涂鑫 陳震旻 付紅巖

(清華大學(xué),清華-伯克利深圳學(xué)院,深圳 518055)

1 引 言

近年來,互聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)容量每年以50%—60%的速度迅速增長,人們對帶寬的需求越來越大.運營商在電信長途骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)建設(shè)中遇到了電交換的瓶頸：電交換設(shè)備單機容量達(dá)到上限；5G網(wǎng)絡(luò)的回傳時延指標(biāo)對交換節(jié)點的性能提出了更嚴(yán)格的要求；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電交換設(shè)備功耗高達(dá)萬瓦,耗電量接近了許可極限,耗電量的80%源自光電/電光轉(zhuǎn)換和電交換開關(guān).因此光交換技術(shù)的優(yōu)勢日益凸顯,基于波長選擇開關(guān)(wavelengthselective switch,WSS)和自由空間微電子機械系統(tǒng)(micro-electromechanical system,MEMS)的光開關(guān)技術(shù)已被部署用于關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可重構(gòu)光分插復(fù)用(reconfigurable optical add-drop multiplexer,ROADM)設(shè)備中,實現(xiàn)了波長和端口通道毫秒量級的數(shù)據(jù)鏈路切換時間[1-3].

在短距數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中,經(jīng)常需要根據(jù)動態(tài)需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu).目前,數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的重配置主要是由高速電交換開關(guān)來完成：輸入光信號被轉(zhuǎn)換成電信號,在電域完成交換之后再被轉(zhuǎn)換回光信號輸出.盡管電學(xué)信號的放大、整形和同步技術(shù)成熟,但是光/電/光(O/E/O)轉(zhuǎn)換通常需要光收發(fā)器,即用于光/電轉(zhuǎn)換的接收機和用于電/光轉(zhuǎn)換的發(fā)射機,這給交換系統(tǒng)帶來極大的轉(zhuǎn)換功耗.同時,由于電交換與光波分復(fù)用技術(shù)(wavelength division multiplexing,WDM)不兼容,每條光鏈路都要通過復(fù)用器、解復(fù)用器以及多路O/E/O的轉(zhuǎn)換,這就增加了交換節(jié)點的數(shù)據(jù)鏈路重構(gòu)的復(fù)雜性和硬件成本.光交換與電交換相比,無需進(jìn)行O/E/O轉(zhuǎn)換,且對數(shù)據(jù)比特率、信號格式和協(xié)議是透明的,具有更低的功耗和硬件成本優(yōu)勢.雖然光開關(guān)的速度(從納秒到毫秒取決于不同技術(shù)方案)仍然比電開關(guān)的速度慢(亞納秒),但是它可以處理通信中緩慢變化的數(shù)據(jù)部分(例如數(shù)據(jù)流和長分組數(shù)據(jù)包),同時指定電交換來處理通信中的突發(fā)數(shù)據(jù)部分(例如短分組數(shù)據(jù)包),并各自發(fā)揮自身優(yōu)勢,有望成為未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)最具潛力的交換技術(shù)[4].

此外,隨著云計算的出現(xiàn)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及人工智能的興起,具有高帶寬和大數(shù)據(jù)傳輸容量的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)將廣泛地用于高性能的數(shù)據(jù)密集型計算中,服務(wù)于健康信息學(xué)、網(wǎng)絡(luò)安全、市場營銷、金融和國防等領(lǐng)域[5].這類應(yīng)用場景要求開關(guān)芯片可實時處理大量具有隨機性和探索性的數(shù)據(jù),實現(xiàn)對頻繁的短消息納秒量級的快速交換.然而在過去二十年內(nèi),集成電路芯片中的帶寬快速增長受到了管腳密度和金屬引線等電子瓶頸.芯片功耗正以每三年翻倍的速率增長,并持續(xù)趨近電子器件的功耗所能夠承受的溫度極限,大部分能耗集中在主板的電信號傳輸線和O/E/O轉(zhuǎn)換過程.因此,采用新的微處理器架構(gòu)和光交換技術(shù)有望顯著改善片上互連的帶寬和時延特性.未來百億億次浮點運算要求功耗降低到pJ/b量級,成本控制在￠/Gb/s量級[6],采用傳統(tǒng)的電信號交換技術(shù)將無法滿足,光信號交換將為解決該通信需求提供新的途徑與方案.

由此可見,無論是數(shù)千公里的電信網(wǎng)絡(luò)交換還是幾厘米的計算機核間并行計算,都需要光開關(guān)技術(shù)來實現(xiàn)特定數(shù)據(jù)流配置的業(yè)務(wù)模式.近些年幾種典型的光開關(guān)被廣泛地研究,包括MEMS[7]、硅上液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)[8]、鈮酸鋰波導(dǎo)[9]、III-V族半導(dǎo)體光放大器[10]、馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)[11]和微環(huán)諧振器(micro-ring resonator,MRR)[12].與鈮酸鋰、III-V族平面波導(dǎo)回路芯片和MEMS平臺相比,基于絕緣襯底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)平臺的硅基光電集成芯片具有以下優(yōu)勢：1)體積只有傳統(tǒng)二氧化硅器件的1/1000,器件密度高；2)能夠與III-V族有源光器件和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)電路實現(xiàn)單片集成；3)加工工藝與先進(jìn)微電子技術(shù)共享成熟的CMOS技術(shù)制造平臺,波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度可控制在納米量級以內(nèi)；4)可以采用12英寸SOI晶圓量產(chǎn),器件成本可降低到IIIV族器件的1/3以下[13]；5)熱光效應(yīng)和等離子體色散等非線性效應(yīng)強,驅(qū)動功耗低；6)硅材料在通信波段透明且響應(yīng)速率快,極高帶寬、超快傳輸與調(diào)制速率；7)與電子器件相比,硅光器件采用近紅外光信號傳輸數(shù)據(jù),不受電磁波干擾,具有高抗干擾性和高可靠性.此外,與傳統(tǒng)的基于單一工藝和單一材料的光學(xué)器件相比,硅基光電集成芯片的材料與工藝的多元化特點決定了它的豐富功能,不僅實現(xiàn)了光開關(guān)集成回路(包括波導(dǎo)、相移器、探測器和模斑耦合器等),還實現(xiàn)了電子集成回路(晶體管和電容、放大電路等),從而節(jié)約了單個元器件的封裝成本.

本文首先回顧近年來硅基光波導(dǎo)開關(guān)的發(fā)展現(xiàn)狀,對不同原理和結(jié)構(gòu)的硅基光波導(dǎo)開關(guān)的特點進(jìn)行分析和總結(jié),包括MZI型、MRR型和MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型.隨后介紹自己最新的研究成果,分析影響開關(guān)矩陣性能的關(guān)鍵技術(shù).最后,對硅基光波導(dǎo)開關(guān)技術(shù)研究的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行分析,并提出了硅基光波導(dǎo)開關(guān)技術(shù)未來的潛在研究方向.

