岳建波，孫小強，王曼卓，孫朝陽，姚振濤，張越，王菲，張大明

（吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子國家重點實驗室，長春 130012）

0 引言

隨著大數據、人工智能、云計算等領域的不斷發(fā)展，人們對通信系統(tǒng)的數據傳輸能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的多路信號復用技術，如波分復用（Wavelength-division Multiplexing，WDM）［1-3］、時分復用（Timedivision Multiplexing，TDM）［4-5］等，已無法滿足快速增長的數據處理速度和容量需求。近年來，模分復用（Mode-division Multiplexing，MDM）［6-7］技術作為解決這一問題的方法，受到的人們的廣泛關注。模分復用技術的優(yōu)勢在于，可以利用光的空間維度擴展波長通道容量。為了實現片上模分復用系統(tǒng)，人們提出了不同的模式控制器件，如模式多路復用/解復用器［8］、模式轉換器［9］和模式開關［10-11］等。其中模式開關作為一種關鍵光子器件，具有對光信號進行模式選擇和轉換的功能，對提高通信系統(tǒng)的靈活性、帶寬利用率和信號品質具有重要作用。

目前，已報道的MDM 系統(tǒng)模式光開關主要結構包括微環(huán)諧振器（Micro-Ring Resonator，MRR）［12］、多模干涉耦合器（Multimode Interference，MMI）［13-14］、定向耦合器（Directional Coupler，DC）［15-17］、馬赫曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder interferometer，MZI）［18-19］等。每種結構各有優(yōu)劣，微環(huán)諧振器結構簡單、集成度高，但較易受到環(huán)境溫度影響產生波長漂移，工作穩(wěn)定有待提高。多模干涉耦合器易于制備，工藝容差大，但損耗和串擾相對較高。定向耦合器結構簡單、耦合效率高，但對工藝精度要求較高。馬赫曾德爾干涉儀結構調制方便，光損耗較低，但對光的相位穩(wěn)定性要求較高。這些模式開關的調制方式主要基于電光效應、磁光效應和熱光效應等。電光開關具有較快的響應速度和較低的功耗，適用于高速光信號的切換；磁光開關功耗低、穩(wěn)定性好，適用于大規(guī)模集成和高容量的光路切換，但這兩種開關對制備工藝和工作電壓有一定要求。熱光開關制備工藝簡單、成本低，但速度較慢，適于光路保護和路由切換等場合。2019年，GAO Yang 等［20］提出了一種基于不對稱MZI 結構的熱光模式開關，該模式開關采用聚合物材料制備，開關功率為15.4 mW，消光比為10.5 dB。2023年DING Yinzhi 等［21］提出一種基于MZI結構的熱光模式選擇開關，采用二氧化硅材料制備，其開關功率為433.24～440.15 mW，消光比大于24 dB。上述工作中，聚合物材料具有較大的熱光系數，功耗較低，但是材料吸收導致的損耗相對較大。二氧化硅波導傳輸損耗很小，但是熱光系數相對較低，功耗較大，在大規(guī)模集成方面受到一定限制。

本文提出并制備了一種基于MZI結構的二氧化硅波導模式開關，該模式開關可支持E00模式和E10模式選擇性輸出。采用三維有限差分束傳播方法（3DFD-BPM）對二氧化硅波導幾何參數進行了數值仿真，并對開關結構和性能進行了優(yōu)化。利用二氧化硅的熱光效應，通過調制臂波導上方的金屬移相器產生π 相移，從而實現E00和E10模式在兩個端口的選擇性輸出。通過波導兩側的空氣隔離槽提高熱調制效率，同時減小調制臂間的熱串擾。在1 550 nm 波長下，當輸入E00模式時，串擾小于-17.13 dB，消光比大于16.7 dB，當輸入E10模式時，串擾小于-19.84 dB，消光比大于22.5 dB，開關功耗為230 mW。本文提出的模式開關可應用于片上MDM 系統(tǒng)中，用以增加光通信系統(tǒng)的信道容量。

