片上光开关

光开关（optical switch）的主要作用是在光网络节点处实现光信号的通断，或者信号在不同链路的切换，如下图所示。Switch本身就有切换的意思，但是翻译成中文，变成了开关，意思差了一点。光开关的输入端为1个或多个端口，输出端为2个或多个端口。

（图片来自 http://www.rfwireless-world.com/Terminology/Optical-Switching-basics-and-types-of-Optical-Switching.html）

实现光开关的途径比较多，这篇笔记主要介绍光芯片上光开关的实现，传统自由空间光学的方式这里不做介绍。片上光开关主要分为三类：1）SOA型，2）干涉型，3）MEMS型。小豆芽为大家一一道来。

1. SOA型光开关

SOA的全称是semiconductor optical amplifier, 即半导体光放大器。其典型结构如下图所示，

（图片来自http://www.fiber-optic-tutorial.com/introduction-of-optical-amplifier.html）

SOA与半导体激光器的结构非常相似，只是有源层两端不是高反射的薄膜，而是抗反射的薄膜。借助于III-V族材料的光增益性质，通过改变注入电流的大小来控制光信号的强弱，进而实现开关的功能，其典型光路结构如下图所示，使用时需配置好每一路中SOA的注入电流，完成光在指定光路的切换。

（图片来自文献1）

2. 干涉型光开关

干涉型光开关根据光路的结构细分为Mach-Zehnder型与micro-ring型。Mach-Zehnder型的基本结构如下图所示，

（图片来自文献2）

该类型光开关由两个2x2的定向耦合器与相移器构成，定向耦合器也可以替换为MMI_2x2。当相移器处的相位为0时，信号从cross端口输出；当相位为pi时，信号从through端口输出。通过改变相移器的相位即可实现信号在不同端口的切换。相移器可以是基于热光效应的theraml phase shifter, 也可以是基于载流子浓度变化的电光相移器。

以MZI_2x2为基本单元，可以构成端口更多的光开关阵列，下图为华为在OFC2018展示的32x32硅光开关阵列，共包含68个edge coupler, 896个MMI, 448个相移器，896个PD, 1856个crossing，相当复杂。图中红蓝两条线展示了不同情况下光信号在不同路径中的传输。

（图片来自文献3）

mirco-ring型光开关的结构如下图所示，

（图片来自文献2）

该结构主要由微环以及相移器构成，微环具有波长选择的功能，当输入波长为微环的共振波长时，信号从drop端口输出，当输入波长为其他波长时，信号从through端口输出。微环对工艺、温度等参数都比较敏感。

3. MEMS型光开关

MEMS型光开关的结构如下图所示，

（图片来自文献4）

在off状态下，coupler波导与bus波导相距1um, 信号从bus波导的through端口输出，在on状态下，MEMS结构加电后，coupler波导与bus波导相距125nm，光从bus波导耦合进coupler波导，从而导致信号从cross端口输出。借助于MEMS结构，实现了信号在两个端口的切换。

下图是几种类型光开关的比较，

（图片来自文献5）

SOA型光开关的速度为纳秒量级，插入损耗较小，串扰较小，但功耗较大（需注入电流）。Mach-Zehnder型基于电光效应的光开关，其开关速度为ns量级，但是由于其使用了较多的3dB耦合器，其插损较大，并且插损较大。Mach-Zehnder型基于热光效应的光开关，其开关速度为毫秒量级。基于MEMS的片上光开关，其速度为亚微妙量级，串扰较小。

SOA型与Mach-Zehnder E-O型光开光具有一定的优势，人们正在尝试将这两种类型结合起来，利用die-bonding的方式将SOA贴到硅光芯片上，进而构成光开关阵列，如下图所示，

（图片来自文献5）

以上是对片上光开关的简单介绍，文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. J. Wei, et.al., “Novel analysis of cross-talk peculiarity of semiconductor optical amplifier switches based on cross-gain modulation in optical packet-switched networks”, J. Opt. Soc. Am. B 22,2257(2007)
2. Z.Lu, PhD thesis, "Silicon Photonic Switches for Optical Communication Applications"
3. E. Burnier, et.al. , "Large-Scale Silicon Photonic Switch ", OFC 2018
4. T. Seok, et.al., "Highly Scalable Digital Silicon Photonic MEMS Switches ", J. Lightwave Technol. 34, 365 (2016).
5. Q. Cheng, et.al., "Photonic switching in high performance datacenters", Opt. Exp. 26,16022(2018)