CN105659129A - 损耗补偿光切换 - Google Patents

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Abstract

损耗补偿补偿光开关包括光交叉开关和晶片键合半导体放大器(SOA)。光交叉开关具有多个输入端口和多个输出端口，并且位于第一半导体材料的基板上。晶片键合SOA包括晶片键合至该基板的表面的第二半导体材料层，使得晶片键合SOA半导体材料层的一部分与多个输入端口中的一个输入端口的一部分重叠。晶片键合SOA的第二半导体材料不同于基板的第一半导体材料。

Description

损耗补偿光切换
相关申请的交叉引用
N/A
关于联邦政府资助的研究发展概况
N/A
背景技术
在数据通信中，通常利用切换来经由一个或多个物理信道所托管的动态的并且有时可配置的虚拟连接或信道来提供数据节点之间的互连。具体地，为将给定数据通信网络中的数据节点完全互连所需的连接或信道的数量往往超出可用物理信道。切换可用于对经由在物理信道内的虚拟信道来实现数据节点的互连的可用物理信道进行时间和/或空间复用，其中虚拟信道的数量往往远大于可用物理信道的数量。结果，在数据通信网络内使用切换与在无切换情况下可能的互连密度相比可以提供高得多的互连密度。
除了由互连的或至少可互连的数据节点表示的互连密度，数据可以在信道上在数据节点之间传输的数据容量或速度通常也是数据网络中的另一重要考虑因素。尽管切换通过提供可用物理信道的较理想的平均使用而可以有助于提高数据容量，但在现代数据通信网络中对增加的数据容量的要求也已加快了对光通信信道(例如，光纤)的采用。因此，针对越来越高的数据容量与越来越高的互连密度的需要组合已引起对光切换的需要和在数据网络内的光纤的使用。
通常，数据网络内的光切换可以使用光-电-光转换开关结构(O/E/O开关)或者通过所谓的“全光”开关结构来实现。在O/E/O切换中，使用传统电切换，待切换的光信号首先被转换成电信号，然后作为电信号被切换。一旦被切换，电信号就被转换回光信号并且作为光信号被转发。在全光切换中，使用光子器件将光信号作为光信号来切换，而无需将光信号转换成电信号以及从电信号转换成光信号。尽管O/E/O切换在传统集成电路中就制造和实现而言具有某些优点，但与全光切换相比，使用O/E/O切换由于复杂性和带宽限制而变得越来越不可取。例如，使用高速光子器件并且对光信号直接操作的全光开关消除了对电信号转换处理的需要，这可以降低复杂性并且还往往会保留例如光纤缆线的光互连中所固有的带宽。然而，尽管全光切换在许多应用中非常可取，但全光切换往往需要在成本和性能之间作出困难的取舍。
附图说明
参考结合附图做出的以下详细描述可更容易理解根据本文所描述的原理的示例的各种特征，其中，相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中：
图1A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的脊加载(ridge-loaded)光波导的横截面视图。
图1B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的反脊加载(reverseridge-loaded)光波导的横截面视图。
图1C图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的条形光波导的横截面视图。
图2图示了根据本文所描述的原理的示例的损耗补偿光开关的框图。
图3A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的光开关的示意性视图。
图3B图示了根据与本文所描述的原理一致的另一示例的光开关的俯视图。
图3C图示了根据与本文所描述的原理一致的又一示例的光开关的俯视图。
图4图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的光交叉开关的示意性视图。
图5图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的晶片键合半导体放大器(SOA)的横截面视图。
图6图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的损耗补偿光开关系统的框图。
图7图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的损耗补偿光切换的方法的流程图。
某些示例具有其他特征，所述其他特征是附加和替代以上参考附图中图示的那些特征的一个特征。下面参考以上附图详细描述这些和其他特征。