2 硅基光波導(dǎo)開關(guān)引擎

2.1 MZI型

MZI型光開關(guān)單元是最簡單的大寬帶干涉型開關(guān)引擎.由于其不受信道間隔和網(wǎng)格配置的限制,非常適用于WDM系統(tǒng)中的多波長復(fù)用光鏈路的空間端口切換場景.典型的MZI型2×2光開關(guān)單元如圖1(a)所示,由兩個50：50的分束器和兩個長度相同的波導(dǎo)組成,并在其中一臂上制作電極,利用硅的熱光效應(yīng)或者注入載流子產(chǎn)生的等離子色散效應(yīng),改變一臂的波導(dǎo)折射率,形成相移器.當(dāng)兩臂光信號的相位差達(dá)到0或 π,輸出端口的光信號發(fā)生相干相長或相干相消,實現(xiàn)光信號切換.熱光波導(dǎo)開關(guān)可以實現(xiàn)亞微秒至毫秒量級的端口切換,適用于大型數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)(Data Center Interconnection,DCI).由于硅在室溫下具有較高的熱光系數(shù)=1.86×10ˉ4/K[14],因此硅波導(dǎo)熱光開關(guān)比二氧化硅熱光開關(guān)具有更高的效率.熱光相移器的相移 Δφ可以表示為

圖1 (a)MZI型2×2光開關(guān)單元結(jié)構(gòu)示意圖.硅基波導(dǎo)開關(guān)相移器的橫截面圖(b)金屬薄膜熱電極熱光相移器；(c)摻雜波導(dǎo)熱光相移器；(d)空氣隔離層的熱光相移器；(e)注入載流子型電光相移器Fig.1.(a)Schematic of 2×2 MZI switch cell.Cross-sections of waveguide phase shifters：(b)Thermo-optic phase shifter using a metal heater；(c)thermo-optic phase shifter using a doped resistive heater；(d)suspended thermo-optic phase shifter using a metal heater (e)carrier injection phase shifter.

其中λ是波長,ΔT是相移器上熱調(diào)諧的溫度改變量,L是相移器的長度.熱電極通常有兩種結(jié)構(gòu)[15],一種是位于硅波導(dǎo)上方的金屬薄膜熱電極(TiN,Pt,W等),如圖1(b)所示.注入的電流產(chǎn)生的焦耳熱通過波導(dǎo)的包覆層二氧化硅傳遞給硅波導(dǎo),并改變其溫度和折射率.這種金屬薄膜熱電極的熱效率受到包覆層熱導(dǎo)率和熱電極與波導(dǎo)的間距的限制,開關(guān)功耗通常在毫瓦量級.另一種是在脊型波導(dǎo)的中心進(jìn)行輕摻雜,兩側(cè)部分刻蝕平臺區(qū)重?fù)诫s,形成歐姆接觸電阻,如圖1(c)所示.這種熱電極,由于直接與硅波導(dǎo)的光信號模場中心重合,具備更快的時間響應(yīng)特性和更高的熱效率,但摻雜材料對光信號會產(chǎn)生吸收,因此損耗更高.由于硅光集成芯片能耗大部分來自于熱光相移器,降低熱調(diào)諧功耗能夠提升器件密度,一種有效的手段是在熱電極附近通過各向同性硅刻蝕工藝引入空氣隔離槽,如圖1(d)所示,使加熱的波導(dǎo)臂懸空,降低硅波導(dǎo)向四周的熱耗散.然而,空氣隔離槽提升加熱效率的同時延長了熱光相移器的時間響應(yīng)常數(shù).因此需要器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,獲得開關(guān)時間與功耗之間的平衡.與熱光波導(dǎo)開關(guān)不同的是,電光型波導(dǎo)開關(guān)可以實現(xiàn)納秒量級的端口切換,適用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)絡(luò)(Data Center Network,DCN)交換和微處理器片上的互連.注入載流子型相移器是正向偏置的PIN結(jié)二極管,如圖1(e)所示.根據(jù)等離子色散效應(yīng)[16,17],硅的折射率變化可以寫成

其中 ΔN和 ΔP是電子和空穴的載流子濃度變化量.同時,載流子濃度的改變也影響硅的吸收系數(shù),即

其中 Δα是系數(shù)的改變量,由(2)式和(3)式可以看出,當(dāng) ΔN和 ΔP增大(即正向偏置)時硅波導(dǎo)的折射率會降低,同時注入的載流子引起吸收系數(shù)的增大,導(dǎo)致光功率的損耗變大,從而MZI的兩臂光信號損耗不相同,引起串?dāng)_的惡化.另一方面,由于硅的熱光效應(yīng),正向偏置產(chǎn)生的熱效應(yīng)會增加硅波導(dǎo)的折射率,與注入載流子引起的折射率變化趨勢相反,因此降低調(diào)制效率.為了改善此問題,人們提出采用推拉的雙臂驅(qū)動設(shè)計[18,19]：即將兩臂的初始相位差設(shè)置成 π/2,在兩臂上分別通過注入載流子的方式產(chǎn)生附加的 ±π/2 的相位差,從而實現(xiàn)光信號端口切換所需的0或 π 的相位差.與傳統(tǒng)的單臂驅(qū)動設(shè)計相比,雙臂驅(qū)動的兩臂上施加的驅(qū)動電流更小,引入的損耗和串?dāng)_更低.此外,PIN結(jié)二極管還常與熱光相移器集成,用于補償工藝容差帶來的相位差,而不引入額外的損耗.

表1中列舉了典型的MZI光開關(guān)研究現(xiàn)狀.為了降低功耗,Fang等[20]采用隔離槽技術(shù)使得熱光開關(guān)的功耗分別降低至0.5 mW,開關(guān)速度達(dá)到0.3 ms；Dong等[21]采用4 mm長的螺旋波導(dǎo)相移器有效降低了偏置電流,注入載流子開關(guān)功耗僅0.6 mW；Lu等[22]采用折疊波導(dǎo)相移器增加了熱電極與波導(dǎo)的接觸長度,熱光開關(guān)功率低值50 μW.為了擴大光學(xué)帶寬,Watts等[23]和Chen等[24]分別提出絕熱耦合器和彎曲耦合器,使光學(xué)帶寬超過100 nm.為了降低串?dāng)_,Suzuki等[25]提出采用可調(diào)諧3 dB耦合器去動態(tài)彌補另一個3 dB耦合器的加工誤差,從而獲得—50 dB的超低串?dāng)_；Dupuis等[26]報道了一種一臂內(nèi)嵌MZI相移器,另一臂集成可調(diào)衰減器的光開關(guān),這種結(jié)構(gòu)通過內(nèi)嵌MZI和可調(diào)衰減器的損耗平衡,在保持兩臂損耗相同的前提下實現(xiàn)相位從0到 π 的調(diào)諧,從而實現(xiàn)了—34.5 dB的串?dāng)_.在我們最新的工作中[26],在IME的220 nm×500 nm SOI硅波導(dǎo)的平臺上,采用標(biāo)準(zhǔn)的TiN熱電極相移器,通過對多次折疊波導(dǎo)和空氣隔離槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,實現(xiàn)了兩種情況下的熱光硅波導(dǎo)開關(guān)單元：1)引入空氣隔離槽層：開關(guān)時間1.34 ms,開關(guān)功耗0.5 mW；2)無空氣隔離槽層：開關(guān)時間70 μs,開關(guān)功耗10 mW.

