基于SiN-Si双层光波导的16x16光开关

  这篇笔记介绍硅光芯片的另一个应用——光开关(optical switch), 日本产业技术研究院(AIST)最近利用SiN-Si构成的双层波导，实现了16*16的光开关，相关文章发表于Opt. Exp. 27, 21131(2019)。

  硅光光开关的主要构成单元包括Mach-Zehnder干涉器和crossing结构。对于N个输入端口的光开关，crossing结构的数目为(N-1)^2。而一般硅波导的crossing的插损约为0.05dB，做一个简单的估算，当N=32时，crossing结构的总插损约为48dB，对整个系统的link budget影响非常大。AIST研究组的出发点正是基于此，他们利用双层波导结构，大大降低了crossing结构的插损，系统的结构示意图如下图所示。

  (图片来自文献1)

  经过一定的数值仿真计算，SiN波导的尺寸取为1um*0.4um，SiN波导层与Si层的间距取为1.5um, crossing结构的插损仿真值为0.0005dB, Si波导中的串扰小于-45dB, 仿真结果如下图所示。基于这一结构，当光分别在上下两根波导中传输时，彼此不受影响，有点像两条方向垂直的高架路。

  (图片来自文献1)

  高架之间免不了互联的匝道，为了使得光可以在两层波导间相互转换，AIST提出了垂直方向的定向耦合器结构，如下图所示。在定向耦合器区域，Si波导的宽度为0.17um, 而SiN波导的宽度为0.45um, 耦合区域的长度为58.9um。该结构的耦合损耗小于1dB。

  (图片来自文献1)

  基于上述的两种基本单元以及MZI，AIST首先验证了4x4的光开关，其原理图如下图所示。整个光路包括8个1x4 switch(输入输出各含有4个)，16个gate switch, 多个crossing结构和coupling结构。其中switch结构都是基于热光的Mach-Zehnder干涉器。对于水平方向，光在硅波导中传输，而对于竖直方向，光在SiN波导中传输。

  (图片来自文献1)

  实验中，测得的crossing结构的插损约为0.005dB, coupling结构的插损小于0.5dB。整个系统的插损约为12dB, 这其中包括光纤耦入耦出的损耗4.2dB, Si波导的传输损耗1dB。由于SiN表面粗糙度的影响，SiN波导的传输损耗为27dB/cm, 损耗还是非常大的，在后续的实验中，AIST改良了相关工艺，将传输损耗提高为2.1dB/cm。整个系统的测试测试结果如下图所示，

  (图片来自文献1)

  从测试结果中可以看出，不同端口间的串扰为-50dB，光谱在1530-1560nm范围内都非常平坦。

  进一步，他们改进了一些工艺流程，并验证了16*16的光开关阵列，光路结构如下图所示，

  (图片来自文献1)

  整个芯片的尺寸为14mm*13mm, 含有304个pad，并通过wire-bonding的方式进行陶瓷封装。系统通过含34个通道的光纤阵列进行光的耦入耦出。单个crossing结构的插损为0.0032dB, coupling结构的插损为1.25dB。SiN波导的传输损耗为2.1dB/cm, 整个系统的插损约为-15dB，串扰小于-45dB。

  以0.0032dB的插损再做一个估算，当N=32时，crossing结构的总插损约只有3.1dB，而基于单层Si波导的插损为48dB, 插损的改善非常之大。通过两层光波导结构，实现了插损非常低的crossing结构，进而实现更为复杂的多路光开关系统。

  双层波导结构提供了一个新的自由度，有诸多优势：

  1)SiN波导的折射率比Si小，其波导的结构容差性优于Si波导，可以用SiN波导实现一些相位敏感的器件，例如Mux/DeMux等;

  2)SiN波导可以作为routing光波导的一个传播方向，这有点类似两层金属，metal 1传输x方向的信号，metal 2传输y方向的信号，两个方向的信号互不干扰，并且节约了芯片面积，也简化了版图的绘制;

  3)可以基于SiN-Si双层波导设计一些新颖的光器件，例如端面耦合器等。

  目前一般的硅光foundry都提供了SiN波导的制程，其加工不成问题，但是一般SiN层与Si层的距离为300-400nm。

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  参考文献：

  R. Konoike, et.al., "SiN/Si double-layer platform for ultralow-crosstalk multiport optical switches ", Opt. Exp. 27, 21131(2019).