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隨著人工智能、機器學(xué)習(xí)和云計算的發(fā)展，對數(shù)據(jù)處理的需求不斷增長，數(shù)據(jù)中心對快速、高效的光互連的需求變得越來越重要。硅光平臺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)被認為是解決這些挑戰(zhàn)的一個很有前途的解決方案。其中，硅光平臺具有可擴展性，成本效益，運行速度快于微秒。今天帶來幾種硅光平臺的光開關(guān)應(yīng)用：

1、MZI拓撲大規(guī)模矩陣光開關(guān)：

    基于路徑無關(guān)插損（PILOSS）拓撲的硅光開關(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。在未來的晶圓級光學(xué)基板上連接多個xPU芯片，必須使用平面光波導(dǎo)，許多路徑交叉點和長光路對波導(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，可大大簡化波導(dǎo)布線。

AIST提出一種新的光開關(guān)拓撲，通過修改傳統(tǒng)的PILOSS拓撲使輸入和輸出端口彼此相鄰。該拓撲與傳統(tǒng)的PILOSS拓撲具有相同的特點，即嚴格不阻塞，每條路徑上只有一個ON單元開關(guān)，并且每條路徑上的開關(guān)和交叉點數(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數(shù)量（N-1 / N-2），可通過短距離連接到外部而不會交叉。

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。校準所有64個MZI開關(guān)元件的隨機初始相位誤差，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相位不平衡，累積相位導(dǎo)致顯著串?dāng)_，通?？赏ㄟ^探測器作為內(nèi)置功率監(jiān)視器來校準。此次，浙大戴老師團隊成功地演示具有Benes拓撲的免校準64×64 MZIs，解決傳統(tǒng)單模移相器中多余損耗和顯著的隨機相位不平衡。

    Benes拓撲是一個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）。對于N=64的免校準N×N Benes MZI，由352個免校準2×2 MZI和1824個交叉點組成。2×2 MZI由兩個2×2 MMI耦合器、四個TES-bend波導(dǎo)和兩個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度（2μm寬，50μm長），減小隨機相位不平衡。TES-bend波導(dǎo)的兩個彎曲非對稱定向耦合器用于濾除殘余的高階模式。

64×64 MZIs采用標準的180 nm硅光代工工藝，面積為13.1×1.9 mm2。對352個2x2 MZI在沒有加熱功率的情況下的所有4096個透射光譜進行表征,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。

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

    TFLN包括兩對倏逝耦合器，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波長范圍內(nèi)，插入損耗為~1.3 dB，在1540 ~ 1565nm波長范圍內(nèi)，串?dāng)_小于- 35db。疏逝波耦合器額外損耗約0.5 dB/facet。

    對于2×2級聯(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。

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

2、空間和波長選擇性光開關(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，同時實現(xiàn)跨多波長和空間路徑的高效數(shù)據(jù)傳輸?？臻g和波長可重構(gòu)光開關(guān)對于利用波分復(fù)用（WDM）至關(guān)重要，允許基于空間和頻譜的任意光信號的選擇性路由。

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

    共有32個熱調(diào)MRR控制四個不同波長通道的64條路由路徑。當(dāng)MRR在特定波長處處于關(guān)斷狀態(tài)時，光信號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)具有四個波長通道，對于每個波長通道，信號由兩個導(dǎo)通狀態(tài)定向到目標輸出端口。共36個控制電極和3個共用接地連接。

對所有64條路由路徑的片上損耗和串?dāng)_進行評估，插損在2.3 ~ 8.6 dB之間，串?dāng)_在-35.3 ~ -59.7 dB之間。測試熱光開關(guān)的上升時間和下降時間分別為47.58μs和0.33μs。

四個通態(tài)波長通道的光譜響應(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，SWSS產(chǎn)生的功率代價小于1.3 dB，鏈路中加入了EDFA。