2.2 MRR型

與MZI型光開關(guān)不同,MRR型光開關(guān)單元是具有波長選擇性的諧振型開關(guān)引擎[28],其諧振波長與諧振腔的尺寸關(guān)系如下：

其中R是諧振器半徑,neff是模式的有效折射率,m是模式的階數(shù),λ是諧振波長.由于諧振特性可以增強相位,它具有更低的功耗和更小的體積,受到大家的關(guān)注.典型的MRR型2×2光開關(guān)單元如圖2(a)所示,由輸入—直通波導(dǎo)、上載—下載波導(dǎo)和可調(diào)諧的微環(huán)組成.當(dāng)WDM系統(tǒng)中的信道間隔和網(wǎng)格配置與微環(huán)諧振器的自由光譜程相和諧振頻率適配時,波長交換可以通過熱光效應(yīng)或者等離子體色散的電光效應(yīng)調(diào)諧MRR的相移器進(jìn)行實現(xiàn).如圖2(b)所示,當(dāng)輸入光信號的波長λ2落入微環(huán)的諧振波長時,可以從下載端口輸出；同時非諧振光信號波長λ1和上載端口輸入的相同波長λ2’的光信號從直通端口輸出,實現(xiàn)波長交換.盡管微環(huán)諧振器型光開關(guān)功耗低、體積小,但是實際應(yīng)用中需要克服兩個主要技術(shù)障礙：第一,單個微環(huán)的濾波譜線呈現(xiàn)洛倫茲線性,限制了光信號帶寬和信道間串?dāng)_；第二,微環(huán)的諧振波長對芯片環(huán)境和加工誤差非常敏感,實時鎖定諧振波長,不受溫度和激光器波長漂移是實際應(yīng)用的關(guān)鍵保障.表2總結(jié)了近年來MRR型光開關(guān)單元的代表成果.為了增大帶寬,級聯(lián)微環(huán)的結(jié)構(gòu)常常用來整形濾波譜線,實現(xiàn)近似矩形的兩邊陡直中間平頂?shù)臑V波窗口[29-33]和寬帶無中斷的調(diào)諧[34].近期,Lu等[35]提出了一種MRR與MZI相結(jié)合的結(jié)構(gòu),上臂耦合的MRR工作在波長λ1,下臂耦合的MRR工作在波長λ2.當(dāng)調(diào)諧其中一個MRR的波長到(λ1+λ2)/2時,兩臂產(chǎn)生π的相位差,開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變.這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了MRR的共振增強和MZI的雙光束干涉原理,具有更小的功耗.常用的穩(wěn)定諧振波長方法包括被動型和主動型兩類.被動型采用負(fù)熱光系數(shù)的材料(例如聚合物[36,37],TiO2[38,39])與硅波導(dǎo)相結(jié)合,降低材料對環(huán)境溫度的熱敏感性.主動型則是將硅基波導(dǎo)上各種形式的光探測器與反饋算法相結(jié)合,實施調(diào)節(jié)微環(huán)的諧振波長以確保開關(guān)輸出光強最大[40,41].隨著片上光系統(tǒng)的擴容和模分復(fù)用的廣泛研究,基于MRR的模式光開關(guān)技術(shù)也被提出,采用多模波導(dǎo)和模式轉(zhuǎn)換實現(xiàn)不同階數(shù)的模式之間的交換,進(jìn)一步增加了片上光交換系統(tǒng)的容量[42-44].

表1 業(yè)界MZI型硅基波導(dǎo)光開關(guān)的代表成果Table 1.Comparison table of MZI optical waveguide switch cells.

圖2 (a)MZI型光開關(guān)單元結(jié)構(gòu)圖示意圖；(b)波長開關(guān)路徑Fig.2.(a)Schematic of a MRR switch cell；(b)switching paths.

2.3 MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型

無論是MZI型還是MRR型光開關(guān),都是基于光波導(dǎo)中光強的干涉與諧振原理實現(xiàn)信號傳播路徑改變,因此相位對工藝容差和環(huán)境的敏感性限制了單級開關(guān)的串?dāng)_和損耗,從而影響開關(guān)矩陣的規(guī)模.近期,一類新型的基于硅光子平臺的靜電MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型光開關(guān)被廣泛研究,相關(guān)代表成果如表3所示.Seok等[45]提出的在雙層硅光子平臺中的垂直波導(dǎo)絕熱耦合器,通過靜電調(diào)節(jié)兩層波導(dǎo)形成的平行平板驅(qū)動器之間的垂直間隙來切換光信號.由于光信號總是在底層波導(dǎo)中傳播,除非需要切換到其他路徑,因此光信號重定向的功能與光開關(guān)節(jié)點處的直通傳輸?shù)墓δ芙怦?損耗和串?dāng)_不會在交換結(jié)構(gòu)中積累.此外,上層波導(dǎo)和底層之間添加的止動部件實現(xiàn)了數(shù)字型驅(qū)動,簡化了控制并實現(xiàn)了相當(dāng)?shù)偷墓鈱W(xué)串?dāng)_.該器件在42 V的驅(qū)動電壓下具有0.91 μs的切換時間和超過300 nm的帶寬和—60dB的串?dāng)_.Abe等[46]和Takahashi等[47]采用水平梳齒驅(qū)動器實現(xiàn)了驅(qū)動電壓更低、微秒量級切換速度的可動方向耦合器[46]與微環(huán)諧振器[47],是一種新型低串?dāng)_的波長選擇性光開關(guān).近期,Briere等[48]在硅基旋轉(zhuǎn)型梳齒驅(qū)動器平臺上集成低傳輸損耗的氮化硅波導(dǎo),通過端面耦合實現(xiàn)了低于—40 dB串?dāng)_的1×N光開關(guān).由于該器件采用端面對接耦合,具有超寬帶的特性.然而缺點是由于可移動部件的質(zhì)量很大,響應(yīng)時間較慢(約300 μs),而且驅(qū)動電壓高達(dá)約118 V.

表2 業(yè)界MRR型開關(guān)的代表成果Table 2.Comparison table of MRR optical waveguide switch cells.

表3 業(yè)界MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型開關(guān)的代表成果Table 3.Comparison table of MEMS optical waveguide switch cells.

3 硅基光波導(dǎo)開關(guān)矩陣

在過去的幾年中,硅基光電子集成技術(shù)得到了迅猛發(fā)展.隨著CMOS工藝和晶圓技術(shù)的不斷提升,在一塊芯片上類似于電子集成電路那樣單片集成數(shù)千個光子器件單元的愿景逐漸變成現(xiàn)實.不少研究機構(gòu)和電信設(shè)備公司在硅基光電子集成平臺上對大規(guī)模的硅基波導(dǎo)光開關(guān)矩陣進(jìn)行了廣泛的實用化研究.本節(jié)總結(jié)了業(yè)界大規(guī)模硅基光波導(dǎo)開關(guān)矩陣的代表成果,主要是基于上述三種光開關(guān)引擎的擴展應(yīng)用.

