二氧化硅平面波導集成光開關器件研究

摘要：基于二氧化硅平面光波導平臺，設計并制作了一種多模干涉馬赫曾德型的低功耗熱光開關。該器件結合了多模干涉耦合器的穩定性及二氧化硅波導和熱光開關的低損耗等優勢。經仿真，對器件參數進行了優化，并討論了金屬層與波導的間距對傳輸光強及功耗的影響。測試結果表明，該器件的結構穩定，偏振依賴小，插入損耗低于2dB，能實現開關的轉換，功耗為450mW 左右，開關響應時間為103μs 和113μs，在1564nm 工作波長下消光比超過16dB，尺寸為2.30cm×0.25mm。該器件不僅與互補金屬氧化物半導體工藝相兼容，同時與光纖之間也有較好的兼容性。二氧化硅波導光開關器件具有成本低，產量大，性能穩定的優勢，能給光通信及光計算的未來發展提供可靠的基礎。

關鍵詞：平面光波導；多模干涉器；熱光開關；光通信；光計算

中圖分類號：TN256文獻標志碼：A

Research on silicon dioxide planar waveguide integrated optical switch devices

GUO Song1，YUAN Shuo1，CHEN Yishu1，XUAN Hongwen2，FENG Jijun1

（1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai200093， China;2. Greater Bay Area Branch of Aerospace Information Research Institute，Chinese Academy of Sciences， Guangzhou510535， China）

Abstract： Based on the silicon dioxide planar waveguide platform， a low power thermo-optical switch with multi-mode interference Mach-Zender is designed and fabricated. This device combines the stability of multi-mode interference coupler with the advantages of silicon dioxide waveguide and thermo-optical switch. The device parameters are optimized by simulation and the influence of the distance between the metal layer and the waveguide on the transmitted light intensity and power consumption is discussed. The test results show that the device has stable structure， small polarization dependence， insertion loss less than2dB. It can realize switch conversion. The power consumption is about450mW. The switching response time is103μs and113μs. The extinction ratio is more than16dB at1564nm wavelength， and the size is2.3cm×0.25mm. The device is not only compatible with CMOS technology， but also has good compatibility with optical fiber. Due to the advantages of low cost， large output and stable performance， the silicon dioxide waveguide optical switching devices provide a solid foundation for the development of optical communication and optical computing in the future.

Keywords： planar optical waveguide；multimode interferometer；thermo-optic switch；optical communication；optical computing

引 言

隨著“互聯網+”的廣泛應用，云端互聯使得數據網絡井噴式發展，大量的信息交互需要更快的數據交換速率[1]。在光通信網絡中，光開關處理數據信號的物理切換和邏輯操作的速率優于傳統的電子器件[2]，所以利用全光技術替代電子半導體來打破摩爾定律及解決馮·諾伊曼架構問題是非常具有潛力的[3]。在光通信領域，光開關是全光網絡中光分插復用系統和光交叉連接系統的核心器件[4]。在光計算領域，光開關是實現數據傳輸切換或進行邏輯操作不可或缺的部分。二氧化硅平面光波導（planar lightwave circuit， PLC）技術具有與互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide-semiconductor， CMOS）工藝兼容的優點，被大量用于集成光波導器件的制作中[5-8]。

相較于硅基波導，二氧化硅波導具有更好的物理和化學穩定性，與光纖之間有良好的兼容性，其成本低廉，可以大規模量產。平面光波導技術的這些優勢使得其在未來技術的發展中具有很大的潛力[9]，且伴隨著全光網絡的發展，器件集成在平面波導上的研究變得更有價值。

2017年， Wang 等[10] 對基于平面光波導技術2×2馬赫曾德干涉型熱光開關展開研究，討論定向耦合器結構的功率分配比誤差（偏離0.5）對開關性能的影響，分析波導尺寸與折射率之間的相互關系和波導寬度與折射率之間的誤差補償。當器件插入損耗為1.5dB 以下，消光比大于20dB，開關功率約510mW 時，該器件可實現的平均容差率為 ±5.0%。此工作旨在改進器件的加工容差范圍。2021年， Duan 等[11-12] 設計了一種2×2高速熱光開關，是由多模干涉馬赫曾德型光開關級聯構成。金屬加熱器位于波導一側平板區，移相臂用橫向支撐的脊型懸掛波導來提高熱調諧效率。結果表明，開關功耗僅1.07mW，開關時間為4.7μs，消光比為3dB，光損耗約0.5dB。與傳統熱光開關相比，改變加熱調制方式可使其品質因子提高了一個數量級。該研究在網絡重構和片上互連中具有潛在的應用前景。

