SOI 4×4嚴格阻塞型開關陣列與部分阻塞型開關陣列的比較

光開關是構成開關陣列的基本元素，本文主要對開關單元、4×4部分阻塞型開關陣列和4×4嚴格無阻塞型開關陣列進行了設計及性能仿真，并對兩種開關陣型做了性能和結構的對比，部分阻塞型開關附加損耗為11.598dB～11.653dB，串擾為- 21.8～-14.5dB。嚴格無阻塞型光開關陣列附加損耗18.2443dB～ 18.8512dB，串擾為-25.8dB～-16.8dB。二者的小光比都在14-25dB范圍內變化。

【關鍵詞】導波光學 定向耦合器 開關陣列 SOI

1 引言

SOI（silicon-on-insulator）材料的光開關具有與傳統硅技術相兼容、實現光電的集成，開關響應時間快，精湛的加工工藝和造價低廉等優勢，而成為全世界廣泛應用的具有發展前景的半導體材料。

光開關陣列的結構按功能分可以分為嚴格無阻塞型、可重構無阻塞型和部分阻塞型。本文主要針對4×4部分阻塞型光開關陣列和嚴格無阻塞型開關陣列的性能及結構做對比，開關單元采用定型耦合器型MZI結構，利用Opti-bpm軟件模擬了開關單元及開關陣列的結構，并對其性能進行分析。

2 開關單元的設計

大規模的光開關陣列通常可以由2×2的開關單元按一定的拓撲結構級聯而成。我們設計的兩種4×4開關單元都是采用這種方式。開關單元才用了定向耦合器型MZI結構，其由兩個定向耦合器，兩個調制臂、電極以及輸入輸出波導構成。光信號經過第一個定向耦合器被等分成兩路，經過兩個對稱的相移臂傳輸之后再經過二個定向耦合器合成一路光輸出，通過改變其中一個相移臂的折射率對光進行移相，可以調節最終的光是從交叉態端口還是從直通態端口輸出。采用熱光效應和電流注入（等離子色散效應）都可以改變相移臂的折射率，實現開關切換。

文中所設計的波導參數為脊寬w=4，脊高h=0.6μm、脊波導最高度H=1μm，波導寬度為9μm，nsi=3.44、nsio2=3.40、nair=1。圖1（a）為4×4部分阻塞型光開關陣列結構示意圖，可以看出其結構非常簡單，只由4個2×2開關單元和一對交叉波導構成。4×4嚴格無阻塞型光開關陣列，其結構相對于前者要繁瑣一些，拓撲結構也相對復雜一些，開關陣列采用12個基本開關大院由三級級連而成，每級四個開關單元，此開關陣列通過簡化樹形的結構來設計完成的，其有最少的開關單位和最少的波導連接等優點，如圖1（b）所示。

通過結構圖，用OptiSystem軟件生成MZI光開關單元組成的網絡，設計的矩陣開關壓縮為子系統，在 矩陣光開關的1輸入端口輸入中心波長為1550μm，輸出能量為1w的激光。

3 結論

設計并制作了4×4部分阻塞型光開關和嚴格無阻塞型光開關，部分阻塞型光開關陣列附加損耗為11.598dB～11.653dB，串擾為- 21.8～-14.5dB。嚴格無阻塞型光開關陣列附加損耗18.2443dB～18.8512dB，串擾為- 25.8dB～-16.8dB。二者的小光比都在14～25dB范圍內變化。通過對兩種開關陣列的模擬與仿真分析，我們可以看出部分阻塞型的開關陣列輸出性能要優于嚴格無阻塞的開關陣列，原因為前者的陣列機構相對于后者要簡單很多，級連少產生的串擾和損耗都會相應的減小，前者優良的輸出特性更是完勝后者。但部分阻塞型光開關陣列并不能在當代高速大容量的DWDM全光網中生存下去，最大的危機就是會使OXC出現阻塞問題，嚴重的影響系統的通訊性能，因此，一般將它應用在光網絡的恢復、自動保護倒換和、監視和光器件的測試等領域。

（通訊作者：郭麗君）

參考文獻

[1]Di Y，Jin-Zhong Y U，Chen S W，et al.A Novel 2×2 SOI Thermo-Optic Switch[J].Guangdianzi Jiguang/journal of Optoelectronics Laser， 2007，18（11）：1280-1279.

[2]楊笛，李艷萍，陳少武， et al. A 4×4 Strictly Nonblocking Silicon-on-Insulator Thermo-Optic Switch Matrix[J].Chinese Physics Letters， 2005，22（06）：1446-1448.

[3]李淳飛.全光開關原理[J].北京：科學出版社，2010.

[4]Moosburger R，Petermann K.4×4 digital optical matrix switch using polymeric oversized rib waveguides[J].IEEE Photonics Technology Letters，1998， 10（05）：684-686.

作者簡介

邢斌（1990-），男 ，碩士研究生。研究方向導波光學。

郭麗君（1978-），女，副教授，研究方向導波光學。

齊琳（1991-），女，碩士研究生，研究方向導波光學。

作者單位

長春理工大學光電信息科學與技術系 吉林省長春市 13000