3.1 MZI型開關(guān)矩陣

2011年至2015年期間,兩種基于MZI技術(shù)的8×8硅波導(dǎo)光開關(guān)被Nakamura等[49,50]提出.它們作為轉(zhuǎn)發(fā)聚合器(transponder aggregator)中的波長上傳/下載開關(guān)矩陣,在城域網(wǎng)ROADM交換節(jié)點中具有無色、無方向和無沖突(colorless,directionless,contentionless,CDC)的功能.兩種開關(guān)矩陣均采用1.5 μm厚的脊型硅波導(dǎo)層的SOI平臺,通過熱光調(diào)諧不僅實現(xiàn)了微秒級切換速度且偏振無關(guān)的開關(guān)特性,還使芯片與光纖之間的耦合變得更簡單.2012年,Chen和Chen[51]報道了一種基于MZI的8×8硅波導(dǎo)光開關(guān),這是首次在220 nm薄硅波導(dǎo)層SOI平臺上實現(xiàn)的光開關(guān)矩陣,驗證了高密度的光開關(guān)單元、交叉波導(dǎo)和脊型波導(dǎo)轉(zhuǎn)化器等無源器件的集成.開關(guān)矩陣總面積為8 mm×8 mm,采用空氣隔離槽提高熱光相移器調(diào)諧效率,整塊芯片的驅(qū)動功耗只有0.07 W,同時通過switch-&-select拓?fù)浼軜?gòu)實現(xiàn)了片上最低損耗為4 dB,任意兩個端口之間的串?dāng)_低于—30 dB.2014年,Dupuis等[52]和Lee等[53]分別報道了基于MZI型的4×4[52]和8×8[53]電光開關(guān)矩陣與數(shù)字型CMOS邏輯驅(qū)動電路的集成方案.這是第一個在90 nm硅光子集成工藝平臺上實現(xiàn)光子芯片與CMOS邏輯驅(qū)動芯片單片集成的成果報道.驅(qū)動芯片包括標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元,形成串行—并行接口,用于尋址連接到基于逆變器的驅(qū)動器的每個開關(guān)單元,并直接驅(qū)動開關(guān)電極.光子芯片包括電光相移器、熱光補償器和交叉波導(dǎo)等無源器件.8×8芯片總面積為0.675 mm2,開關(guān)時間為5 ns,總驅(qū)動功率小于50 mW.2015年,32×32的熱光硅基波導(dǎo)光開關(guān)矩陣被Tanizawa等[54]第一次報道.此開關(guān)芯片是在45 nm CMOS工藝線上采用12寸SOI晶圓完成加工,芯片之間保持良好的一致性.開關(guān)矩陣總共包含1024個開關(guān)單元和961個方向耦合器型波導(dǎo)交叉,各條光路損耗具有良好的一致性.通過LGA轉(zhuǎn)接板實現(xiàn)倒裝焊電封裝,芯片的總面積僅為11 mm×25 mm,是傳統(tǒng)32×32 PLC芯片的1/46.芯片通過FPGA控制熱光相移器,采用脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動方式,開關(guān)時間為30 μs.2016年,Lu等[55]報道了MZI型16×16 Benes架構(gòu)的電光開關(guān),可以通過熱光調(diào)諧補償工藝容差和環(huán)境變化帶來的相位差.隨后,目前業(yè)界端口數(shù)最多的MZI型32×32的電光開關(guān)矩陣[56]和64×64的熱光開關(guān)矩陣芯片[57]被Qiao等報道.他們通過優(yōu)化算法,在矩陣的中間級設(shè)置數(shù)目盡可能少的片上光電監(jiān)控器,用于優(yōu)化開關(guān)路徑和驅(qū)動狀態(tài),并在電光開關(guān)中采用推拉的雙臂驅(qū)動設(shè)計來將片上損耗降低到18.5 dB,串?dāng)_為—15 dB.

近期,我們報道了基于優(yōu)化的Hybrid Dilated Benes拓?fù)浼軜?gòu)的32×32熱光開關(guān)[58].采用這種獨創(chuàng)的新型拓?fù)浼軜?gòu),相同規(guī)模的光開關(guān)矩陣所需開光單元更少并獲得更低的串?dāng)_.光開關(guān)芯片采用IME的8英寸晶圓工藝平臺進(jìn)行加工,總面積為12 mm×12 mm,包含 448個熱光開關(guān)單元,1856個波導(dǎo)交叉,864個片上光電二極管監(jiān)視器和68個模斑轉(zhuǎn)換器.熱光相移器和光電二極管通過FPGA和模數(shù)轉(zhuǎn)換DAC驅(qū)動控制,用于開關(guān)單元的自動初始化和驅(qū)動電流的實時校準(zhǔn),以此保持最低的串?dāng)_.芯片的電學(xué)封裝采用金屬引線鍵合方式實現(xiàn)1560個焊盤與CBGA陶瓷基座的連接,并且通過CuW襯底和TEC進(jìn)行散熱控制；光學(xué)封裝采用68芯保偏光纖,通過PLC連接器與硅光子芯片對接耦合,耦合損耗小于3.2 dB.開關(guān)矩陣中最短光路的片上損耗為13 dB,99%的端口之間串?dāng)_低于 —20 dB,采用隔離槽技術(shù)開關(guān)時間為1.4 ms,總功耗小于1 W.同時,我們還實現(xiàn)了支持雙偏振光信號的16×16熱光開關(guān)[59],用于400 Gb/s PDM-16QAM光傳輸系統(tǒng)中上傳/下載波長信號.這是目前端口數(shù)最大的基于偏振分集技術(shù)的雙偏硅基波導(dǎo)光開關(guān),整個芯片包括416個熱光開關(guān)單元,896個片上光電二極管監(jiān)視器,48個偏振旋轉(zhuǎn)分束器和48個模斑轉(zhuǎn)換器,總面積為12.5 mm×12.5 mm.直通信號的偏振相關(guān)損耗小于0.3 dB,差分群速度時延小于0.1 ps,上載信號的偏振相關(guān)損耗小于1.1 dB,差分群速度時延小于3 ps.

3.2 MRR型開關(guān)矩陣

2009年,首個5×5的微環(huán)諧振器型硅基波導(dǎo)光開關(guān)的設(shè)計方案被Poon等[31]提出.它基于cross-bar拓?fù)浼軜?gòu),其中單個微環(huán)半徑為20 μm,矩陣的總面積僅為0.1 mm×0.1 mm,與相同規(guī)模的MZI開關(guān)矩陣相比降低約2個數(shù)量級.微環(huán)集成了PIN二極管電光相移器,采用載流子注入驅(qū)動,開關(guān)時間達(dá)到1.3 ns,信道間串?dāng)_低至—11 dB.由于光開關(guān)中采用多模干涉交叉器件替代傳統(tǒng)的平面交叉,因此具有更低的損耗和串?dāng)_,可以用于單波長或者符合微環(huán)諧振器自由光譜程的WDM系統(tǒng)的波長路由.2014年,DasMahapatra等[33]報道了基于高階耦合微環(huán)單元的熱光8×7微環(huán)諧振器型光開關(guān).每個開關(guān)單元采用五階級聯(lián)的微環(huán)結(jié)構(gòu)和平面二維陣列式熱電極,將光學(xué)帶寬提升至100 GHz,自由光譜程為350 GHz.考慮到各條光路上的微環(huán)個數(shù)不同,路徑相關(guān)損耗在14.5—22 dB之間.光開關(guān)矩陣的性能和可擴展性受到損耗的限制.2015年,Yang等[60]實現(xiàn)了具有最少開關(guān)數(shù)的可重構(gòu)無阻塞四端口微環(huán)光路由器.這個4×4交換芯片僅包含四個微環(huán),在所有路由狀態(tài)下,信道間串?dāng)_低于—15 dB.近期,一種1×N/N×1空間波長(解)復(fù)用器與低損耗的光纖或2D平面交叉波導(dǎo)轉(zhuǎn)接板組裝的方式被Nikolova等[61]提出.基于switch-&-select拓?fù)浼軜?gòu),波長(解)復(fù)用器包含N個硅基微環(huán)諧振器和與之耦合的總線波導(dǎo),用于上傳/下載波長信號.這種設(shè)計的特點是每條光路僅包含兩個微環(huán)諧振器,并且只產(chǎn)生二階串?dāng)_.實驗結(jié)果表明,8×8的硅基微環(huán)光開關(guān)損耗為10 dB,串?dāng)_低至—39 dB.然而,對于未來更大端口的單片集成而言,平面交叉波導(dǎo)轉(zhuǎn)接板越來越復(fù)雜,因此可能限制其實際應(yīng)用前景.