硅和氮化硅雖然器件集成度高，但它們具有很強的偏振依賴性，其耦合傳輸損耗較高，加工精度要求高[13-14]。而二氧化硅波導尺寸為數微米，加工較為簡易，與單模光纖有著相似的折射率和模場直徑，且偏振依賴小，耦合傳輸損耗低[15]，但其熱光系數相對硅和氮化硅來說較小[16-18]，開關功耗會更大。因此，本文提出基于二氧化硅平臺的多模干涉馬赫曾德型光開關，將光開關器件應用于平面波導技術[19]，結合對稱熱光開關[20] 進行研究。針對多模耦合器的結構參數設計[21]，利用仿真進行優化，使整體設計更加高效，成本相對更低。采用時域有限差分法進行數值分析，根據耦合模理論設計耦合器的重要參數，并對其進行驗證。所制備的二氧化硅芯片整體呈對稱結構，長和寬分別為2.3cm 和0.25mm。測得2個開關臂被濺射的金屬鈦長度為1.41mm。隨后對其靜態性能、電壓調制特性和調制響應頻率進行表征。結果表明，在二氧化硅平面波導上，它能實現光開關的低偏振敏感傳輸和通道選通。該光開關器件功耗低，響應速度較快，能和其他半導體器件很好地集成，在拓撲集成之后，它將在光通信和光計算領域擁有巨大的應用前景[22-25]。

1 平面波導光開關的設計、仿真與制備

1.1 光開關結構和原理

馬赫曾德干涉結構有集成度高，開關時間短，窗口平滑，體積小等優勢；多模干涉耦合器（multimode interference， MMI）有頻帶寬，插耗低，偏振不敏感，制作容差大和工藝簡單等優勢，兩者在集成光子器件中應用廣泛。本文介紹的2×2多模干涉馬赫曾德熱光調制光開光，其整體結構對稱，示意圖見圖1。輸入光進入多模干涉耦合器后，因自鏡像效應，被分成2束能量相同但相位差是 π/2的光。均分的光進入參考臂和調制臂。每條臂都濺射了金屬電極，并留出引腳作電壓調制使用。均分的光再由多模干涉耦合器合束。

不使用調制臂調制時，2束光從器件的交叉端輸出。使用一側調制臂進行相位調制，即用金屬探針向電極上施加不同的電壓以產生熱量，讓調制臂波導的折射率發生改變。調制光束與通過參考臂的光束形成 π 相位的差，此時光開關的交叉狀態轉換為直通狀態。熱光調制產生熱量的原理是，由于在波導上濺射了一層金屬薄膜形成加熱移相器，加熱移相器工作后使調制臂的溫度升高，從而導致該處波導折射率發生改變，使得調制后的兩光束產生相應的相位差[26]。對于二氧化硅波導，在基膜熱光系數相似時，波導長度的變化對相位的改變可忽略不計，可近似簡化得出相位差變化為 π 時波導有效折射率的變化[27]，由此得出導熱過程中相位調制變化和波導結構之間的關系。

1.2 光開關設計與優化

多模干涉耦合器的結構示意圖和波導截面示意圖如圖2所示。多模干涉耦合器由矩形波導和梯形波導組成，器件可實現光場的均分與合束，讓進入參考臂和調制臂的光強相等。其理論基礎為自映像，即當光從窄波導傳輸到寬波導中時，在兩者的交界處介電常數發生變化，折射率突變導致高階模觸發，再利用有效折射率等方法進行模式分析。由本征模式的正交性推得波導內光場為本征模展開的傅里葉級數，高階模在滿足一定的相位條件后會以干涉的方式消除，只留輸入光模式，消除的點叫做自成像點[28]。

通過計算自成像距離，代入1550nm 的工作波長，得到相應的拍長，從而計算出多模干涉耦合器的耦合長度[29]。將計算所得器件參數代入光束傳播仿真軟件中進行初步仿真，通過對光束傳播光場圖的結果進行分析討論，得到耦合器的大致結構參數。由于該參數不夠精細，且本研究希望該對稱多模干涉耦合器能將通過光開關臂的2束光合束，使其從單端口輸出，實現最優情況，所以換用時域有限差分法對結構參數進行優化。將光束傳播仿真得到的參數導入有限時域差分軟件中，對其結構參數進行優化之后，使用有限時域差分法繼續對多模干涉耦合器進行仿真優化，多次優化仿真參數后得到了一組最優的參數。圖3所示為優化后耦合器輸出的光場分布圖。多次優化導致多模干涉耦合器結構長度較之前有所增加，但大尺寸結構更適用于二氧化硅平面波導。最終耦合器的大小設計為：長2.3mm，寬60μm，主要結構參數如表1所示。

