光開關(guān)是構(gòu)成開關(guān)陣列的基本元素，本文主要對開關(guān)單元、4×4部分阻塞型開關(guān)陣列和4×4嚴(yán)格無阻塞型開關(guān)陣列進(jìn)行了設(shè)計(jì)及性能仿真，并對兩種開關(guān)陣型做了性能和結(jié)構(gòu)的對比，部分阻塞型開關(guān)附加損耗為11.598dB～11.653dB，串?dāng)_為- 21.8～-14.5dB。嚴(yán)格無阻塞型光開關(guān)陣列附加損耗18.2443dB～ 18.8512dB，串?dāng)_為-25.8dB～-16.8dB。二者的小光比都在14-25dB范圍內(nèi)變化。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)波光學(xué) 定向耦合器 開關(guān)陣列 SOI

1 引言

SOI（silicon-on-insulator）材料的光開關(guān)具有與傳統(tǒng)硅技術(shù)相兼容、實(shí)現(xiàn)光電的集成，開關(guān)響應(yīng)時(shí)間快，精湛的加工工藝和造價(jià)低廉等優(yōu)勢，而成為全世界廣泛應(yīng)用的具有發(fā)展前景的半導(dǎo)體材料。

光開關(guān)陣列的結(jié)構(gòu)按功能分可以分為嚴(yán)格無阻塞型、可重構(gòu)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(guān)陣列和嚴(yán)格無阻塞型開關(guān)陣列的性能及結(jié)構(gòu)做對比，開關(guān)單元采用定型耦合器型MZI結(jié)構(gòu)，利用Opti-bpm軟件模擬了開關(guān)單元及開關(guān)陣列的結(jié)構(gòu)，并對其性能進(jìn)行分析。

2 開關(guān)單元的設(shè)計(jì)

大規(guī)模的光開關(guān)陣列通常可以由2×2的開關(guān)單元按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)級聯(lián)而成。我們設(shè)計(jì)的兩種4×4開關(guān)單元都是采用這種方式。開關(guān)單元才用了定向耦合器型MZI結(jié)構(gòu)，其由兩個定向耦合器，兩個調(diào)制臂、電極以及輸入輸出波導(dǎo)構(gòu)成。光信號經(jīng)過第一個定向耦合器被等分成兩路，經(jīng)過兩個對稱的相移臂傳輸之后再經(jīng)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(jìn)行移相，可以調(diào)節(jié)最終的光是從交叉態(tài)端口還是從直通態(tài)端口輸出。采用熱光效應(yīng)和電流注入（等離子色散效應(yīng)）都可以改變相移臂的折射率，實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換。

文中所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)參數(shù)為脊寬w=4，脊高h(yuǎn)=0.6μm、脊波導(dǎo)最高度H=1μm，波導(dǎo)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(guān)陣列結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出其結(jié)構(gòu)非常簡單，只由4個2×2開關(guān)單元和一對交叉波導(dǎo)構(gòu)成。4×4嚴(yán)格無阻塞型光開關(guān)陣列，其結(jié)構(gòu)相對于前者要繁瑣一些，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜一些，開關(guān)陣列采用12個基本開關(guān)大院由三級級連而成，每級四個開關(guān)單元，此開關(guān)陣列通過簡化樹形的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)完成的，其有最少的開關(guān)單位和最少的波導(dǎo)連接等優(yōu)點(diǎn)，如圖1（b）所示。

通過結(jié)構(gòu)圖，用OptiSystem軟件生成MZI光開關(guān)單元組成的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)的矩陣開關(guān)壓縮為子系統(tǒng)，在 矩陣光開關(guān)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(jié)論

設(shè)計(jì)并制作了4×4部分阻塞型光開關(guān)和嚴(yán)格無阻塞型光開關(guān)，部分阻塞型光開關(guān)陣列附加損耗為11.598dB～11.653dB，串?dāng)_為- 21.8～-14.5dB。嚴(yán)格無阻塞型光開關(guān)陣列附加損耗18.2443dB～18.8512dB，串?dāng)_為- 25.8dB～-16.8dB。二者的小光比都在14～25dB范圍內(nèi)變化。通過對兩種開關(guān)陣列的模擬與仿真分析，我們可以看出部分阻塞型的開關(guān)陣列輸出性能要優(yōu)于嚴(yán)格無阻塞的開關(guān)陣列，原因?yàn)榍罢叩年嚵袡C(jī)構(gòu)相對于后者要簡單很多，級連少產(chǎn)生的串?dāng)_和損耗都會相應(yīng)的減小，前者優(yōu)良的輸出特性更是完勝后者。但部分阻塞型光開關(guān)陣列并不能在當(dāng)代高速大容量的DWDM全光網(wǎng)中生存下去，最大的危機(jī)就是會使OXC出現(xiàn)阻塞問題，嚴(yán)重的影響系統(tǒng)的通訊性能，因此，一般將它應(yīng)用在光網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)、自動保護(hù)倒換和、監(jiān)視和光器件的測試等領(lǐng)域。

（通訊作者：郭麗君）

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作者簡介

邢斌（1990-），男 ，碩士研究生。研究方向?qū)Рü鈱W(xué)。

郭麗君（1978-），女，副教授，研究方向?qū)Рü鈱W(xué)。

齊琳（1991-），女，碩士研究生，研究方向?qū)Рü鈱W(xué)。

作者單位

長春理工大學(xué)光電信息科學(xué)與技術(shù)系 吉林省長春市 13000