3.3 MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型開關(guān)矩陣

上述MZI和MRR的開關(guān)矩陣中的光路都存在損耗和串?dāng)_的逐級積累的缺點.近年來一種基于MEMS驅(qū)動器與硅基波導(dǎo)耦合器相結(jié)合的新型光開關(guān)技術(shù)得到迅猛發(fā)展.采用2.3節(jié)中介紹的Seok等[45]提出的雙層硅光子平臺中的垂直波導(dǎo)絕熱耦合器,這種開關(guān)矩陣有效地利用了crossbar架構(gòu)的無源交叉網(wǎng)格傳輸光信號,解決了各級開關(guān)單元的損耗和串?dāng)_的逐級積累問題,從而提升了端口數(shù)的可擴展性能.2016年,規(guī)模為64×64的MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型光開關(guān)被率先報道[45].它包含4096個開關(guān)單元,片上最大傳輸損耗為3.7 dB,開關(guān)時間為0.91 μs,串?dāng)_低于—60 dB.最近,規(guī)模為128×128的MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型光開關(guān)被驗證[62],驅(qū)動電壓降至25 V.然而隨著端口數(shù)增加,這種高密度的電封裝越來越困難.對于N×N的開關(guān),采用行列尋址的方式驅(qū)動可以將驅(qū)動的電連接數(shù)降低為2N個,但開關(guān)時間會因為順序?qū)ぶ废鄳?yīng)增加[63].此外,采用倒裝焊的電封裝技術(shù)已在12×12的矩陣上驗證,通過氮化鋁的轉(zhuǎn)接板將芯片與PCB板連接起來[64,65].然而,目前尚未報道4096個單元的封裝方案,并且較高的驅(qū)動電壓仍然是實現(xiàn)片上CMOS邏輯電路集成的主要瓶頸.規(guī)模為50×50的偏振無關(guān)的MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型光開關(guān)也得到初步研究[66],它采用三維立體的交叉波導(dǎo)網(wǎng)格和同時適用于TE和TM模式的絕熱耦合器,無需偏振分束和旋轉(zhuǎn)器和兩套偏振分集系統(tǒng),其偏振相關(guān)損耗小于8.5 dB,偏振相關(guān)時延44 ps,與理論設(shè)計還存在一定差距,未來有希望通過改善工藝提升性能指標(biāo).

4 硅基光波導(dǎo)開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

MZI型的寬帶硅光子調(diào)制器已經(jīng)逐步實現(xiàn)商用化,而MRR型的波長相關(guān)性器件由于工藝容差和復(fù)雜的控制等因素一直活躍在研究領(lǐng)域,尚未大規(guī)模商用化部署.盡管硅光子波分復(fù)用與解復(fù)用器能夠適配粗波分復(fù)用(course wavelength division multiplexing,CWDM)系統(tǒng),但是用于靈活處理密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing,DWDM)的波長路由還是存在一定困難.因此,我們主要研究了MZI型的寬帶硅基波導(dǎo)開關(guān).基于近年來的研究成果,在這里總結(jié)拓?fù)浼軜?gòu)、無源器件和光電封裝等關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn).

4.1 拓?fù)浼軜?gòu)

開關(guān)矩陣的總體性能在很大程度上依賴于拓?fù)浼軜?gòu)的特點.對于同樣規(guī)模的端口數(shù),好的拓?fù)浼軜?gòu)具有以下特點：1)開關(guān)單元總數(shù)目少,即芯片面積??；2)開關(guān)級數(shù)低,即傳輸損耗低；3)串?dāng)_抑制能力強,即信號信噪比高.常用的緊湊型拓?fù)浼軜?gòu)包含Benes[56],Cross Bar[45],PILOSS[54]和switch-&-select[51]型.Benes型在開關(guān)級數(shù)上占有顯著優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用,但是其兩條光路共用一個開關(guān)單元的特點產(chǎn)生較高的串?dāng)_,限制了應(yīng)用場景；Cross Bar型控制簡單,但是開關(guān)級數(shù)巨大,不適合大規(guī)模擴展；PILOSS型的每一條鏈路的開關(guān)級數(shù)相同,因此天然地具備較低的路徑相關(guān)損耗,但是開關(guān)總數(shù)巨大,同樣不適合大規(guī)模擴展；Switch& Select型消除了一階串?dāng)_,其性能主要被波導(dǎo)交叉的二階串?dāng)_限制.考慮到硅基光波導(dǎo)開關(guān)矩陣可以集成半導(dǎo)體光放大器來補償片上光信號功率的損失,采用光信噪比代價(optical signal noise ratio penalty,OSNR penalty)來表征光開關(guān)矩陣的拓?fù)浼軜?gòu)性能.當(dāng)信號穿過開關(guān)矩陣時,逐級累積的串?dāng)_導(dǎo)致OSNR代價.在多波長交換場景(例如WDM系統(tǒng)中的RODAM節(jié)點)中,不同波長之間的串?dāng)_占主要因素.而在同波長交換場景(例如100GE的數(shù)據(jù)中心)中,同一個開關(guān)單元中具有相同波長的兩路光信號會因為開關(guān)單元的加工缺陷泄漏到彼此的光路中,產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_.針對這些問題,近期我們提出新的平面多級拓?fù)浼軜?gòu)Hybrid Dilated Benes[67],結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示.此矩陣采用1×2和2×1的開關(guān)單元分別作為入口級和出口級,并用Switch & Select拓?fù)浼軜?gòu)的2×2矩陣替換中間級.在此開關(guān)矩陣中,每個單元僅通過不超過一路的光信號,有效地抑制了多級矩陣中的一階串?dāng)_積累.圖3(b)是針對Hybrid Dilated Benes型開關(guān)矩陣,建立交換鏈路的優(yōu)化算法中開關(guān)單元的波長受限路由規(guī)則：同一個開關(guān)單元中不能同時導(dǎo)通兩路相同波長的光信號,否則在輸出端產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_.考慮到未來數(shù)據(jù)中心的交換網(wǎng)絡(luò)需要同步配置所有節(jié)點(即交換矩陣的各鏈路同時接受需要交換的光信號),而光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的鏈路建立是異步的(即任意業(yè)務(wù)在任意時刻加入到現(xiàn)有的交換網(wǎng)絡(luò)中),Qian等[67]進(jìn)一步通過VPIphotonics軟件進(jìn)行光交換系統(tǒng)仿真得到：對于未來數(shù)據(jù)中心同步光包交換的應(yīng)用場景,這種拓?fù)浼軜?gòu)對于串?dāng)_為—18 dB的典型開關(guān)單元具有零阻塞和0.2 dB的OSNR代價；對于光網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點的異步交換的應(yīng)用場景,這種拓?fù)浼軜?gòu)對于—24 dB的典型開關(guān)單元,采用優(yōu)化的路由算法可以獲得小于10—6的阻塞率.

圖3 (a)Hybrid Dilated Benes架構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[67]；(b)開關(guān)單元的波長受限路由規(guī)則Fig.3.(a)Topology of 16×16 Hybrid Dilated Benes[67]；(b)wavelength constrained routing rules of the switch cell.

圖4(a)和圖4(b)分別對比了上述幾種拓?fù)浼軜?gòu)的總開關(guān)單元數(shù)和開關(guān)級數(shù),間接反映了各種開關(guān)矩陣的面積尺寸和損耗.從圖中可以看出,當(dāng)端口數(shù)大于32時,Hybrid Dilated Benes架構(gòu)的開關(guān)總數(shù)和開關(guān)級數(shù)與其余四種拓?fù)浼軜?gòu)相比占據(jù)明顯優(yōu)勢,因此具有更好的擴展性.考慮到目前主流的硅光代工廠的一次性最大曝光面積約為24 mm×32 mm,假設(shè)其中20%的面積用于開關(guān)單元,40%的面積用于光電封裝,40%的面積用于波導(dǎo)連線,對于開關(guān)單元的尺寸為100 μm×700 μm的熱光開關(guān)單元可以實現(xiàn)128×128的最大開關(guān)規(guī)模.