在優化好耦合器參數后，對調制臂上金屬鈦和波導距離的參數進行仿真，以確定其最佳的間距，兩者的分布見圖2（b）。在仿真軟件中將二氧化硅波導和金屬鈦的參數設置好，以0.1μm為步長，從間距0μm 開始對間距和傳輸效率的關系進行仿真驗算，仿真計算至3μm 時可獲得大致結論。導出仿真的數據點，用作圖軟件將它們擬合成曲線，結果如圖4所示。由此分析得，金屬鈦和波導的間距超過2.5μm 之后，距離對波導的影響已經不大。當間隔距離太近時，金屬會吸收光，導致損耗加大；當間隔距離太遠時，熱光調制的效率很低，同時也會增加器件的損耗。所以選擇2.5μm 作為兩者的間距，用這個最佳間距做波導的包覆層，這樣可以實現低功耗的平面波導光開關。

1.3 光開關的制備

通過仿真設計優化得到平面波導光開關的設計參數，用以對結構進行流片。二氧化硅的平面波導制片流程和使用硅或氮化硅的流程相似，通過光刻、顯影和反應離子刻蝕來制備。制備時，先在石英晶片上生長一層摻鍺氧化硅作為芯層，再鍍上一層鉻膜，進行光刻和顯影，顯影出圖案之后通過反應離子刻蝕（ reactive ion etching，RIE）去除鉻膜，除去膠后再刻蝕芯層氧化硅，最后用火焰水解沉積（flame hydrolysis deposition，FHD）約20μm 厚的二氧化硅包覆層。這個包層可以提供足夠的折射率修改范圍、平滑的膜輪廓、低傳播損耗、低耦合和反射損耗。制備成的波導截面見圖2。將波導切割成小尺寸后進行拋光打磨。波導具有1個鍺摻雜的石英芯，其截面是邊長為6.5μm 的正方形。最終制備出的實驗所需的二氧化硅平面波導芯片，其光開關尺寸為：長2.3cm，寬0.25mm。平面波導光開關結構實物圖和電極顯微鏡圖見圖5。由于器件為二氧化硅波導，在電極顯微鏡圖中只能看到其電極結構，無法清晰觀察到波導。加入反射棱鏡后觀察波導結構，發現波導結構較長，用顯微鏡下的最小倍數仍無法觀察其全貌，只能使用相機來觀察它的整體結構，用顯微鏡觀察其局部結構。圖5的下半部分為金屬電極的5倍顯微鏡圖，圖中金屬鈦的長度為1.41mm，鈦條兩側為磁共濺射的金薄膜，用于給探針組施加電壓。此模塊長、寬分為220μm 和150μm。金屬鈦的電阻率ρ =4.2×10?7 ?·m，整體加熱模塊電阻由鈦條與金薄膜產生，實際測量電阻約為220?。

2 平面波導光開關性能測試

2.1 光開關性能表征

在芯片制作完成后，對其進行性能表征，實驗裝置如圖6所示。對二氧化硅平面光波導芯片進行超聲清洗后，將芯片放置在三維平臺上，利用氣泵將芯片與平臺之間吸真空，使芯片牢牢固定在耦合平臺上。光源的輸入使用的是放大的自發輻射光源（amplified spontaneous emission，ASE），波長范圍是1520～1620nm，輸出功率約為10mW。輸入光纖選用錐頭或陣列波導光纖，輸出光纖選用平頭光纖，調整三維位移平臺后讓輸入輸出光纖和待測芯片位于同一水平，此過程中通過紅外顯微鏡進行實時觀察。三維平臺精度高于100nm，紅外顯微鏡可放大5～20倍，兩者結合保證芯片能精確耦合。

輸出光纖接收到的通過芯片耦合之后的光，經過一個機械開關可選擇性地傳輸給功率計或光譜分析儀。先用功率計結合屏幕上的紅外成像對芯片進行耦合操作，當功率計示數耦合至最大時，撥動機械開關將輸出光信號導通至光譜儀中，并使用光譜儀軟件的掃描程序將光譜以及光譜數據讀出并保存。再測試只經過傳輸波導損耗后得到的參考光譜，通過軟件將光譜數據歸一化處理，得到圖7。測試期間，通過調整偏振控制器來觀察耦合輸出功率，發現器件對偏振不敏感。從性能表征的透射光譜圖可以看出，未進行調制時交叉端是導通的，直通端是關閉的。實際制備器件的最佳工作波長為1564nm。在此波長下，光開關的消光比為16dB。