1 仿真與設計

本文設計的基于MZI結構的二氧化硅波導模式開關如圖1所示，該模式開關由兩個非對稱定向耦合器組成，其中每個非對稱定向耦合器包括一個單模波導和一個多模波導。該非對稱定向耦合器是一個3 dB 模式分路器，用于將輸入模式均分為E00模式和E10模式。移相器用于改變單模波導中模式的相位。同時在移相器兩側引入了空氣槽，用來減小移相器引起的熱串擾，并提高熱場調制效率。圖1（b）所示是調制臂截面示意圖，，器件的上包層和下包層為低折射率二氧化硅，芯層為摻鍺的高折射率二氧化硅，芯層和包層折射率差為2%。在1 550 nm 下，器件芯層和包層的折射率分別為1.447 和1.474 1。上包層和下包層的厚度分別為20 μm 和10 μm，芯層波導的厚度Ha為4 μm。

圖1 模式選擇開關結構圖Fig.1 Structure of MZI mode selecting switch

在確定波導尺寸之前，計算了波導的有效折射率隨波導寬度的變化，結果如圖2所示。為了減小單模波導對偏振的依賴性，將單模波導的寬度Wa設置為4 μm，此時E00模式的有效折射率為1.462 0。為了使3 dB模式分路器能夠正常工作，多模波導中E10模式的有效折射率應與單模波導中E00模式的有效折射率相匹配，因此多模波導的寬度Wb設置為9.9 μm。為了將輸入3 dB 模式分路器的模式均分為E00模式和E10模式，基于上述波導參數，采用三維有限差分光束傳播方法確定3 dB 模式分路器的耦合長度和耦合間距，將非對稱定向耦合器的耦合間距Gap3和直波導長度Lc分別設置為5.5 μm 和1 255 μm。

圖2 1 550 nm 波長下厚度為4 μm 的二氧化硅波導的有效折射率與寬度的關系Fig.2 Relationship between the effective refractive index and width of a silica waveguide with a thickness of 4 μm at 1 550 nm

開關工作時，電極驅動功率確定為［22-23］

式中，?是熱光系數，Δn是折射率的變化，ΔT是溫度變化，Le是電極的長度，We是電極的寬度，K是熱導率，H是電極到芯層的距離，P是驅動功率，其中，熱光系數?、熱導率K和距離H分別為1.19×10-5、1.3W·m-1·K-1和11 μm。在確定器件尺寸時，考慮到PLC 平臺的實際要求，將金屬移相器的長度Le和寬度We分別設置為3 520 μm 和21 μm。為了防止相鄰調制臂之間產生嚴重的熱串擾，將調制臂之間的間距Gap2設置為250 μm。同時，為了匹配雙通道光纖陣列的間距，將輸入波導間距和輸出波導間距Gap1也設置為250 μm?？諝獠鄣膶挾萕AT設置為35 μm，深度為35 μm，空氣槽是將上包層和下包層一起刻去，同時刻蝕掉一部分硅襯底。利用有限元法仿真模擬了在219.2 mW 功率下的加熱器的熱場分布圖，圖3（a）所示是傳統(tǒng)加熱器結構的熱場分布圖，圖3（b）所示是引入空氣槽后，加熱器的熱場分布圖。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)的結構相比，采用空氣槽結構可以明顯提高熱場密度，減少熱量向兩側發(fā)散，提高熱調制效率，同時相鄰波導之間的熱串擾也得到了改善。另外，為了在多模波導中引入一固定的相位差，多模波導直波導臂設置為對稱的錐型波導，使到達第二個3 dB 模式分路器時的E00模式和E10模式時相位相同。錐型波導的寬度Wc設置為9.8 μm。該模式開關的總長度為13 240 μm。