4.2 無源器件

無源器件的設(shè)計和工藝直接決定光開關(guān)矩陣的損耗和帶寬,從而限制其最大端口數(shù).盡管多個研究小組采用片上集成的半導(dǎo)體光放大器(SOA)補償鏈路中的光損耗,但是由于自發(fā)輻射帶來的噪聲,它引入的信噪比惡化問題不可避免[68-70].片上光路的總損耗主要包括開關(guān)單元、交叉波導(dǎo)和各種連接波導(dǎo)的損耗三大部分.這里重點討論220 nm的SOI平臺上的C波段(1530—1565 nm)的無源器件的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn).MZI中的50：50分束器的附加損耗和兩個輸出端口的光功率失衡是開關(guān)單元的損耗和串?dāng)_受限的主要因素.目前我們報道的熱光開關(guān)單元損耗小于0.5 dB,其中多模干涉50：50分束器[71]的損耗為0.15 dB,兩個輸出端口光功率失衡小于0.3 dB,因此開關(guān)單元串?dāng)_低于—30 dB.交叉波導(dǎo)的性能不僅影響光路損耗,還限制著不同信道之間的串?dāng)_.近期兩種不同類型的交叉波導(dǎo)被報道：圖5(a)是基于一維高斯光束的三模式合成原理的平面多模干涉交叉波導(dǎo),通過多段多模波導(dǎo)的級聯(lián),優(yōu)化交叉區(qū)域的模式輪廓使損耗降至0.007 dB,串?dāng)_小于—40 dB[72]；圖5(b)是三層氮化硅-硅混合平臺上硅-氮化硅-硅立體橋式交叉波導(dǎo),采用前道工藝中的低壓化學(xué)氣相沉積法加工氮化硅層可以獲得小于0.003 dB的損耗和低于—56 dB的串?dāng)_,是未來大規(guī)模交叉矩陣中最具潛力的器件[73].矩陣的總線波導(dǎo)的損耗是開關(guān)端口擴展的另一主要限制,主要依賴于硅波導(dǎo)加工過程中產(chǎn)生的側(cè)壁的粗糙程度.我們在新加坡微電子所采用193 nm深紫外光刻工藝加工的0.5 μm寬的單模條形波導(dǎo)傳輸損耗為2.5 dB/cm,3 μm寬的多模脊型波導(dǎo)的傳輸損耗為0.5 dB/cm,因此矩陣中的開關(guān)單元之間的總線波導(dǎo)優(yōu)先采用3 μm寬的多模脊型波導(dǎo)降低片上總傳輸損耗[74].事實上,精度更高和一致性更好的工藝可以進(jìn)一步降低波導(dǎo)損耗,例如采用45 nm浸潤式光刻,在12英寸硅光子平臺上可以實現(xiàn)0.5 dB/cm傳輸損耗的單模條形波導(dǎo)[54],但是加工成本也更昂貴.圖5(c)是我們報道的單模條形波導(dǎo)與多模脊型波導(dǎo)的轉(zhuǎn)接波導(dǎo),它的輪廓為優(yōu)化的拉伸正弦曲線,長度為25 μm,損耗為0.029 dB.單模條形波導(dǎo)與單模脊型波導(dǎo)的轉(zhuǎn)接波導(dǎo)輪廓為優(yōu)化的凹橢圓型,在長度僅為10 μm的區(qū)域內(nèi)損耗為0.002 dB[74].圖4(d)是一種基于正弦—圓弧—正弦輪廓的半徑為5 μm的單模脊型彎曲波導(dǎo),通過優(yōu)化曲率漸變的彎曲波導(dǎo),可使損耗小于0.008 dB[75].

圖4 幾種不同拓?fù)浼軜?gòu)的開關(guān)矩陣的(a)總開關(guān)單元數(shù)和(b)開關(guān)級數(shù)Fig.4.Switch matrix of different topologies (a)total number of switch cells and (b)total number of matrix stages.

圖5 無源器件 (a)平面交叉波導(dǎo)[72]；(b)立體交叉波導(dǎo)[73]；(c)轉(zhuǎn)接波導(dǎo)[74]；(d)彎曲波導(dǎo)[75]Fig.5.Passive components：(a)In-plane waveguide crossing[72]；(b)3D waveguide crossing[73]；(c)transition waveguide[74]；(d)bend waveguide[75].

4.3 光電封裝

與硅基波導(dǎo)收發(fā)端器件不同,光開關(guān)芯片需要大規(guī)模高密度的光學(xué)耦合和電學(xué)封裝.近期我們報道了規(guī)模為32×32全功能光電封裝的硅基光波導(dǎo)開關(guān)芯片和系統(tǒng)樣機[58,76].具有大規(guī)模量產(chǎn)潛力、大端口數(shù)的光學(xué)封裝的光學(xué)耦合方案主要有：聚合物波導(dǎo)倏逝波耦合器[77],陣列光柵耦合器[78],SiO2-ZrO2波導(dǎo)高折射率差PLC連接器[79]以及離子擴散型PLC光纖間距轉(zhuǎn)換器[80].我們采用離子擴散型PLC光纖間距轉(zhuǎn)換器的扇出功能,將保偏光纖陣列中纖芯間距為127 μm的光纖與芯片上間距為20 μm的模斑轉(zhuǎn)換器進(jìn)行逐一端面耦合和固化.實驗表明,耦合損耗和連接器的傳輸損耗總共是1.1 dB,連接器與光開關(guān)芯片的模斑耦合器陣列的耦合損耗是1.2 dB,不同通道的對準(zhǔn)容差導(dǎo)致的誤差損耗為0.5 dB,最后經(jīng)過紫外固化引入0.4 dB的附加損耗,單端耦合的總損耗小于3.2 dB.針對當(dāng)前通道數(shù)小于2000,速率低于MHz量級的電封裝需求,我們采用了陶瓷球柵陣列技術(shù).先將每個光開關(guān)的驅(qū)動和監(jiān)控信號通過片上金屬走線扇出到芯片四周,再通過引線鍵合工藝與陶瓷基座連接,最后采用表面貼裝技術(shù)將陶瓷基座與轉(zhuǎn)接板焊接.轉(zhuǎn)接板通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將監(jiān)控探測器的信號送入FPGA主板,并通過驅(qū)動板的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片控制光開關(guān)單元.這種電封裝方案通常受到引線數(shù)量的限制,對于更大端口數(shù)的開關(guān)矩陣,倒裝焊[54]和硅穿孔技術(shù)[81]可以將電路與光路分離,消除電封裝對光信號的影響,更具有優(yōu)勢.

5 挑戰(zhàn)與展望

光纖通信、數(shù)據(jù)中心和光計算不斷增長的互連需求推動了光開關(guān)技術(shù)的商用部署.硅基光波導(dǎo)開關(guān)技術(shù)已經(jīng)受到廣泛關(guān)注,在解決帶寬、成本和功耗等方面存在潛在的優(yōu)勢.本文回顧了業(yè)界目前最先進(jìn)的MZI型、MRR型和MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型光開關(guān)技術(shù),并從拓?fù)浼軜?gòu)、無源器件和光電封裝等方面分析了大端口開關(guān)矩陣的技術(shù)挑戰(zhàn).盡管近年來硅基波導(dǎo)光開關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速,但仍有若干技術(shù)挑戰(zhàn)制約它的實際應(yīng)用,需要進(jìn)一步研究.

