8/20/2025，光纖在線訊，在數(shù)據(jù)中心、電信和先進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)迅猛發(fā)展的今天，光開關(guān)矩陣作為動(dòng)態(tài)路由光學(xué)信號(hào)的核心組件，正面臨著爆炸式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)硅光子開關(guān)矩陣雖已取得進(jìn)展，但受限于開關(guān)元件尺寸和熱串?dāng)_問題，難以實(shí)現(xiàn)高集成密度和大規(guī)模擴(kuò)展。

     近日，北京理工大學(xué)張偉峰研究團(tuán)隊(duì)在《Photonics Research》期刊上發(fā)表論文，提出一種新型可擴(kuò)展光開關(guān)矩陣。

     該方案采用超緊湊熱調(diào)諧微盤諧振器（MDR），在每個(gè)波導(dǎo)交叉點(diǎn)放置雙MDR，支持多方向路由和可重排非阻塞連接，不僅提升了輸入/輸出端口密度，還顯著降低了熱串?dāng)_。
      
  
雙諧振器如何破解路由瓶頸
     該開關(guān)矩陣的核心在于一個(gè)二維網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)戰(zhàn)略性地布置雙MDR，作為添加-丟棄配置的開關(guān)元件。這些MDR半徑僅為10微米，自由光譜范圍（FSR）達(dá)10.5納米，支持波長(zhǎng)選擇性操作。

     通過熱光效應(yīng)，頂部TiN微加熱器可獨(dú)立調(diào)控每個(gè)MDR的諧振波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在三個(gè)方向上的靈活路由：當(dāng)MDR處于諧振時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)向丟棄端口；否則沿輸入方向直通。這種雙MDR協(xié)作機(jī)制不僅增強(qiáng)了路由容量，還實(shí)現(xiàn)了空間和波長(zhǎng)雙重選擇性，支持兩個(gè)波長(zhǎng)通道。

     為解決高密度集成下的熱串?dāng)_難題，團(tuán)隊(duì)巧妙設(shè)計(jì)了工程化路由波導(dǎo)，在不擴(kuò)大網(wǎng)格單元尺寸（510微米邊長(zhǎng)）的前提下，將相鄰MDR間距擴(kuò)展至250微米。模擬結(jié)果顯示，這一設(shè)計(jì)使熱傳導(dǎo)引起的波長(zhǎng)漂移從0.65納米降至幾乎為零。

     此外，網(wǎng)格單元間引入深溝槽提供熱隔離，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方案兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，兼顧緊湊足跡、低功耗和波分復(fù)用兼容性，為大規(guī)模矩陣擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。

    
從靜態(tài)譜到高速眼圖的全面驗(yàn)證
     團(tuán)隊(duì)基于硅絕緣體（SOI）工藝，成功制造了一個(gè)1×8×2λ的硅光子開關(guān)芯片原型，芯片尺寸僅1.8毫米×1.5毫米。靜態(tài)傳輸譜測(cè)試顯示，所有八個(gè)MDR諧振波長(zhǎng)高度一致，F(xiàn)SR為10.5納米，3dB帶寬達(dá)164GHz，消光比（ER）高達(dá)19.4dB。

     熱調(diào)諧實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)MDR的波長(zhǎng)調(diào)諧效率為75.5pm/mW，開關(guān)時(shí)間約15微秒。開關(guān)性能評(píng)估表明，八個(gè)通道的開-關(guān)ER在20.0dB至26.2dB之間，通道串?dāng)_小于-16.7dB，插入損耗控制在2.0dB至5.8dB。

     熱串?dāng)_測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證了工程化路由的有效性：在傳統(tǒng)網(wǎng)格中，相鄰MDR波長(zhǎng)漂移達(dá)0.6納米，而優(yōu)化設(shè)計(jì)下僅0.1納米。高速度數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)中，芯片支持單波長(zhǎng)20Gbps NRZ OOK信號(hào)路由，眼圖ER達(dá)14.0dB至18.9dB；在雙波長(zhǎng)條件下，15Gbps和20Gbps信號(hào)同時(shí)路由，眼圖清晰開放，功率抑制超過12dB。

     這些結(jié)果證實(shí)了芯片在實(shí)際光學(xué)傳輸系統(tǒng)中的可靠性和高效性，盡管數(shù)據(jù)速率受測(cè)試設(shè)備限制，但MDR的寬帶特性暗示更高速率潛力。

邁向高密度光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的突破
     這項(xiàng)研究通過雙MDR和工程化路由的巧妙結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)矩陣在可擴(kuò)展性、端口密度和熱串?dāng)_控制上的全面優(yōu)化。

     未來，通過進(jìn)一步縮小MDR半徑至3.7微米并優(yōu)化熱管理，可支持更多波長(zhǎng)通道和更緊湊架構(gòu)，最大傳播損耗控制在17dB以內(nèi)。

     該方案不僅強(qiáng)化了硅光子在電信和計(jì)算領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，還為構(gòu)建高效、綠色光學(xué)網(wǎng)絡(luò)鋪平道路，預(yù)示著大規(guī)模集成光開關(guān)在數(shù)據(jù)爆炸時(shí)代的核心作用。

文章整理：Luceda