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低串?dāng)_低功耗硅基光開關(guān)設(shè)計(jì) | 廣西科毅光通信科技技術(shù)解析

2025-07-11

低串?dāng)_低功耗硅基光開關(guān)技術(shù)突破


在光電子集成芯片快速發(fā)展的背景下,2×2光開關(guān)作為光信息處理和信號(hào)路由的核心器件,在通信、傳感、量子系統(tǒng)及微波光子線路中具有不可替代的作用。隨著大規(guī)模光電子集成芯片需求的激增,光開關(guān)的性能指標(biāo)(如低串?dāng)_、低功耗)成為行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)。


廣西科毅光通信科技有限公司(官網(wǎng):www.m.bmortechnologies.com)作為專業(yè)光開關(guān)生產(chǎn)銷售企業(yè),始終聚焦光電子集成領(lǐng)域的技術(shù)革新。針對(duì)大規(guī)模光電子集成芯片對(duì)光開關(guān)性能的嚴(yán)苛需求,公司聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)推出低串?dāng)_、低功耗硅基光開關(guān)解決方案,其核心技術(shù)基于高度均衡的耦合器與折疊式移相器設(shè)計(jì),相關(guān)研究成果已發(fā)表于《Optics Letters》(2025 年第 50 卷第 1 期),為光通信、傳感及量子系統(tǒng)提供了高性能核心器件支持。



一、技術(shù)背景:2×2 光開關(guān)的性能瓶頸與突破方向

在光信息處理與信號(hào)路由中,2×2光開關(guān)是構(gòu)建大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)單元,其性能直接影響系統(tǒng)可靠性與能效。當(dāng)前主流實(shí)現(xiàn)方案存在明顯局限:

  • 微環(huán)諧振器(MRR):結(jié)構(gòu)緊湊但溫度敏感性極高,需復(fù)雜溫控機(jī)制維持穩(wěn)定,難以滿足大規(guī)模集成需求;

  • 傳統(tǒng)馬赫 - 曾德爾干涉儀(MZI):雖支持寬帶路由,但存在耦合器分光不均、移相臂損耗差異大等問題,導(dǎo)致串?dāng)_高、功耗高,限制了其在高密度集成場(chǎng)景的應(yīng)用。

 

廣西科毅光通信通過深入分析 MZI 開關(guān)的性能瓶頸,創(chuàng)新采用高度均衡多模干涉(MMI)耦合器折疊式高效移相器組合設(shè)計(jì),成功突破傳統(tǒng)技術(shù)限制,實(shí)現(xiàn)了低串?dāng)_、低功耗的硅基光開關(guān)量產(chǎn)化解決方案。




二、核心技術(shù):低串?dāng)_低功耗硅基光開關(guān)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

1. 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該硅基光開關(guān)基于 MZI 架構(gòu),核心由高度均衡 MMI 耦合器折疊式移相器組成,通過優(yōu)化波導(dǎo)與熱極金屬的折疊布局,實(shí)現(xiàn)高熱效率與低損耗特性。

 1.1MZI光開關(guān)的核心優(yōu)勢(shì)

·         寬帶光路由能力:與波長(zhǎng)無關(guān)的切換特性,適用于多波長(zhǎng)通信場(chǎng)景。

·         高溫度穩(wěn)定性:無需主動(dòng)反饋調(diào)諧,降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

·         低功耗設(shè)計(jì):通過折疊波導(dǎo)與金屬加熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化熱分布,顯著降低能耗。

圖1:硅基MZI光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

硅基MZI光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖_折疊波導(dǎo)與金屬加熱器設(shè)計(jì)_科毅光通信(低串?dāng)_光開關(guān)技術(shù))_www.m.bmortechnologies.com

(圖片說明:展示折疊波導(dǎo)、金屬加熱器及移相器橫截面設(shè)計(jì),標(biāo)注關(guān)鍵尺寸與材料參數(shù)。)

 

2. 高度均衡 MMI 耦合器設(shè)計(jì)

MMI 耦合器是決定 MZI 開關(guān)串?dāng)_的關(guān)鍵組件,其分光均衡性直接影響干涉消光效果。本設(shè)計(jì)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn):

  • 寬波段低損耗:C 波段插入損耗低于 0.14 dB,1550 nm 波長(zhǎng)下理論損耗僅 0.096 dB;

  • 高均衡性:分光不平衡度低于 0.13 dB(1550 nm 處低至 0.037 dB);

  • 工藝容忍度高:對(duì)硅波導(dǎo)寬度變化容忍度達(dá) ±40 nm,兼容主流硅光制造工藝,大幅降低量產(chǎn)難度。

  • 應(yīng)用價(jià)值:為大規(guī)模集成光芯片提供高穩(wěn)定性基礎(chǔ)組件。

 

圖2:MMI耦合器性能測(cè)試

MMI耦合器插入損耗與不均衡度測(cè)試_C波段性能數(shù)據(jù)_硅基光開關(guān)核心組件_科毅光通信技術(shù)_www.m.bmortechnologies.com

(圖片說明:展示不同波導(dǎo)寬度下的插入損耗與不均衡度曲線。)

 

3. 折疊式高效移相器設(shè)計(jì)

