[发明专利]一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关

说明书

本发明公开了一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关，具有工作带宽较宽、结构紧凑、功耗低的特点；通过级联多个微盘谐振器，分别调整每个微盘谐振器的谐振波长，使微盘谐振器的谐振波长相互靠近合并，从而有效地提升了频谱响应带宽，提高了光开关的工作带宽。通过调节与两干涉臂耦合的微盘谐振器的折射率，使得通过两干涉臂传输的光信号相位差为π，实现光开关的直通态；通过两干涉臂传输的光信号相位差为0，实现光开关的交叉态；相比于马赫曾德尔或者微环谐振器构成的光开关，微盘谐振器由于只有一个外侧面具有尺寸更小的显著优势，能够显著降低光开关的功耗并且结构更加紧凑。

技术领域

本发明属于集成光电子器件技术领域，具体涉及一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关。

背景技术

随着大数据、云计算、物联网、5G等信息业务的快速发展，传统的电子交换技术已经无法满足网络带宽发展的需求。基于光学技术实现光域内信息交互，即光交换技术，具有高速、宽带、低功耗的优点，是实现未来大容量数据交换全光网络的关键技术。作为光交换技术的核心器件，光开关实现光信号快速切换。目前，基于分立器件实现的光开关在插损、体积、功耗和可靠性等方面存在问题，不具备实际应用的前景，特别是不能满足大规模光开关阵列的技术需求。随着现代集成光子技术的蓬勃发展，通过利用高精密光子集成工艺实现光开关芯片，能够显著降低开关的体积、功率消耗和制备成本。而且，作为光开关阵列中的基本功能单元，光开关的性能指标，包括工作带宽、功率消耗和尺寸大小等，直接决定着整个开关阵列的性能。因此，研制一种大宽带、低功耗、结构紧凑的光开关单元具有重要的意义。

近些年来，国内外研究团队对光开关的结构与性能进行了深入的研究。IBM公司Joris Van Campenhout等人于2009年在OPTICS EXPRESS(Vol.17,No.26)上发表论文“Low-power,2×2silicon electro-optic switch with 110-nm bandwidth for broadbandreconfigurable optical networks”，提出了一种采用两个超宽带3dB定向耦合器的马赫曾德尔光开关，使得光谱的带宽110nm,功耗约为3mW,器件尺寸为50×400²(0.02²),串扰小于-17dB。日本国立产业技术综合研究所光子网络研究中心Yuya Shoji等人于2010年在OPTICS EXPRESS(Vol.17,No.9)上发表论文“Low-crosstalk 2×2thermo-optic switchwith silicon wire waveguides”，提出一种基于2×2马赫曾德尔干涉仪阵列的光开关，通过这种级联四个开关单元的方法在光谱带宽100nm的范围内实现了光开关直通态串扰低于-30dB与交叉态串扰低于-16dB，其中每个马赫曾德尔开关单元的尺寸为200×200²,整个器件的总长度为700μm,器件的总功耗为160mW。康奈尔大学的Nicolás Sherwood-Droz等人于2008年在OPTICS EXPRESS(Vol.16,No.20)上发表论文“Optical 4x4 hitless siliconrouter for optical Networks-on-Chip(NoC)”，提出一种用于片上光网络的无阻塞4×4路由器，器件一共包含8个微环谐振器，每个开关单元由微环与两条垂直的波导耦合组成，可以实现各端口数据同时收发，器件的尺寸为0.07²,3dB工作带宽为38GHz。在功耗低于2mW时，消光比为17dB；功耗为6.5mW时，消光比高于21dB。康奈尔大学的Andrew W.Poon等人于2009年在Proceedings of IEEE(Vol.97,No.7)上发表文章“Cascaded Microresonator-Based Matrix Switch for Silicon On-Chip Optical Interconnection”，提出一种由方形微环与两个垂直波导组成的开关单元，其工作带宽为0.45nm，功耗为0.61mW。