2.2 光開關調制性能測試

通過觀察實驗表征出的透射光譜發現，制作的平面波導光開關在1564nm 波長下的傳輸最佳，所以進行電壓調制實驗時，將寬譜光源換成可調諧激光器作為輸入，選用1564nm 波長的光輸入。通過摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier， EDFA）將輸入光功率放大，使得耦合出的功率更大。輸入光放大后經過偏振控制器輸入到二氧化硅芯片上，利用三維位移平臺將輸入光耦合進芯片中，然后將機械開關調至光譜分析儀。把探針組放置在調制臂的電極上，通過恒流電壓源（0～12V）向探針組施加電壓，施壓范圍為0～10V，步長為1V。每次增加電壓后，記錄光譜參數，分別對直通端和交叉端進行加電壓調制，整合數據擬合成曲線圖，如圖8所示。由圖可得，隨著電壓的增加，交叉端功率隨之下降，直通端功率隨之上升，即光開關的選通隨之交替。這表明，制作的二氧化硅平面波導光開關調制結果和預期相符，能夠實現基本的通道選通，從而能完成光路中基本的光交換功能。由圖8可知，開關轉換時電壓為10V 左右，代入測得的電阻可知，功耗約為450mW，對比二氧化硅平面波導上的開關，此功耗優勢明顯。

針對光開關調制響應的時間也進行了測試，以保證光開關能在較快的時間內完成電壓調制相位，即開關通道轉換。相位調制響應時間的測試實驗示意圖如圖9所示，使用信號發生器分別向探針組和示波器發送方波信號作為觸發信號和同步信號，可調諧激光器依舊使用最佳工作波長為1564nm 的輸入。

測試時，探針組輸入占空比為50%，高電壓10V 的方波信號作為觸發，輸出光由光電轉換器轉成電學信號，接入數字示波器里。示波器上會實時顯示信號發生器同步過來的方波和經過芯片的方波，通過1個包絡的上升時間和下降時間來分析光開關的響應速度。將響應曲線的數據導出處理后得到的包絡如圖10所示，芯片響應的上升時間和下降時間分別為103μs 和113μs。上升及下降時間略長，說明二氧化硅的導熱性能不足以影響相位的調制性能。替換更佳的金屬材料或對包層處的二氧化硅做摻雜以提升熱光調制的性能，有助于改善開關的上升及下降時間。

3 結 論

本文在二氧化硅平面波導上設計了一款多模干涉耦合器的低功耗2×2馬赫曾德干涉光開關，制備該芯片并對其進行實驗表征和調試測試。其在1564nm 的波長下能夠實現超過16dB的消光比。由于制備過程中存在誤差，工作波長與設計波長有些許出入，但光開關的開關狀態與理論一致，光開關的響應速度在百微秒左右。該結構可靠性高，加工簡易，成本低，偏振依賴小，耦合傳輸損耗低，功耗僅為450mW。改進芯片制備工藝能使波導截面處更加平滑，鍍金屬電極能減少損耗，光開關的性能將進一步得到提升。更加先進的制造技術可使器件性能加強。通過拓撲集級聯形成的多端集成芯片，配合優化算法實現開關路由，這在未來全光器件的光通信及光計算領域將會發揮重要作用。

參考文獻：

[1]KUMAR A， GUPTA M， PITCHAPPA P， et al.Phototunable chip-scale topological photonics：160Gbps waveguide and demultiplexer for THz6G communication[J]. Nature Communications，2022，13（1）：5404.

[2]CABANES V D， VAN DYCK C， OSELLA S， et al.Challenges for incorporating optical switchability in organic-based electronic devices[J]. ACS Applied Materials amp; Interfaces，2021，13（24）：27737–27748.

[3]孫小強， 劉崧岳， 李鵬飛， 等. 硅基光開關及陣列研究進展 [J]. 半導體光電，2022，43（2）：207–217.

[4]查英， 孫德貴， 劉鐵根， 等. 擴展 BANYAN 網絡的可重構無阻塞8×8矩陣光開關 [J]. 光學精密工程，2007，15（1）：50–56.

[5]TAKAHASHI M， YAMASAKI S， UCHIDA Y， et al.Compact and low-loss ZrO2-SiO2 PLC-Based8×8multicast switch for CDC-ROADM application[J].Journal of Lightwave Technology，2016，34（8）：1712–1716.

[6]KUDO M， OHTA S， TAGUCHI E， et al. A proposal of Mach-Zehnder mode/wavelength multi/demultiplexer based on Si/silica hybrid PLC platform[J]. Optics Communications，2019，433：168–172.