具体实施方式
根据本文所描述的原理的示例提供了损耗补偿光切换。具体地，可以提供从多个输入切换至多个输出的损耗补偿光切换。根据本文所描述的原理，损耗补偿光切换采用光交叉开关来提供光信号切换并且采用光放大器来减轻或补偿在光交叉开关中的损耗。此外，光放大器是根据与本文所描述的原理一致的各个示例的晶片键合半导体光放大器。使用晶片键合半导体光放大器使得光交叉开关和晶片键合半导体光放大器的材料和实现方式能够以基本独立的方式来选择。如此，与光交叉开关实现相关联的性能和成本不会受到关于晶片键合半导体光放大器的实现而进行的选择的制约或以其他方式被不利地影响。根据本文所描述的各种示例，使用根据本文所描述的原理的损耗补偿光切换的光切换可以提供低光损耗或无光损耗的高输入/输出端口计数开关。
在某些示例中，用于损耗补偿光切换的损耗补偿光开关可以直接在半导体基板的表面层(例如，薄膜层)中制造。此外，根据各种示例，损耗补偿光开关的一部分还可以被制造为附于表面层顶表面的层。例如，损耗补偿光开关的包括光交叉开关的一部分可采用各种光波导，其用作输入端口和输出端口。光波导可以在绝缘体上半导体(SOI)基板(例如，绝缘体上硅基板的硅或多晶硅薄膜层)的薄膜半导体层中制造。另外，损耗补偿光开关的包括半导体光放大器的部分可使用晶片键合至或附于SOI基板的顶表面的另一半导体层来制造。通过使用晶片键合，附于半导体基板表面的半导体层可以包括与半导体基板的表面层的半导体材料不同并且甚至具有与半导体基板的表面层的半导体材料基本不同的晶格的材料。例如，表面层的半导体材料可以是硅，而晶片键合半导体层可以是III-V族化合物半导体或II-VI族化合物半导体。
本文中，术语“光放大器”和“光开关”定义上通常指直接对光信号进行操作而无需将光信号先转换成电信号的器件和/或结构(例如，分别作为放大器或开关)。例如，光放大器可以是通过半导体器件内的受激发射直接放大光信号的可饱和有源半导体器件(例如，无反射镜的激光器)。这样的器件通常称为半导体光放大器(SOA)。
如本文中所使用的，“光波导”定义上通常指正在传播的光信号被限定于板形、片形或条形材料内并且在该板形、片形或条形材料内传播的波导。如此，本文所定义的板形光波导或简称“板形波导”是在板形层内支持正在传播的光信号的板形材料或“板层”。根据各种示例，损耗补偿光开关采用光波导，并且在某些示例中采用板形光波导。具体地，光波导可包括但不限于脊加载光波导，倒置或反脊加载光波导以及条形光波导。脊加载光波导和反脊加载光波导是板形光波导，而条形波导被认为不是板形波导。
在某些示例中，对光波导的横向尺寸(宽度)进行旋转，以优选维持光信号的低阶传播模。在某些示例中，仅单个传播模由光波导维持。例如，宽度可以小于特定宽度，使得仅第一横电模(即，TE10)能够传播。特定宽度取决于光波导的材料的折射率、光波导层的厚度以及光波导的特定物理特性(即，光波导类型)。
图1A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的脊加载光波导10的横截面视图。脊加载光波导10有时还称为“脊加载波导”或简称为“脊波导”。脊加载光波导10包括板层12。板层12是或包括光信号穿过其传播并且在脊加载波导10内被引导的材料。具体地，根据各种示例，板层12的材料对于光信号基本透明，并且此外光信号的几乎全部能量被限制于脊加载光波导10的板层12。在某些示例中，板层12可以包括例如半导体材料的材料，该材料相对于其在光波导中的使用基本表现为介电材料。在其他示例中，板层可包括具有不同带隙和折射率的一种以上的半导体材料。
例如，板层12可包括但不限于与光信号兼容的半导体材料，例如，硅(Si)、砷化镓(GaAs)以及铌酸锂(LiNbO3)。根据各种示例，可以采用半导体材料的单晶体、多晶体或非晶层中的任意一种。板层材料的透明性通常影响脊加载波导的光损耗。例如，材料越不透明，光信号经历的损耗越多。
在某些示例中(例如，如所图示的)，板层12受支持层14的支持。支持层14物理支持板层12。在某些示例中，支持层14还便于板层12中的光学限制。具体地，支持层14可以包括与板层12的材料不同的材料。在某些示例中，支持层14可以包括折射率小于板层12的折射率的材料。例如，支持层14可以是基于氧化物的绝缘层(例如，氧化硅的硅SOI基板)并且板层12可以是硅。在某些示例中，支持层14相对于板层12的不同折射率用于(例如，通过内部全反射)将光信号基本限制于板层12。