移相器功耗是制約光開關(guān)集成密度的核心因素,本設(shè)計(jì)采用折疊波導(dǎo) + TiW 合金加熱器組合方案:

  • 低功耗:π 相移功耗(Pπ)僅約 8 mW,較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)降低 50% 以上;

  • 高熱效率:200 nm 厚 TiW 合金加熱材料與波導(dǎo)尺寸精準(zhǔn)匹配,熱場(chǎng)分布均勻(如圖 3d);

  • 緊湊結(jié)構(gòu):折疊布局減少占用空間,適合高密度集成。

  • 開關(guān)速度:10%-90%上升/下降時(shí)間為22μs/9μs,滿足高速通信需求。

圖3:移相器設(shè)計(jì)與熱場(chǎng)分析

硅基移相器設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)_熱場(chǎng)分布與TiW合金加熱材料_低功耗光開關(guān)技術(shù)_科毅光通信_(tái)www.m.bmortechnologies.com
(圖片說明:展示波導(dǎo)彎曲結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)分布及熱場(chǎng)模擬結(jié)果。)



三、制造工藝與性能指標(biāo)

1. 高精密制造工藝流程

 采用電子束光刻(EBL) 感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù),關(guān)鍵參數(shù)控制:

  • 硅波導(dǎo):厚度 220 nm,寬度 500 nm,特殊區(qū)域(如 1.75 μm 半徑彎曲波導(dǎo))精準(zhǔn)成型;

  • 包層與埋氧層:厚度分別控制在 2.2 μm 和 2.0 μm,確保光場(chǎng)約束與散熱性能;

  • 兼容深紫外(DUV)光刻工藝,滿足大規(guī)模量產(chǎn)需求。

圖4:器件制造結(jié)果

硅基光開關(guān)制造顯微鏡與SEM圖像_折疊波導(dǎo)與MMI結(jié)構(gòu)_廣西科毅光通信科技_www.m.bmortechnologies.com

 (圖片說明:顯微鏡與SEM圖像展示折疊波導(dǎo)及MMI區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。)


2. 核心性能指標(biāo)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該硅基光開關(guān)綜合性能領(lǐng)先行業(yè)水平:

  • 低串?dāng)_:電子束光刻工藝器件串?dāng)_低于 - 35      dB,深紫外工藝器件低于 - 30 dB;

  • 低功耗:π 相移功耗僅 8 mW,大幅降低系統(tǒng)散熱壓力;

  • 快速響應(yīng):10%-90% 上升 / 下降時(shí)間分別為 22 μs/9 μs,支持高速光信號(hào)路由;

  • 低插入損耗:片上總損耗約 1.6 dB(含彎曲波導(dǎo) 0.3 dB、MMI 耦合器      0.3 dB 及直波導(dǎo)傳輸損耗)。

  • 穩(wěn)定性驗(yàn)證:在寬譜光測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的波長(zhǎng)適應(yīng)性。

 

圖5:光譜響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)

硅基光開關(guān)光譜響應(yīng)曲線_直通端與下載端性能對(duì)比_低串?dāng)_低功耗技術(shù)_科毅光通信_(tái)www.m.bmortechnologies.com 

(圖片說明:不同加熱功率條件下的輸出端口光譜響應(yīng)曲線。




四、應(yīng)用場(chǎng)景與行業(yè)價(jià)值

1. 核心應(yīng)用領(lǐng)域

  • 光通信網(wǎng)絡(luò):適用于數(shù)據(jù)中心高速光互聯(lián)、骨干網(wǎng)光交叉連接(OXC);

  • 光傳感系統(tǒng):支持高精度光信號(hào)路由與切換;

  • 量子信息處理:低串?dāng)_特性滿足量子態(tài)傳輸保真度要求;

  • 微波光子線路:適配寬帶信號(hào)處理需求。


2. 廣西科毅光通信產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)

作為專業(yè)光開關(guān)生產(chǎn)銷售商,公司將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為量產(chǎn)產(chǎn)品時(shí),額外實(shí)現(xiàn):

  • 成本優(yōu)化:兼容成熟硅光工藝,量產(chǎn)成本較傳統(tǒng)方案降低      30% 以上;

  • 可靠性保障:通過 - 40~+85寬溫測(cè)試,滿足 Telcordia GR-468 可靠性標(biāo)準(zhǔn);

  • 定制化服務(wù):可根據(jù)客戶需求調(diào)整端口配置、封裝形式(詳情訪問www.m.bmortechnologies.com)。



五、關(guān)于廣西科毅光通信科技有限公司

科毅光通信專注于光開關(guān)及光通信器件的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售,產(chǎn)品涵蓋硅基光開關(guān)、MEMS 光開關(guān)、集成光模塊等全系列解決方案。公司依托自主研發(fā)的低串?dāng)_、低功耗光開關(guān)核心技術(shù),為全球客戶提供高性能、高可靠的光網(wǎng)絡(luò)核心器件,廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、5G 通信、光纖傳感等領(lǐng)域。

 選擇合適的光開關(guān)是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后,詳細(xì)對(duì)比關(guān)鍵參數(shù),并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴

如需獲取該硅基光開關(guān)的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)、樣品申請(qǐng)或合作咨詢,歡迎訪問官網(wǎng)www.m.bmortechnologies.com,或聯(lián)系技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)

 


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