第一,偏振管理.商用的光開光模塊通常具有偏振無關(guān)的特性,即對任意偏振態(tài)的光信號都可以實現(xiàn)開關(guān)功能.而大部分的硅基光波導(dǎo)開關(guān)只適合單一偏振態(tài)的光信號傳輸,因此具有高度的偏振敏感性.硅基光波導(dǎo)開關(guān)的光信號偏振管理的方法通常可以分為四類：保偏光纖技術(shù)、偏振分集技術(shù)[59,82]、偏振不敏感波導(dǎo)技術(shù)[50]以及偏振控制技術(shù)[83].保偏光纖技術(shù)采用保偏光纖陣列與芯片上硅基光波導(dǎo)耦合器對接,將光纖里傳輸?shù)牟煌駪B(tài)的光信號分別耦合到硅基光波導(dǎo)的TE或TM模式中交換.相對于普通光纖陣列而言,保偏光纖陣列的制作涉及偏振軸的精密調(diào)整,具有較高的成本,一般只用于少量端口數(shù)或?qū)嶒炇壹墱y試和驗證.偏振分集技術(shù)將光鏈路中不同偏振態(tài)的光信號分離或進(jìn)一步偏振轉(zhuǎn)換,使之通過兩路單偏振光路和器件,分別完成不同偏振態(tài)的光信號的空間交換,最后再通過偏振合束器將分離的兩路光信號合波.由于兩路單偏振態(tài)的光信號采用不同的光路分別交換,合理的管理和配置兩路不同偏振態(tài)的光信號的差分群時延和偏振相關(guān)損耗是偏振分集交換系統(tǒng)中低誤碼率的重要保證.首先,傳統(tǒng)的光纖型偏振分束/合波器難以將兩路光纖的長度差控制在1 mm以下,導(dǎo)致兩路不同偏振態(tài)的光信號的相位差無法精準(zhǔn)控制,因此這種方法不僅需要高偏振消光比的片上偏振/旋轉(zhuǎn)分束器件,還需要在兩路單一偏振的硅基波導(dǎo)光開關(guān)光鏈路上補償相位延時波導(dǎo)和光功率可調(diào)衰減器件.其次,同一芯片上的兩個硅基光波導(dǎo)開關(guān)矩陣的每一路都需要通過偏振分束/合波器連接,必定產(chǎn)生大量的波導(dǎo)交叉器件,因此芯片的布局需要精心優(yōu)化,以實現(xiàn)每條光鏈路包含相同數(shù)量的平面波導(dǎo)交叉器件和盡可能相同長度的延時波導(dǎo).最近,Tanizawa等[84]提出在PILOSS架構(gòu)的8×8開關(guān)矩陣中反向傳輸兩種偏振信號的方法,實現(xiàn)了僅需一個開關(guān)矩陣的偏振分集方案,偏振相關(guān)損耗小于2 dB且差分群時延小于1.5 ps.偏振不敏感波導(dǎo)技術(shù)采用微米尺度的偏振不敏感波導(dǎo)或偏振不相關(guān)器件構(gòu)建光開關(guān)單元,實現(xiàn)不同偏振態(tài)的光信號的同時切換.這類技術(shù)通過在厚硅平臺(1.5 μm厚的頂層SOI晶圓)上對脊型波導(dǎo)縱橫比的優(yōu)化獲得盡可能小的雙折射效應(yīng).與220 nm的薄硅平臺相比,此技術(shù)的優(yōu)點是偏振相關(guān)性低且硅基波導(dǎo)與光纖的耦合損耗低,缺點是厚硅平臺通常具有更大的彎曲半徑,因此器件的集成密度較低.偏振控制技術(shù)不僅包括偏振/旋轉(zhuǎn)器件的研究,還涉及到隨機偏振態(tài)的實時跟蹤和矯正算法,因此存在硬件和軟件的實現(xiàn),在多路并行光鏈路中尚未大規(guī)模應(yīng)用.總之,偏振分集技術(shù)和偏振不敏感波導(dǎo)技術(shù)是近期可能商用的硅基光波導(dǎo)開關(guān)偏振管理技術(shù),需要進(jìn)一步優(yōu)化偏振/旋轉(zhuǎn)器件的設(shè)計和波導(dǎo)工藝.隨著半導(dǎo)體加工工藝和晶圓質(zhì)量的提升,更好的波導(dǎo)一致性有助于進(jìn)一步降低偏振相關(guān)損耗和差分群時延,提升硅基波導(dǎo)光開關(guān)的偏振特性.

第二,能耗效率.為了在能耗效率上具有競爭力,要求硅基光波導(dǎo)開關(guān)在每條光鏈路的平均功耗不超過每路光收發(fā)器的功耗.考慮到長途骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)中的DWDM傳輸系統(tǒng)中的收發(fā)器功耗通常處于瓦量級,交換節(jié)點處的硅基波導(dǎo)光開關(guān)的功耗與之相比較低,因此很容易滿足上述要求.然而,在數(shù)據(jù)中心的短距光包交換和光計算應(yīng)用中,由于光收發(fā)器功耗大幅降低,能耗的主要來源是高速電交換和O/E/O轉(zhuǎn)換過程,因此如何將數(shù)據(jù)交換的平均能耗降低到1 pJ (即數(shù)據(jù)帶寬為100 Gb/s的光鏈路功耗小于100 mW)是保證綠色低功耗硅基光交換的競爭力的關(guān)鍵.硅基波導(dǎo)光開關(guān)的能耗主要來源于開關(guān)引擎保持開關(guān)某一狀態(tài)所需的能量、補償工藝誤差的熱調(diào)諧相位補償器以及控溫/散熱組件的耗能等.表4總結(jié)了不同的光開關(guān)引擎保持在開啟狀態(tài)的功耗.MZI型電光開關(guān)引擎采用雙臂推拉的驅(qū)動方式將光開關(guān)的切換功耗降低到1 mW左右[18,21,26],而MZI型熱光開關(guān)引擎通過隔離槽技術(shù)和折疊相移器構(gòu)型實現(xiàn)了低至0.05—30 mW的開關(guān)功耗[22,23,25,27].MRR型光開關(guān)引擎由于需要同時驅(qū)動多個相互耦合的高階微環(huán)諧振器,通常需要數(shù)十到上百毫瓦的開關(guān)功耗[32-35].值得關(guān)注的是,MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型開關(guān)引擎由于通過靜電驅(qū)動器控制光耦合器的波導(dǎo)位移實現(xiàn)光路的切換,因此這類光開關(guān)在開啟狀態(tài)時的驅(qū)動功耗為零[45-48],在上述三種開關(guān)引擎中具有最低的能耗.當(dāng)MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型開關(guān)在兆赫茲量級的頻率下高速切換時,由于靜電驅(qū)動器的電容反復(fù)充放電,回路中產(chǎn)生的焦耳熱消耗的平均功率一般小于10 mW.對于我們研究的32×32 MZI型熱光開關(guān),當(dāng)每路通過100 Gb/s光信號時,每個開關(guān)單元功耗小于5 mW(其中1 mW引擎驅(qū)動,2 mW工藝補償,2 mW溫控),即功耗效率約為0.8 pJ/bit,比電交換低兩個數(shù)量級.未來,為了進(jìn)一步提升光交換系統(tǒng)中的信號質(zhì)量,人們可以在硅基波導(dǎo)光開關(guān)芯片上集成高密度、低成本的SOA.例如,對于8通道100 Gb/s的WDM系統(tǒng)的光鏈路而言,典型的功耗為0.5 W的非制冷SOA在上述功耗效率的基礎(chǔ)上增加0.6 pJ/bit.另一方面,逐漸成熟的300 mm晶圓加工工藝將具有更好的一致性,因此用于工藝補償?shù)臒嵯嘁榔鞯墓挠型M(jìn)一步降低.總體來說,通過提高芯片加工的一致性和SOA的能耗效率是實現(xiàn)綠色低功耗的主要研究方向.