脊加载波导10还包括脊16。脊16定位在板层12的顶表面上并且在板层12的顶表面上方延伸。脊16用于在脊16的正下方引导板层12内的光信号。相对于在脊16处和附近的有效折射率，在脊16周围(即，限定脊16)的区域中存在较少材料减少了光在周围区域所经历的有效的折射率或有效折射率。降低的有效折射率使在板层12中传播的光信号由于脊16的存在而被引导进更高的有效折射率。具体地，光信号的基本所有的光能量往往被集中在板层12内、脊16下方但基本在脊16附近。例如，如图1A中通过虚线圆所图示的，由脊加载光波导10引导的光信号可基本上集中在脊16下面的大致圆形区域。根据各种示例，脊16可以由刻蚀工艺、选择性的沉积工艺、印刷工艺中的一种或多种、以上工艺的结合、或其他工艺来形成。脊16的具体宽度和高度通常是脊和下面的板层12材料的折射率的函数。
图1B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的反脊加载光波导20的横截面视图。反脊加载光波导20有时还称为“反脊加载波导”或“反脊波导”。如所图示的，反脊加载光波导20包括板层22和支持层24。支持层24包括折射率小于板层22的折射率的材料。例如，板层22可以实质上类似于上述脊加载波导10的板层12。此外，支持层24可实质上类似于上述脊加载波导10的支持层14。
反脊加载波导20还包括脊26。脊26从支持层24与板层22之间的界面延伸进支持层24中。如此，反脊加载波导20的脊26可称为埋脊26。埋脊26在埋脊26附近和上方产生了相对于板层22的周围区域更高的有效折射率。更高的有效折射率往往会限制埋脊26附近的光(例如，光信号)。因此，与上述脊加载波导10的脊16一样，反脊加载波导20的埋脊26用于将光信号引导在板层22内。在脊26上方但却与脊26基本相邻的示例虚线圆图示了与在反脊加载波导20中传播并且由反脊加载波导20引导的光信号相关联的光信号能量的近似范围。
图1C图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的条形光波导30的横截面视图。条形光波导30或简称为“条形波导”包括条形层32和支持层34。根据各种示例，支持层34的折射率低于条形层32的折射率。条形光波导30还包括形成在条形层32中的或者从条形层32形成的条形36。具体地，可以通过刻蚀通道38以限定条形36而在条形层32中形成条形36。通道38将条形36与条形层32的其余部分光隔离。在其它示例(未图示)中，条形36基本上是制造后剩下的整个条形层。例如，可以在制造期间(例如，通过刻蚀)去除原条形层的大部分以在支持层34上仅留下剩下的条形36。如此，根据某些示例，并不形成或采用通道来对条形36进行光隔离。
条形波导30内的光能由于存在条形36的侧壁39以及存在位于条形36下面的更低折射率支持层34而基本被限制于条形36或限制在条形36内。具体地，在条形层32的材料与例如通道38内的空气或与条形层材料邻接的另一介电材料之间的侧壁处39存在材料边界。类似地，在条形36的材料与更低折射率支持层34之间存在另一材料边界。围绕条形36的这些材料边界表示在条形36中传播的光信号所经历的折射率的变化(即，阶梯下降)。结果，根据各种示例，由于这些材料边界，光信号被紧紧束缚在条形36内(例如，由于其中的内部全反射)。例如，条形36内的虚线圆图示了与在条形波导30中传播的光信号相关联的光能的近似范围。
本文中，“多模干涉(MMI)耦合器”被定义为基于板形光波导(例如，光波导的矩形部)内的光信号的自镜像效应的光耦合器。例如，自镜像效应可用于实现MMI耦合器，MMI耦合器展现MMI耦合器的(多个)输入端口与(多个)输出端口之间的各种耦合/分离(splitting)特性。具体地，由输入光信号激发的各种光模式之间的干涉可引起在板形光波导内的不同位置处的所谓“自镜像”的存在。通过选择板形波导的预定长度和宽度以及输入和输出的预定位置，可以实现各种各样耦合/分离配置(例如，包括3dB耦合/分离)。
通过本文中的限定，术语“半导体光放大器”或“SOA”指基于包括半导体材料的半导体增益区的光放大器。例如，SOA120可以是无光腔(例如，无端面反射镜)的激光二极管结构。此外，本文中，SOA被限定为支持横模的波导结构。在某些示例中，仅支持一个横模。在操作中，光信号被引入或通过邻接SOA的光波导被发送。例如，光波导可具有约1-2微米(μm)量级的横向尺寸和约500-1000μm的长度。光波导中的光模重叠于或延伸至SOA的有源区或放大区(即，半导体增益区)，以将光信号的一部分耦合进SOA有源区(例如，作为横模)。在各种示例中，通过电流来“泵浦”有源区，该电流使有源区基本充满半导体增益区的半导体材料的导带中的受激电子和价带中的空穴。如果通过泵浦提供的载流子浓度足够高，则该材料可以具有光增益，使得SOA通过受激发射来放大光信号的耦合部分。然后，耦合部分作为放大的光信号耦合回光波导。
