SOI 4×4严格阻塞型开关阵列与部分阻塞型开关阵列的比较

光开关是构成开关阵列的基本元素，本文主要对开关单元、4×4部分阻塞型开关阵列和4×4严格无阻塞型开关阵列进行了设计及性能仿真，并对两种开关阵型做了性能和结构的对比，部分阻塞型开关附加损耗为11.598dB～11.653dB，串扰为- 21.8～-14.5dB。严格无阻塞型光开关阵列附加损耗18.2443dB～ 18.8512dB，串扰为-25.8dB～-16.8dB。二者的小光比都在14-25dB范围内变化。

【关键词】导波光学 定向耦合器 开关阵列 SOI

1 引言

SOI（silicon-on-insulator）材料的光开关具有与传统硅技术相兼容、实现光电的集成，开关响应时间快，精湛的加工工艺和造价低廉等优势，而成为全世界广泛应用的具有发展前景的半导体材料。

光开关阵列的结构按功能分可以分为严格无阻塞型、可重构无阻塞型和部分阻塞型。本文主要针对4×4部分阻塞型光开关阵列和严格无阻塞型开关阵列的性能及结构做对比，开关单元采用定型耦合器型MZI结构，利用Opti-bpm软件模拟了开关单元及开关阵列的结构，并对其性能进行分析。

2 開关单元的设计

大规模的光开关阵列通常可以由2×2的开关单元按一定的拓扑结构级联而成。我们设计的两种4×4开关单元都是采用这种方式。开关单元才用了定向耦合器型MZI结构，其由两个定向耦合器，两个调制臂、电极以及输入输出波导构成。光信号经过第一个定向耦合器被等分成两路，经过两个对称的相移臂传输之后再经过二个定向耦合器合成一路光输出，通过改变其中一个相移臂的折射率对光进行移相，可以调节最终的光是从交叉态端口还是从直通态端口输出。采用热光效应和电流注入（等离子色散效应）都可以改变相移臂的折射率，实现开关切换。

文中所设计的波导参数为脊宽w=4，脊高h=0.6μm、脊波导最高度H=1μm，波导宽度为9μm，nsi=3.44、nsio2=3.40、nair=1。图1（a）为4×4部分阻塞型光开关阵列结构示意图，可以看出其结构非常简单，只由4个2×2开关单元和一对交叉波导构成。4×4严格无阻塞型光开关阵列，其结构相对于前者要繁琐一些，拓扑结构也相对复杂一些，开关阵列采用12个基本开关大院由三级级连而成，每级四个开关单元，此开关阵列通过简化树形的结构来设计完成的，其有最少的开关单位和最少的波导连接等优点，如图1（b）所示。

通过结构图，用OptiSystem软件生成MZI光开关单元组成的网络，设计的矩阵开关压缩为子系统，在 矩阵光开关的1输入端口输入中心波长为1550μm，输出能量为1w的激光。

3 结论

设计并制作了4×4部分阻塞型光开关和严格无阻塞型光开关，部分阻塞型光开关阵列附加损耗为11.598dB～11.653dB，串扰为- 21.8～-14.5dB。严格无阻塞型光开关阵列附加损耗18.2443dB～18.8512dB，串扰为- 25.8dB～-16.8dB。二者的小光比都在14～25dB范围内变化。通过对两种开关阵列的模拟与仿真分析，我们可以看出部分阻塞型的开关阵列输出性能要优于严格无阻塞的开关阵列，原因为前者的阵列机构相对于后者要简单很多，级连少产生的串扰和损耗都会相应的减小，前者优良的输出特性更是完胜后者。但部分阻塞型光开关阵列并不能在当代高速大容量的DWDM全光网中生存下去，最大的危机就是会使OXC出现阻塞问题，严重的影响系统的通讯性能，因此，一般将它应用在光网络的恢复、自动保护倒换和、监视和光器件的测试等领域。

（通讯作者：郭丽君）

参考文献

[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]杨笛，李艳萍，陈少武， et al. A 4×4 Strictly Nonblocking Silicon-on-Insulator Thermo-Optic Switch Matrix[J].Chinese Physics Letters， 2005，22（06）：1446-1448.

[3]李淳飞.全光开关原理[J].北京：科学出版社，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.

作者简介

邢斌（1990-），男 ，硕士研究生。研究方向导波光学。

郭丽君（1978-），女，副教授，研究方向导波光学。

齐琳（1991-），女，硕士研究生，研究方向导波光学。

作者单位

长春理工大学光电信息科学与技术系 吉林省长春市 13000