 University of Cambridge提出一個改進的擴展4×4×8λ空間和波長選擇光開關(guān)，波長通道通過基于微環(huán)的熱調(diào)諧獨立控制。具有4個輸入和4個輸出端口以及8個路由波長，總共允許128條光路由路徑。采用改進的擴展Banyan架構(gòu)來減少帶內(nèi)串?dāng)_。每個波長通道的通斷狀態(tài)通過熱調(diào)諧MRR對來控制，每對MRR都能夠進行差分推挽，光開關(guān)具有優(yōu)異消光比，帶寬和制造公差。在lMEC制造。MRR實現(xiàn)超過25 dB ER，超過50 GHz帶寬和1.5 dB插損。該設(shè)計將MRR的高調(diào)諧效率和波長選擇性與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，大大簡化控制電路和封裝。

該開關(guān)共有192個MRR和12個移相器，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個波長通道調(diào)諧到導(dǎo)通狀態(tài)時該路徑的透射光譜，ER均大于30 dB，所有通道的實測帶寬均超過60 GHz。

3、偏振和波長選擇性光開關(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)化光柵強度，增強與單模光纖中的場分布重疊，采用遺傳算法和二維時域有限差分模擬優(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平臺制作雙層二維光柵耦合器和拋物面SSC，面積僅為55 × 37μm2。對于x偏振，在1535 nm處實現(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波長為0.3 dB，在1500-1600 nm波長范圍內(nèi)保持在0.4 dB以下。所提出的二維光柵耦合器在220 nm SOI平臺上以180 nm的最小特征尺寸實現(xiàn)最佳的實驗峰值耦合效率。

其展示一個基于硅光平臺的偏振和波長選擇開關(guān)（PWSS），成功從光纖中解復(fù)用8個通道，包括4個波長和兩個正交偏振，進行不同光I/O的切換操作，實現(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TE模式，利用MZl實現(xiàn)片上偏振控制。

    在級聯(lián)雙微環(huán)諧振器陣列中進行波長控制，雙環(huán)MRR提供平頂通帶，以應(yīng)對制造和溫度變化。在可調(diào)波長選擇性開關(guān)之后，通過波導(dǎo)路由和交叉連接到兩個光學(xué)接口，如圖所示。架構(gòu)創(chuàng)新在于擴展性，允許級聯(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總共包含三個光學(xué)I/O，八個MRR，一個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。對于來自光纖的任何PDM和WDM信號，MZI可以通過調(diào)節(jié)加熱器1和加熱器2上的電壓來實現(xiàn)偏振通道的解復(fù)用和切換。

通過對每個通道的MRR施加電壓，每個波長通道可以在每個MRR陣列的兩個輸出之間獨立切換，連接到端口1或端口2。當(dāng)光從光纖輸入時，每個通道的端口1和端口2的開關(guān)輸出可以獨立選擇。下圖顯示8個不同通道的硅片光開關(guān)串?dāng)_矩陣，四個波長為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。主要特點是，縮小尺寸SOA陣列間距為60μm,實現(xiàn)偏振不敏感光開關(guān)。

    每個輸入端口的信號通過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、級聯(lián)MMI分離器和SOA后放組成。為實現(xiàn)PI SOA基于一個對稱Q1.25的非應(yīng)變InGaAsP層，每條路徑都包含一個PI SOA，可以傳輸或關(guān)閉光信號。

OA增益譜3dB帶寬約為68 nm (峰值約為1540 nm)，可以覆蓋整個c波段。其中交叉波導(dǎo)損耗0.25 dB，6個MMI每個損耗4dB，各種波導(dǎo)類型轉(zhuǎn)換以及butt-joint每個損耗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，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，增益飽和降至22.5 dB， PDG降至1.5 dB。

光開關(guān)的另一個重要的性能指標是開關(guān)比，整個c波段達到60dB，信噪比為47db。對于30 Gbps的傳輸，當(dāng)SOA都在100mA時，在BER為10-9時功率代價小于0.2 dB。例如，對于10Gbps的傳輸，測量的損失可以忽略不計。

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