此外，如本文所使用的，冠词“一个”意在具有其在专利技术中通常的含义，即，“一个或多个”。例如，“一个开关”意味着一个或多个开关，并且因此“该开关”在本文中意味着“该多个开关”。而且，本文中对“顶”、“低”、“上面的”、“下面的”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“左”或“右”的引用并不意在在本文中进行限制。本文中，术语“关于”当应用于一个值时通常意味着在用于产生该值的设备的容差范围内，或者在某些示例中，意味着加或减10％，或加或减5％，或加或减1％，除非明确规定并非如此。此外，例如，本文中术语“基本上”如本文中所使用的意味着大部分、或几乎全部，或全部，或约51％至约100％的范围的量。此外，本文中的示例意在仅图示并且为了讨论而提供并且不进行限制。
图2图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的损耗补偿光开关的框图。根据各种示例，损耗补偿光开关100可以包括多个光输入102和多个光输出104。例如，光输入102和光输出104可包括光波导。在某些示例中，光输入102和光输出104可与光纤或类似光波导接合。根据各个示例，损耗补偿光开关100被配置成在光输入102处(例如，从接合的光纤)接收光信号106。损耗补偿光开关100还被配置成以可选方式路由或分配光学信号106至光输出104中的一个或多个，作为输出光信号108。
例如，损耗补偿光开关100可以被配置成以可选方式将光信号106从第一光输入102路由至第一光输出104。在另一示例中，损耗补偿光开关100可以被配置成将光信号106从第一光输入102路由至另一光输出104(例如，第二、第三、第四、第五等光输出104)。类似地，在另一光输入102(例如，第二、第三、第四等光输入)处的另一光信号106可以以可选方式被路由至第一、第二、第三、第四等光输出104。在某些示例中，损耗补偿光开关100可以表示非阻塞开关矩阵。此外，根据某些示例，在损耗补偿光开关100的光输入102处的光信号106可以以基本同时的方式(即，并行)被路由至多个光输出104(例如，第二、第三、第四等光输出104)。换言之，根据某些示例，在光输入102处的光信号106可同时通过损耗补偿光开关100播送至多个光输出端口104。根据各种示例，路由和重新配置可以是动态的并且视情况执行。
根据各种示例，光信号106在穿过损耗补偿光开关100期间可能经历的光损耗由损耗补偿光开关100补偿或减轻。在某些示例中，损耗补偿光开关100关于经过输入102至输出104的光信号106可基本无明显光损耗(即，无损耗的)。根据各种示例，损耗补偿光开关100包括积分光放大以提供损耗补偿。此外，根据各种示例，损耗补偿光开关100是全光开关，即光信号106从光输入102到光输出104都保持光信号(即，不转化成电信号)。
如图2中所示，损耗补偿光开关100包括具有多个输入端口112和多个输出端口114的光交叉开关110。例如，多个输入端口112可包括N个输入端口112，其中N是大于1的整数(即，N>1)。类似地，多个输出端口114可包括M个输出端口114，其中M是大于1的整数(即，M>1)。在某些示例中，光交叉开关110的输入端口的数量N和输出端口的数量M不相同(即，N≠M)。例如，光交叉开关110可以包括四(4)个输入端口112和八(8)个输出端口114(即，N＝4并且M＝8)。在其他示例中，光交叉开关110可以具有与输出端口114相同数量的输入端口112(即，N＝M)。例如，光交叉开关110可以具有两(2)个输入端口112和两(2)个输出端口114(即，M＝N＝2)。
根据各种示例，光交叉开关110在基板116上或者基本由基板116支持。基板116包括第一半导体材料。具体地，光交叉开关110可以在采用第一半导体材料的基板116的表面中制造。例如，光交叉开关110的光波导可以(例如，作为脊或条)设置在基板表面中。例如，可采用第一半导体材料的特性来完成在光交叉开关100内的切换(例如，参见下面的讨论)。
在某些示例中，第一半导体材料可以是或包括IV族半导体，例如但不限于，硅(Si)或锗(Ge)。在其他示例中，第一半导体材料可以包括但不限于III-V族化合物半导体和II-V族化合物半导体。在某些示例中，第一半导体材料是硅，并且基板116是绝缘体上硅(即，硅SOI)基板116。在某些示例中，输入端口112和输出端口114是设置在硅SOI基板116的硅表面中的光波导。光波导可以是各种光波导中的任意一种，包括但不限于脊加载波导、反脊加载波导以及条形光波导。