圖3 加熱器的熱場分布Fig.3 Thermal field distribution of the heater

在上述確定的幾何尺寸下，為了確定模式開關在不同工作狀態(tài)下的驅動功率，模擬仿真了傳輸損耗隨驅動功率的變化。圖4（a）所示是當輸入E00模式時，傳輸損耗與驅動電壓的關系。在1 550 nm 處，當E00模式進入第一個3 dB 模式分路器后，會平均分為E00模式和E10模式，當電極不工作時，兩個模式經過第二個3 dB模式分路器后會耦合到多模波導中，從O2端口輸出E10模式，傳輸損耗為-0.052 dB，消光比和串擾分別為31.453 dB 和-28.265 dB。當對電極施加219.2 mW 的功率后，會在兩種模式之間引入π 的相位差，然后在第二個3 dB 模式分路器中，兩種模式會耦合到單模波導中，從輸出O1輸出E00模式，傳輸損耗為-0.087 dB，消光比和串擾分別為28.23 dB 和-31.41 dB，模場分布圖如圖4（c）所示。同樣，當向多模波導中輸入E10模式后，傳輸損耗與驅動功率的關系如圖4（b）所示。電極不工作時，從O1輸出E00模式，傳輸損耗為-0.096 dB，消光比和串擾分別為30.694 dB 和-30.905 dB。當電極工作功率為219.2 mW 時，從O2輸出E10模式，傳輸損耗為-0.056 dB，消光比和串擾分別為30.945 dB 和-30.734 dB，模場分布圖如圖4（d）所示。

圖4 器件的傳輸損耗和模場分布Fig.4 Transmission loss and mode field distribution of the device

考慮到測試中需要E10模式光，因此在輸入端引入一個非對稱定向耦合器，通過它可以將輸入的E00模式轉化為E10模式，結構如圖5（a）所示。通過光束傳播法優(yōu)化后，耦合間距設置為3.2 μm，耦合長度設置為3 500 μm。圖5（b）所示是E00模式激發(fā)E10模式的光場分布，器件的耦合效率為99.7%。需說明的是，該高階模式轉換器僅是為了在表征器件的性能時采用。

圖5 E10模式激發(fā)裝置Fig.5 E10 mode excitation device

2 制備與測試

本文模式開關基于二氧化硅平臺規(guī)則設計和制備（河南仕佳光子）。首先，采用等離子體增強化學氣相沉積法將低折射率二氧化硅沉積在清洗后的硅襯底表面作為下包層。然后使用化學機械拋光法來控制二氧化硅下包層的厚度和表面平整度，控制二氧化硅下包層的厚度為15 μm。二氧化硅芯層也是通過等離子體增強化學氣相沉積法來依次沉積，通過摻雜鍺元素調節(jié)二氧化硅芯層的折射率。通過控制二氧化硅芯層沉積速率，使高折射率二氧化硅芯層的厚度控制為4 μm。然后，通過紫外光刻和電感耦合等離子體蝕刻形成二氧化硅波導。之后，采用等離子體增強化學氣相沉積法在二氧化硅波導表面沉積低折射率二氧化硅上包層，再采用化學機械拋光方法研磨低折射率二氧化硅薄膜表面，形成15 μm 厚的二氧化硅上包層。金屬移相器采用磁控濺射法制備。制備的模式開關實物如圖6（a）所示，另外，還依次通過光刻和電感耦合等離子體蝕刻，形成35 μm 深的空氣隔離槽，如圖6（b）所示?？紤]到實際工藝的精度和誤差，以及其他不確定因素可能會造成器件的初始工作狀態(tài)產生偏移。在實際制備器件時，分別在單模波導調制臂和多模波導調制臂上制備了電極，電極的參數相同。

圖6 制備的模式開關實物Fig.6 Diagram of the fabricated mode switch

器件測量裝置示意圖如圖7所示。來自可調諧激光器（TSL-550，Santec Ltd.，JP）的光通過偏振控制器之后耦合到二氧化硅波導中。通過調控三維耦合平臺的位置，使輸入光纖和輸出光纖與二氧化硅波導端口對齊。輸出光通過單模光纖耦合到光功率計（MPM-210H，Santec Ltd.，JP）中，測量輸出功率。來自信號發(fā)生器（Keithley 2450，SourceMeter Ltd.，US）的外部電驅動信號通過金屬探針施加到金屬電極上。示波器（DS1202，Rigol Ltd.，CN）與光電探測器級聯，對器件的開關響應時間進行表征。

圖7 測量裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the measurement device

