近日，香港城市大学朱世德教授课题组朱晓田博士联合Brent Little博士等，依托西安奇芯光电科技有限公司的高折射率掺杂玻璃平台，设计并制备了用于ROADM的低损耗、偏振无关且宽谱的32×4光开关。这一工作以“Low-loss and polarization insensitive 32 × 4 optical switch for ROADM applications”为题发表在Light: Science & Applications上，该研究成果有助于集成光开关走向商用化。

近年来5G、AR/VR、AI和大数据的迅猛发展导致全球互联网流量激增，新型数字技术的革新对通信系统的容量，灵活度和可靠性提出了更高的要求。ROADM全光交换网络由于其灵活调度和业务恢复能力，在新的挑战下体现出了独特的优越性。

波长选择开关则是ROADM架构中的关键器件，当前商用的开关仍是基于分立器件，体积庞大。随着集成光子平台的不断成熟，集成光开关由于其小型化、低能耗和低成本吸引了业界的广泛关注。近年来，基于不同光子集成平台和光开关规模的研究激增，通道数和开关速率都有显著突破，然而过去所报道的集成光开关芯片的插损（IL）、偏振相关损耗（PDL）、串扰（Crosstalk）、带宽（Bandwidth）和一致性（Uniformity）等性能仍然与商用指标有很大差距，难以替代当前商用的基于分立器件的光开关。

鉴于此，研究人员利用高折射率掺杂玻璃平台来弥补这一研究空缺。高折射率掺杂玻璃（HDSG）是与CMOS兼容的集成光子平台，其折射率差从10%至20%可调。这一特点使此平台在保证低光纤与波导耦合损耗，低传输损耗的同时保持较高的器件集成度和加工工艺容差。另外，薄膜材料的沉积使用低温的PECVD，这一条件一方面可以保证低的材料双折射；另一方面因为其应力小，可以支持多层薄膜的沉积有利于芯片3D集成。基于此平台的特性，研究者设计了可用于ROADM的低损耗，偏振无关的32×4光开关，此开关可以实现32个输入通道直通至对应的32个输出通道或者将32个输入通道中的任意通道下载至4个下载通道中的任意一个。其拓扑结构如图1 (a)所示，整个光芯片包含了188个基于MZI的开关单元，88个光学过孔，618个交叉光波导。为了优化芯片整体损耗，每一个开关单元都进行了校准。文中将188个开关单元的功耗都以其平均值做了归一化，对其在整个芯片的一致性做了分析。图1（b）是开关功耗的分布图，开关位置与图1（c）中的实际布局相对应，可以看出在2cm×2cm的范围内功耗的波动可以控制在±10%以内。值得一提的是，功耗变化主要是由阻值的差异引入而非MZI本身。其根本原因是芯片扇出金属线的长度差异导致加热电阻的整体阻值有所不同。

图1. 32×4光开关的架构和实物图。（a）光开关的拓扑结构；（b）开关单元功耗归一化分布图；（c）光开关芯片实物图。

基于拓扑灵活组合多种低损的2×2、1×2和1×1开关单元来优化整体设计。单个开关的损耗在C波段小于0.1dB，消光比高于-20dB。开关拓扑中有多重波导交叉，为了降低损耗，提高隔离度，引入了3D的光过孔结构，如图2（a）所示。当遇到波导交叉时，Bus1的波导会通过光过孔过渡至Bus2来实现光的隔离，从而降低串扰。HDSG平台可以制备两层完全相同的功能性波导层，这不仅有助于解决插损和串扰问题，也可以将功能性器件进行纵向集成来提高开关的规模。光过孔的损耗在C和L波段都低于0.06dB如图2（b）所示。波导交叉引入的损耗小于0.003dB。

图2. 光学过孔与波导交叉结构与损耗。（a）光学过孔的示意图；（b）光学过孔的损耗；（c）交叉波导的损耗。

图3展示了基于HDSG平台的32×4光开关芯片的IL，PDL和crosstalk的性能。可以看出在直通的情况下，32个通道的损耗在C和L波段都低于3dB（包括与单模光纤的耦合损耗），在1550nm处小于2dB。在下载的情况下，损耗在C和L波段都低于5dB，在1550nm处小于3.5dB。在不同的工作模式下，PDL在C波段都低于0.3dB，crosstalk都低于-40dB。

图3. 32×4光开关芯片的插损，偏振相关损耗和串扰。

总结与展望

该研究开发的32×4光开关，在损耗和偏振相关损耗方面实现了很大的突破，在光通信领域的应用中展现了独特的优势和潜力。在未来的工作中，研究团队将继续优化器件特性，譬如拓宽器件工作带宽，提高芯片规模，同时融合多平台，进一步推动光子集成器件的商用化。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01456-8