在某些示例中，光交叉开关110包括连接在输入端口112与输出端口114之间的多个光开关，以形成开关矩阵。根据各种示例，可以采用各种光开关中的任意一种以形成开关矩阵。例如，可用于实现光交叉开关110的固态光开关包括但不限于基于马赫-曾德干涉仪(MZI)的开关、基于定向耦合器的开关、内部全反射开关以及Y分支或数字光开关中的一种或多种。基于MZI的光开关可包括但不限于采用多模干涉(MMI)耦合器的基于MZI的开关。作为固态光开关的附加或替代，可使用各种其他光开关，包括但不限于基于微机电系统(MEMS)的开关(例如，微镜)中的一种或两种，并且还可以使用基于偏振移位的光开关。
根据各种示例，多个光开关可以被布置为各种开关矩阵结构中的任意一种，各种开关矩阵结构包括但不限于各种非阻塞开关结构。示例非阻塞开关结构包括但不限于交叉开关结构、基于贝奈斯(Benes)架构的开关结构、基于Spanke-Benes(n级平面)架构的开关结构以及基于Spanke架构的开关结构。本文中，为简化讨论并且在不丢失一般性的情况下，所有开关矩阵结构将总称为“交叉”开关，除非为了正确理解需要引用特定的或具体的开关矩阵结构。因此，通过本文中的限定，术语“光交叉开关”明确地表示并且包括可用于将多个输入端口和输出端口互连的任意多端口光开关矩阵，除非另外指出。
图3A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的光开关200的示意性视图。具体地，光开关200是马赫-曾德干涉仪(MZI)光开关200的示例。如所图示，MZI光开关200包括第一耦合器210和第二耦合器220。第一耦合器210包括作为或用作MZI光开关200的输入(例如，通过连接光波导)的一对输入端口212a、212b。第二耦合器220包括作为或用作MZI光开关200的输出(例如，通过连接光波导)的一对输出端口224a、224b。
如图示，第一耦合器210的输出连接至第二耦合器220的输入。具体地，如图示，第一耦合器210具有一对输出端口214a、214b。此外，如图示，第一耦合器210的输出端口214a、214b各自连接至第二耦合器220的一对输入端口222a、222b的不同输入端口。在某些示例中，第一耦合器210和第二耦合器220中的一个或两个是正交(即，90度)耦合器。在其他示例中，第一耦合器210和第二耦合器220中的一个或两个可以是同相(即，0度)或另一种(例如，180度)耦合器。注意，关于正交耦合器，在输入处的光能被大致等分，然后被分配至其两个输出(即，正交耦合器是3dB耦合器)。
MZI光开关200还包括连接在第一耦合器210与第二耦合器220之间的相移器230。如图示，相移器230定位在第一耦合器210与第二耦合器220之间的两个连接中的一个中。在其他示例(未示出)中，可以在耦合器210与耦合器220之间的多个连接(例如，两个连接或所有连接)上采用多个相移器。
根据某些示例，相移器230可以采用电场诱导的和/或载流子诱导的折射率变化来提供相位的改变。折射率变化产生在电长度或相长度上的变化，其引起相移器230的相移。如此，根据某些示例，相移器230可以包括形成第一耦合器210与第二耦合器220之间的连接的一段光波导和电极，该电极被配置成影响并因此诱导光波导中(即，在光波导的材料中)的折射率变化。例如，电极可用作载流子的源或汇，以改变光波导的材料中载流子的密度。反过来，由于光波导材料内的能带填充效应、带隙收缩效应以及各种等离子效应中的一种或多种，载流子密度的变化引起光波导折射率的变化。在另一示例中，电极可提供电场，以根据线性或“Pockels(泡克耳斯)”光电效应和二次或“Kerr/Franz-Keldish(克尔/弗朗兹-凯尔迪什)”光电效应中的一种或两种来诱导折射率变化。
如图3A所图示，MZI光开关200通过改变连接中的相位状态而在开关状态之间切换。选择由相移器230提供的预定相移以在连接中产生预定的相差(例如，90度，180度等)被用于设置或改变相位状态。例如，在与相移器230的第一相移对应的第一开关状态(即，第一相位状态)中，进入MZI光开关200的信号可存在于第二耦合器220的第一输出端口224a处。例如，在与相移器230的第二相移对应的第二开关状态(即，第二相位状态)中，该信号可在第二耦合器220的第二输出端口224b处离开MZI光开关200。如此，图3A中图示的MZI光开关200至少实现了单刀双掷(1PDT)开关。实际上，MZI光开关200通常借助于第一耦合器210的一对输入端口212a、212b实现双刀双掷(2PDT)开关。根据某些示例，图2中的光交叉开关110可包括图3A中图示的光开关200。