第三,集成驅(qū)動.目前大部分的研究組采用引線鍵或者倒裝焊的封裝方式將開關(guān)芯片與外部控制電路連接,通過驅(qū)動板上的電壓或電流信號控制開關(guān)的狀態(tài)并優(yōu)化偏置信號,通過監(jiān)控板標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和邏輯接口完成校對、監(jiān)控和控制等功能.驅(qū)動板包括數(shù)據(jù)緩存、DAC或脈沖寬度調(diào)制(PWM),而監(jiān)控板包括跨阻放大器(TIA),ADC和低通濾波器.這種控制方案不但體積龐大,而且隨著開關(guān)端口數(shù)的增加,開關(guān)芯片上的引腳密度限制了開關(guān)端口的進(jìn)一步擴展.目前,常見的硅光芯片代工和封裝平臺提供3層金屬沉積和4圈金屬焊盤鍵合工藝.如果要進(jìn)一步提升電封裝,人們通常將硅光芯片倒裝焊接到高密度的陶瓷轉(zhuǎn)接板,再進(jìn)一步焊接在PCB線路板上.由于高密度的電封裝極具挑戰(zhàn),發(fā)展基于CMOS工藝兼容的硅光芯片上的數(shù)字晶體管邏輯控制電路變得更具吸引力.片上邏輯電路通過驅(qū)動向光子器件提供模擬的電壓或電流控制信號,同時通過數(shù)字串行通信接口實現(xiàn)邏輯電路單元與外部電路的通信.因此,大量的器件引腳被少量可編程的串行邏輯單元引腳取代,從而大大降低了電封裝的挑戰(zhàn).IBM在此領(lǐng)域率先進(jìn)行了多年的研究[52,53],已經(jīng)在8×8電光開關(guān)矩陣芯片上驗證了數(shù)字晶體管邏輯控制集成驅(qū)動方案.此外,更近的邏輯驅(qū)動與光器件的連接有利于降低光開關(guān)的功耗,并提高邏輯電路對物理參量(光功率、溫度或電壓/電流)的監(jiān)控和反饋控制的優(yōu)化算法效率.

表4 不同的光開關(guān)引擎在保持開狀態(tài)時的功耗Table 4.Comparison table of the power consumption of the switch engines at ON state.

第四,工藝平臺.硅基光電子技術(shù)作為CMOS工藝平臺上成長起來的一個新技術(shù),從設(shè)計方法、工藝流程和封裝測試等方面看,很大程度上參考并借鑒了微電子技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗.硅基光電子的未來商業(yè)化模式取決于制造代工廠的能力和可獲得性.從商業(yè)模式看,在過去幾十年里,無晶圓設(shè)計(fabless design)和標(biāo)準(zhǔn)化工藝的代工廠相結(jié)合占據(jù)主要模式.設(shè)計者通過中介機構(gòu)(例如美國的OpSIS,加拿大的CMC,歐洲的ePIXfab和中國的重慶聯(lián)合微電子中心等)與代工廠(例如新加坡的IME,歐洲的IMEC和LETI,美國的Global foundry,中國科學(xué)院電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心和上海微技術(shù)工業(yè)研究院等)合作,按照標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計和工藝流程(PDK設(shè)計工具包)采用多項目晶圓服務(wù)(muli-project wafer,MPW)模式完成芯片加工.這種模式成本低廉,提供了硅基光電子器件所需的光刻、腐蝕、沉積和摻雜等基礎(chǔ)工藝,適合科研機構(gòu)和小規(guī)模中試平臺的開發(fā)和驗證.然而,針對未來越來越多各式各樣的產(chǎn)品和應(yīng)用需求,這就要求代工廠能夠提供各種定制化的材料集成、加工和封裝工藝.近期,IME為部分用戶提供了定制的雙層氮化硅平臺和深刻蝕槽[73],改進(jìn)了波導(dǎo)的傳輸損耗和熱調(diào)諧相移器的性能,為大規(guī)模的硅基波導(dǎo)光開關(guān)陣列和光學(xué)相控陣列的研發(fā)提供了良好的平臺.從工藝技術(shù)看,硅光子技術(shù)的特征尺寸一般約為500 nm,最小尺寸約為100 nm左右,因此采用193 或者248 nm的深紫外光刻技術(shù)可以滿足加工要求,無需像微電子技術(shù)采用更低的工藝節(jié)點.然而,更小的工藝節(jié)點通常具有更好的一致性和重復(fù)性,卻產(chǎn)生更高的成本,這就需要按照應(yīng)用需求選擇合理的工藝技術(shù).此外,硅基光電子器件對尺寸和工藝誤差非常敏感,不但納米量級的工藝誤差足以對硅光子器件的波長和相位帶來明顯的影響,而且波導(dǎo)器件的側(cè)壁粗糙度也限制著光信號損耗.隨著國內(nèi)外CMOS硅基光電子工藝線逐漸從8英寸升級為12英寸晶圓,大規(guī)模的硅基波導(dǎo)陣列的一致性和重復(fù)性會進(jìn)一步改進(jìn).同時,以硅材料作為基底的各種III-V族、聚合物集成技術(shù)和硅鍺外延集成發(fā)光技術(shù)多路徑發(fā)展將成為硅基光電子的必然選擇.硅基光電集成芯片通?？煞譃閱纹珊突旌霞蓛纱箢?單片集成是采用完整的CMOS工藝將光子器件和電子器件集成在同一硅襯底上,盡管大規(guī)模實用化是終極目標(biāo),但是設(shè)計和工藝相互受限,仍然存在一些尚未解決的技術(shù)難題,例如金屬走線與波導(dǎo)的間距、多晶硅的應(yīng)力以及氮化硅和氮氧化硅的沉積等會影響光器件的損耗；鍺及其化合物的外延生長和摻雜工藝的精準(zhǔn)控制等會影響器件的高頻特性.另外,硅在常溫電泵浦發(fā)光的問題還在挑戰(zhàn)中.混合集成采用各種簡單的工藝(例如倒裝焊、鍵合和異質(zhì)外延等)將各種基于III-V族化合物和高非線性的聚合物材料的器件集成到硅基襯底上,工藝靈活且互不干擾,發(fā)揮了各種材料體系器件的優(yōu)勢,不僅取得了優(yōu)異的性能還降低了工藝難度.然而,混合集成的工藝兼容性差,封裝和耦合成本高.總體而言,硅基光波導(dǎo)開關(guān)芯片正從混合集成向單片集成不斷發(fā)展,逐步提升端到端的光交換性能.

6 總 結(jié)

隨著硅基光電子器件和半導(dǎo)體工藝的不斷演進(jìn)與發(fā)展,先進(jìn)的制造工藝將為硅基波導(dǎo)光開關(guān)的低功耗、低成本、小尺寸、高集成度等提供良好的解決方案.與傳統(tǒng)電開關(guān)技術(shù)相比,硅基波導(dǎo)光開關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢將越來越顯著,硅基波導(dǎo)光開關(guān)陣列伴隨技術(shù)的不斷發(fā)展,整體性能必將超越電開關(guān),這將為硅基波導(dǎo)光開關(guān)迎來更為廣泛的應(yīng)用場景.硅基波導(dǎo)光開關(guān)技術(shù)在不久的將來將為整個光通信領(lǐng)域帶來更加重大的進(jìn)步,尤其在能耗、成本、設(shè)備體積等方面取得顯著進(jìn)步,成為推動各行各業(yè)進(jìn)步不可或缺的重要光電子技術(shù)之一.