為了表征制備的器件的工作帶寬，掃描所制備的器件在1 530 nm 到1 565 nm 波長下的插入損耗。當來自可調諧激光器的光信號耦合至單模波導中，且沒有施加電壓時，從多模波導輸出E10模式，在1 550 nm 波長下，插損為-4.0 dB，串擾為-18.71 dB，消光比為16.7 dB，在c 波段，最差的串擾為-14.13 dB，消光比大于8.03 dB。當電功率為230 mW 時，從單模波導輸出E00模式，在1 550 nm 波長下，插損為-3.5 dB，串擾為-17.13 dB，消光比為19.14 dB。在1 530 nm 到1 565 nm 波長范圍內，最差的串擾為-8.66 dB，消光比大于14.75 dB，如圖8（a）所示。類似，當光耦合到多模波導中時，默認狀態(tài)下，在1 550 nm 波長處，插損為-14.97 dB，串擾為-19.84 dB，消光比為22.5 dB。在1 530 nm 到1 565 nm 波長范圍內，串擾小于-8.71 dB，消光比大于14.93 dB。當電功率為230 mW，在1 550 nm 波長下，插損為-7.42 dB，串擾為-30.05 dB，消光比為27.39 dB。在1 530 nm 到1 565 nm 波長范圍內，串擾小于-22.84 dB，消光比大于18.86 dB，如圖8（b）所示。

圖8 器件在1 530 nm～1 565 nm 波長下的插入損耗Fig.8 Insertion loss of the device at 1 530 nm～1 565 nm

為了表征設備的動態(tài)特性，輸出光被耦合到光電探測器中。該探測器將光信號轉換為電信號，并在數字示波器（DS1202，Rigol Ltd.，CN）上顯示。加載到電極加熱器上的電信號是頻率為200 Hz 的方波驅動信號。輸入電信號和輸出光功率信號波形分別圖9所示。測得模式開關的上升時間和下降時間分別為0.7 ms和1 ms。

圖9 制備模式開關的響應時間Fig.9 Response time of the prepared mode switch

測量的數據與仿真結果存在一定差距，并且在輸入E10模式狀態(tài)下的損耗比輸入E00模式狀態(tài)下損耗大。這主要是由于工藝誤差以及用于產生E10模式的耦合器所帶來影響造成的。因定向耦合器結構對工藝的要求很嚴格，耦合間距和耦合長度的變化都將不可避免地在輸出端帶來一些多余的串擾，從而使功率損耗惡化。下一步可通過測試結果來優(yōu)化器件的參數和結構獲得更好的性能。

本文所提出熱光模式開關與其他文獻報道的模式開關性能對比如表1所示。與已有工作相比，本文制備器件的消光比更大，為16.7 dB，這主要是由于二氧化硅波導相對較高的工藝精度，以及二氧化硅波導低損耗特性。此外，本文模式開關的功耗相對較大，開關時間相對較長，這主要是因為二氧化硅波導的熱光系數較低，同時上包層和芯層距離較大，下一步可通過采用聚合物作為上包層來降低器件的開關功耗和響應時間。

表1 本文提出的熱光模式開關與已報到的模式開關性能對比Table 1 Performance comparison between the proposed thermo-optic mode switch and the reported mode switches

3 結論

本文提出了一種基于MZI結構的二氧化硅波導模式開關，該器件由兩個多模波導和單模波導形成的非對稱定向耦合器連接組成。二氧化硅波導芯層和包層折射率差為2%。使用金屬電極產生的熱場改變二氧化硅波導的有效折射率，從而使單模波導的E00模式和多模波導的E10模式在不同的輸出端口切換和輸出。同時引入空氣隔離槽提高熱調制效率和減小調制臂間的熱串擾。在1 550 nm 處，開關功率為230 mW，開關的上升時間和下降時間分別為0.7 ms和1 ms，消光比大于16.7 dB，串擾小于-14.97 dB。在1 530～1 565 nm 范圍內，最差串擾為-8.66 dB，消光比大于8.03 dB。與已報道的的模式開關相比，其具有較低的波導損耗和更好的穩(wěn)定性，制備方法與CMOS 工藝相兼容，與光纖耦合損耗小，在片上模分復用系統(tǒng)中具有良好的應用前景。