[7]HONJO T， INOUE K， SAHARA A， et al. Quantum key distribution experiment through a PLC matrix switch[J]. Optics Communications，2006，263（1）：120–123.

[8]CHERCHI M， HARJANNE M， YLINEN S， et al. Flat top MZI filters： a novel robust design based on MMI splitters[C]//Proceedings of SPIE9752， Silicon Photonics XI. San Francisco： SPIE，2016：975210.

[9]NIRAULA B B， RIZAL C. Design of a2×4Hybrid MMI-MZI configuration with MMI phase-shifters[J].Materials，2019，12（9）：1555.

[10]WANG J， YI J， GUO L J， et al. Improved silica-PLC Mach-Zehnder interferometer type optical switches with error dependence compensation of directional coupler[J]. Optics amp; Laser Technology，2017，89：208–213.

[11]周林杰， 陸梁軍， 郭展志， 等. 集成光開關發展現狀及關鍵技術 （特邀）[J]. 光通信研究，2019（1）：9–26.

[12]DUAN F， CHEN K， CHEN D， et al. Low-power and high-speed2×2thermo-optic MMI-MZI switch with suspended phase arms and heater-on-slab structure[J].Optics Letters，2021，46（2）：234–237.

[13]馬瓊芳， 黃永清， 黃輝， 等. 一種基于多模干涉耦合器的集成光開關研制 [J]. 光電子·激光，2010，21（9）：1276–1279.

[14]楊長屹， 黃永清， 黃輝， 等.2×2InP/InGaAsP MMI MZI 型光開關設計與實驗 [J]. 電子器件，2009，32（3）：485–488.

[15]CHEN J， FENG J J， LIU H P， et al. Femtosecond laser modification of silica optical waveguides for potential bragg gratings sensing[J]. Materials，2022，15（18）：6220.

[16]SUN X Y， FENG J J， ZHONG L M， et al. Silicon nitride based polarization-independent4 × 4optical matrix switch[J]. Optics amp; Laser Technology，2019，119：105641.

[17]DING M S， WONFOR A， CHENG Q X， et al. Hybrid MZI-SOA InGaAs/InP photonic integrated switches[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2018，24（1）：3600108.

[18]SUZUKI K， KONOIKE R， SUDA S， et al. Low-loss，low-crosstalk， and large-scale optical switch based on silicon photonics[J]. Journal of Lightwave Technology，2020，38（2）：233–239.

[19]SUZUKI K， KONOIKE R， HASEGAWA J， et al. Low insertion-loss and power-efficient32×32silicon photonics switch with extremely high-Δ Silica PLC connector[J]. Journal of Lightwave Technology，2019，37（1）：116–122.

[20]GAO L， SUN J， SUN X Q， et al. Simulation and optimization of a polymer2×2multimode interference Mach Zehnder interferometer electro-optic switch with push –pull electrodes[J]. Optics amp; Laser Technology，2010，42（1）：85–92.

[21]LIAO M， WU B， Huang W， et al. Synchronous driving scheme for silicon-based optical switches to critically compensate for thermo-optic effect in carrier injection[J]. Applied Optics，2017，56（2）：205–210.

[22]SHASTRI B J， TAIT A N， DE LIMA T F， et al.Photonics for artificial intelligence and neuromorphic computing[J]. Nature Photonics，2021，15（2）：102–114.

[23]ZHOU H L， ZHAO Y H， WANG X， et al. Self-learning photonic signal processor with an optical neural network chip[Z]. ACS Photonics，2020，7：792?799.

[24]TANIZAWA K， SUZUKI K， TOYAMA M， et al.Ultra-compact32×32strictly-non-blocking Si-wire optical switch with fan-out LGA interposer[J]. Optics Express，2015，23（13）：17599–17606.

[25]SHOKRANEH F， GEOFFROY-GAGNON S，LIBOIRON-LADOUCEUR O. The diamond mesh， a phase-error- and loss-tolerant field-programmable MZI based optical processor for optical neural networks[J].Optics Express，2020，28（16）：23495–23508.

[26]DIEMEER M B J. Polymeric thermo-optic space switches for optical communications[J]. Optical Materials，1998，9（1/4）：192–200.

[27]SOLDANO L B， PENNINGS E C M. Optical multi mode interference devices based on self-imaging：principles and applications[J]. Journal of Lightwave Technology，1995，13（4）：615–627.

[28]馬春生， 劉式墉. 光波導模式理論 [M]. 長春： 吉林大學出版社，2006.

[29]孫一翎， 江曉清， 王明華. 多模干涉耦合器重疊成像特性分析 [J]. 光電子·激光，2004，15（2）：134–137.

（編輯：李曉莉）