图3B图示了根据与本文所描述的原理一致的另一示例的光开关200的俯视图。如所图示的，图3B中所图示的光开关200是基于多模干涉(MMI)耦合器、基于马赫-曾德干涉仪(MZI)的光开关200。此外，图3B中所图示的光开关200位于半导体基板240(例如，SOI基板)上。具体地(例如，如图3B中所图示的)，基于MMI耦合器、基于MZI的光开关200可采用第一耦合器210和第二耦合器220两者的二对二(2×2)MMI耦合器。2×2MMI耦合器210、220可各自包括板形波导部分210’、220’、输入端口部分212、222以及输出端口部分214、224。输入端口部分212、222和输出端口部分214、224可以被实现为光波导。如所图示的，2×2MMI耦合器210、220通过附加光波导250互连。图3B中所图示的光波导250可以是带形波导。
此外，相移器230被图示为覆盖用于将图3B中的第一2×2MMI耦合器210和第二2×2MMI耦合器220连接的附加光波导250的一部分的电极232(交叉阴影线部分)。在其他示例中(未图示)，例如但不限于平行线耦合器和环形谐振腔耦合器的另一耦合器可被用作耦合器210、220中的一个或两个。根据某些示例，图2中的光交叉开关110可包括图3B中所图示的光开关200。
图3C图示了根据与本文所描述的原理一致的又一示例的光开关200的示意图。图3C中所图示的光开关200位于半导体基板240(例如，SOI基板)上。具体地，图3C图示了被实现为N×N广义马赫-曾德干涉仪(N×NGMZI)200的N×N光开关200。如图示，N×NGMZI光开关200包括具有N个输入和N个输出的第一多模干涉(MMI)耦合器210和也具有N个输入和N个输出的第二MMI耦合器220。N×NGMZI光开关200还包括用于将第一MMI耦合器210的N个输出连接至第二MMI耦合器220的N个输入的多个N光学相移器230。根据某些示例，光交叉开关110可以包括图3C中所图示的光开关200。具体地，根据某些示例，第一MMI耦合器210的N个输入可对应于光交叉开关100的N个输入端口112，第二MMI耦合器220的N个输出可对应于图2中所图示的光交叉开关110的N个输出端口114。
图4图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的光交叉开关110的示意性视图。如图示，光交叉开关110包括N个输入端口112和N个输出端口114。开关118使得在输入端口112中的任意一个处的光信号能够被路由至输出端口114中的任意一个或多个。例如，可以利用图3A-3C中图示的光开关或另一光开关(例如，内部全反射开关)来实现开关118。
再参考图2，损耗补偿光开关100还包括晶片键合半导体光放大器(SOA)120。如图示，晶片键合SOA120光耦合至光交叉开关110的输入端口112，以放大输入端口112处的光信号。在另一示例(未图示)中，晶片键合SOA120可以光耦合至输出端口114或者甚至定位在光交叉开关110自身内并且光耦合至光交叉开关110的光波导。在某些示例(未示出)中，另一部件(例如，滤波器)可以位于SOA120与光交叉开关110之间。换言之，例如，端口112、114可以被定义为超出另一部件。
例如，光耦合可以是从(例如，端口112、114的)光波导耦合进SOA的有源区或放大区的倏逝波耦合。晶片键合SOA120包括晶片键合至基板116的表面的第二半导体材料层，使得晶片键合SOA半导体材料层的一部分与输入端口112的一部分(例如，输入端口112的光波导)重叠。例如，在某些示例中，通过调节输入端口112的条形或板形光波导的高度(例如，变细)而将晶片键合SOA120光耦合至光交叉开关110的输入端口112。例如，此高度调节可用于增加从光波导向外延伸(例如，上方)的光场的量，以增加耦合进晶片键合SOA120中的倏逝波耦合。
根据各种示例，第二半导体材料不同于光交叉开关110位于其上的基板116的第一半导体材料。例如，如上所述，第一半导体材料可以是或包括Si，并且晶片键合SOA120的第二半导体材料可以是或者包括但不限于III-V族化合物半导体、II-VI族半导体以及提高光增益的各种其他半导体材料(例如，所谓的“直接”带隙半导体)。在各种示例中，最大的放大或增益发生在光子能量略高于第二半导体材料的带隙能量。具体地，例如，基板116可以是硅SOI基板116，其中III-V族化合物半导体材料的晶片键合层附接至硅SOI基板116的表面并且在形成于或设置于SOI基板116的硅表面中的光波导上方延伸。可以用作第二半导体材料的III-V族化合物半导体的示例包括但不限于砷化镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铟(InP)、铟镓砷化物(InGaAs)、铝铟砷化镓(AlInGaAs)以及磷化砷镓铟(InGaAsP)。
