。

下圖顯示8個(gè)波長(zhǎng)通道調(diào)諧到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)該路徑的透射光譜，ER均大于30 dB，所有通道的實(shí)測(cè)帶寬均超過60 GHz。

3、偏振和波長(zhǎng)選擇性光開關(guān)：

傳統(tǒng)硅光光開關(guān)只容納單一偏振，且用于光互連的光子集成器件被設(shè)計(jì)在TE模式下工作，在偏振無關(guān)光纖系統(tǒng)中存在限制。傳統(tǒng)一維光柵耦合器具有偏振依賴性，二維光柵耦合器可以將光纖任意偏振光轉(zhuǎn)換為TE模式，二維光柵耦合器的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)高耦合效率和緊湊面積。    港科（廣州）首次展示一種緊湊高效的二維光柵耦合器，采用193nm DUV光刻技術(shù)，衍射光柵是在硅和多晶硅（poly-Si）上淺蝕刻孔的雙層結(jié)構(gòu)，頂視圖和截面視圖如圖所示。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化光柵強(qiáng)度，增強(qiáng)與單模光纖中的場(chǎng)分布重疊，采用遺傳算法和二維時(shí)域有限差分模擬優(yōu)化。160nm多晶硅在70nm蝕刻孔上，納米孔直徑為325 nm，多晶硅直徑（dteeth）為300 nm，周期為536 nm。

采用imec提供的ISIPP50G平臺(tái)制作雙層二維光柵耦合器和拋物面SSC，面積僅為55 × 37μm2。對(duì)于x偏振，在1535 nm處實(shí)現(xiàn)-2.54 dB峰值耦合效率，帶寬為23.4 nm。y偏振在1531 nm處的峰值耦合效率為-2.7 dB。拋物型SSC的插入損耗在1550 nm波長(zhǎng)為0.3 dB，在1500-1600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持在0.4 dB以下。所提出的二維光柵耦合器在220 nm SOI平臺(tái)上以180 nm的最小特征尺寸實(shí)現(xiàn)最佳的實(shí)驗(yàn)峰值耦合效率。

其展示一個(gè)基于硅光平臺(tái)的偏振和波長(zhǎng)選擇開關(guān)（PWSS），成功從光纖中解復(fù)用8個(gè)通道，包括4個(gè)波長(zhǎng)和兩個(gè)正交偏振，進(jìn)行不同光I/O的切換操作，實(shí)現(xiàn)完全可重構(gòu)的超緊湊WDM系統(tǒng)。

    利用上述的高效且垂直耦合的二維光柵耦合器作為光纖和光芯片之間的光學(xué)I/O接口，具有較小的偏振相關(guān)損耗，將任意偏振光解耦為兩個(gè)TE模式，利用MZl實(shí)現(xiàn)片上偏振控制。

    在級(jí)聯(lián)雙微環(huán)諧振器陣列中進(jìn)行波長(zhǎng)控制，雙環(huán)MRR提供平頂通帶，以應(yīng)對(duì)制造和溫度變化。在可調(diào)波長(zhǎng)選擇性開關(guān)之后，通過波導(dǎo)路由和交叉連接到兩個(gè)光學(xué)接口，如圖所示。架構(gòu)創(chuàng)新在于擴(kuò)展性，允許級(jí)聯(lián)額外MRR而不增加交叉數(shù)量，顯著降低電路復(fù)雜性，減少額外插損以及串?dāng)_。

 PWSS總共包含三個(gè)光學(xué)I/O，八個(gè)MRR，一個(gè)MZI。二維光柵耦合器在Ex和Ey下的耦合效率峰值為-2.54 dB。MRR自由光譜范圍為18.7 nm,帶寬約為1.3 nm。對(duì)于來自光纖的任何PDM和WDM信號(hào)，MZI可以通過調(diào)節(jié)加熱器1和加熱器2上的電壓來實(shí)現(xiàn)偏振通道的解復(fù)用和切換。

通過對(duì)每個(gè)通道的MRR施加電壓，每個(gè)波長(zhǎng)通道可以在每個(gè)MRR陣列的兩個(gè)輸出之間獨(dú)立切換，連接到端口1或端口2。當(dāng)光從光纖輸入時(shí)，每個(gè)通道的端口1和端口2的開關(guān)輸出可以獨(dú)立選擇。下圖顯示8個(gè)不同通道的硅片光開關(guān)串?dāng)_矩陣，四個(gè)波長(zhǎng)為1544.7 nm，1546.2nm,1547.8 nm和15549.3 nm，最大串?dāng)_保持在-16 dB以下。

4、基于PI-SOA光開關(guān)：

    Eindhoven展示基于SOA單片集成高密度8x8 PI開關(guān)，如圖所示。主要特點(diǎn)是，縮小尺寸SOA陣列間距為60μm,實(shí)現(xiàn)偏振不敏感光開關(guān)。

    每個(gè)輸入端口的信號(hào)通過1xN廣播、選定光開關(guān)（MCS）和無源合并器到所有輸出端口。1xN MCS由SOA前方、級(jí)聯(lián)MMI分離器和SOA后放組成。為實(shí)現(xiàn)PI SOA基于一個(gè)對(duì)稱Q1.25的非應(yīng)變InGaAsP層，每條路徑都包含一個(gè)PI SOA，可以傳輸或關(guān)閉光信號(hào)。

OA增益譜3dB帶寬約為68 nm (峰值約為1540 nm)，可以覆蓋整個(gè)c波段。其中交叉波導(dǎo)損耗0.25 dB，6個(gè)MMI每個(gè)損耗4dB，各種波導(dǎo)類型轉(zhuǎn)換以及butt-joint每個(gè)損耗0.1~0.2dB。

    下圖給出I1→O5和I6→O7路徑在SOA電流為80 mA和不同輸入功率下的增益和偏振相關(guān)增益（PDG）譜。當(dāng)輸入功率為3.5 dBm時(shí)，I1→O5路徑提供25db增益和PDG < 1.8 dB，當(dāng)輸入功率為7.5 dBm時(shí)，增益飽和降至22.5 dB， PDG降至1.5 dB。

光開關(guān)的另一個(gè)重要的性能指標(biāo)是開關(guān)比，整個(gè)c波段達(dá)到60dB，信噪比為47db。對(duì)于30 Gbps的傳輸，當(dāng)SOA都在100mA時(shí)，在BER為10-9時(shí)功率代價(jià)小于0.2 dB。例如，對(duì)于10Gbps的傳輸，測(cè)量的損失可以忽略不計(jì)。

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