在某些示例(例如，如图2中所图示的)中，损耗补偿光开关100包括多个晶片键合SOA120。具体地，在某些示例中，光交叉开关110的多个输入端口112的各个输入端口112光耦合至晶片键合SOA120中的不同晶片键合SOA120。在其他示例(未图示)中，可能存在少于输入端口112的晶片键合SOA120。在某些示例中，晶片键合SOA120的光增益(例如，通过增加晶片键合SOA120的驱动电流)是可调节的。例如，针对特定光信号路由或切换状态，光增益可被调节成基本等于通过光交叉开关110的损耗并因此补偿该损耗。
在某些示例中，光增益调节可以是预定的，而在其他示例中，光增益调节可根据情况变化，以补偿在损耗补偿光开关100的操作过程中可能变化的损耗。例如，光增益调节可根据损耗补偿光开关100的配置(例如，开关状态)按情况来变化。
在其他示例(未图示)中，多个晶片键合SOA120可以位于输出端口114中的每一个中。在另一示例(未图示)中，多个晶片键合SOA120可位于输入端口112和输出端口114中的一个或两个中。在又一示例中，晶片键合SOA120中的一个或多个可放置或分布在光交叉开关110自身内。
图5图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的晶片键合半导体放大器(SOA)120的横截面视图。如图示，晶片键合SOA120晶片键合至SOI基板116的表面。如图示，光交叉开关(图5中未图示)的输入端口112在晶片键合SOA120下方穿过光波导(例如，条形波导)。输入端口112的光波导内的光场在图5中使用圆虚线被图示为延伸进晶片键合SOA120的有源区内。光场延伸进SOA120中提供了通过倏逝场耦合(例如，通过光波导变细)的光耦合，以通过晶片键合SOA120的光放大。
此外，晶片键合SOA120尽管在图5中图示为单个层，但根据各种示例，其实际上可以包括多个层而不是一个层。另外，晶片键合SOA120可进一步包括一种或多种杂质或杂质浓度以及与其他组件或电源(例如，电极)的电连接。杂质和杂质浓度和电连接可用于实现特定类型或功能的晶片键合SOA120(例如，光增益)。电连接可用于对晶片键合SOA120提供能量(例如，电泵浦)。
例如，晶片键合SOA112可包括二极管结和异质结构二极管结，二极管结包括但不限于p-n结、p-i-n结。异质结构二极管结可例如包括多个不同掺杂(例如，n、n+、p以及p+)层。在另一示例中，晶片键合SOA120可包括量子阱，例如，经常用于固态(例如，二极管)激光器和非晶片键合光放大器的那些量子阱。在另一示例中，晶片键合SOA120可包括被布置为分开限定的异质结构激光结构的多个不同掺杂层。
如图5中所图示，如上面所指出，光信号的近似范围被描绘为圆形虚线。圆形虚线延伸进晶片键合SOA120的第二半导体材料层。如此，如图示，光信号的一部分耦合进并且传播进晶片键合SOA120。根据各种示例，在晶片键合SOA120内传播的这部分光信号可受晶片键合SOA120影响或被晶片键合SOA120放大。
再次参考图2，在某些示例中，损坏补偿光开关100还可以包括滤波器130，以选择性地过滤穿过损坏补偿光开关100的光信号。例如，如图2中所图示的，滤波器130可位于光交叉开关110的输出端口114处。在其他示例(未图示)中，滤波器130可位于另一位置，例如但不限于在晶片键合SOA120与光交叉开关110的输入端口112之间的光波导的空间或长度。在各种示例中，滤波器130被配置成选择性地滤除(例如，实质上衰减或是抛弃)由晶片键合SOA120产生的经放大的自发辐射。
在某些示例中，滤波器130可包括取样光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)光学滤波器130。SG-DBR光学滤波器130可包括多个空间分开的衍射光栅，这些衍射光栅共同提供在感兴趣的波长具有或展现周期性最大值的衍射光谱。具体地，SG-DBR光学滤波器130可被实现一个衍射光栅，该衍射光栅在预定波长下乘以取样函数从而产生空间分开的衍射光栅。在各种示例中，SG-DBR光学滤波器130的衍射光栅可形成于或者设置在基板(例如，SOI基板)的表面中。
图6图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的损耗补偿光开关系统300的框图。如图示，损耗补偿光开关系统300包括光交叉开关310。在某些示例中，光交叉开关310可以实际上类似于以上关于损耗补偿光开关100描述的光交叉开关110。具体地，在某些示例中，光交叉开关310可以位于绝缘体上硅(硅SOI)基板上。此外，根据一些示例，光交叉开关310可具有N个输入端口和N个输出端口，其中N是大于1的整数。如此，光交叉开关310可以是N×N光交叉开关310。在某些示例中，光交叉开关310可以包括N×N广义马赫-曾德干涉仪(N×NGMZI)。在其他示例中，光交叉开关310可以具有N个输入端口和M个输出端口，N和M二者是可以相等或不相等的大于1的整数。
损耗补偿光开关系统300还包括多个晶片键合半导体光放大器(SOA)320。例如，在多个中，可能有N个晶片键合SOA320。在某些示例中，如上所述，晶片键合SOA320实质上类似于损耗补偿光开关100的晶片键合SOA120。具体地，多个晶片键合SOA320中的各个晶片键合SOA重叠于并且光耦合至光交叉开关310的端口(例如，N个输入端口、N个输出端口或其结合)中的不同端口。此外，根据各种示例，晶片键合SOA320包括晶片键合至硅SOI基板的表面的、不同于硅(Si)的半导体材料层。例如，晶片键合SOA320的半导体材料可以包括但不限于III-V族化合物半导体和II-VI族化合物半导体。晶片键合SOA320可包括但不限于砷化镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铟(InP)、铟镓砷化物(InGaAs)、铝铟砷化镓(AlInGaAs)以及磷化砷镓铟(InGaAsP)中的一层或多层。这些层中的一层或多层可以例如掺杂有p型杂质或n型杂质，使得这些层提供半导体结(例如，p-n二极管结、p-i-n二极管结、异质结构二极管结等)。这些层还可以形成量子阱。
如图6中所图示，损耗补偿光开关系统300还包括控制器330。控制器330被配置成控制光交叉开关310。具体地，控制器330被配置成控制光交叉开关310的状态，以将信号从输入端口(例如，N个输入端口中的一个)路由至输出端口中的一个或多个。例如，控制器330可以将电信号提供至光交叉开关310内的电极。电信号可以改变相移器的相移，例如以改变开关状态。在某些示例中，控制器330还可将控制信号提供至晶片键合SOA320。例如，控制器330可控制晶片键合SOA320的增益水平。
在某些示例中，损耗补偿光开关系统300还包括多个滤波器340，以选择性地过滤损耗补偿光开关系统300内的光信号。根据某些示例，多个滤波器340中的各个滤波器可以连接至光交叉开关310的输出端口(例如，N个输出端口)中的不同输出端口。在某些示例中，多个滤波器中的滤波器340实质上类似于上面关于损耗补偿开关100描述的滤波器130。具体地，在某些示例中，滤波器340可包括取样光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)光学滤波器340。如此，在光交叉开关310的N个输出上可存在总共N个SG-DBR光学滤波器340。
在某些示例中，滤波器340的波长是可调的。例如，SG-DBR光学滤波器340的波长可以通过应用电信号来改变SG-DBR光学滤波器340的材料的折射率来调节。在某些示例中，控制器330可以提供电信号，以调节滤波器波长。例如，滤波器340可选择性地调节为与通过损耗补偿光开关系统300待发送的信号相对应的波长带。
图7图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的损耗补偿光切换的方法400的流程图。损耗补偿光切换的方法400包括使用半导体光放大器(SOA)放大(410)光交叉开关的端口(例如输入端口和输出端口中的一个或两者)处的光信号。注意，尽管被放大(410)的光信号是在端口处，但通常放大(410)可发生在任何位置(例如，在光交叉开关内、在与端口串联的另一部件之后等)。
根据各种示例，光交叉开关包括第一半导体材料，并且SOA包括晶片键合至第一半导体材料的表面的第二半导体材料层。例如，第一半导体材料可以是硅(Si)，并且第二半导体可以包括但不限于III-V族化合物半导体和II-VI族化合物半导体。在某些示例中，光交叉开关可以在绝缘体上硅(硅SOI)基板上实现，其中SOI基板的Si层是第一半导体材料层。如此，放大(410)的SOA可以是晶片键合SOA。此外，根据某些示例，晶片键合SOA可以实质上类似于以上关于损耗补偿光开关100描述的晶片键合SOA120。
损耗补偿光切换的方法400还包括使用光交叉开关将光信号切换(420)至多个输出端口中的一个或多个。在各种示例中，切换(420)可发生在放大(410)光信号之前和/或之后。在某些示例中，切换(420)包括选择性地在光交叉开关内的开关附近引起第一半导体材料的一部分的折射率变化。在某些示例中，光交叉开关实质上类似于上述损耗补偿光开关100的光交叉开关110。
在某些示例中，损耗补偿光切换的方法400还包括对光交叉开关的输出端口处的输出信号进行过滤(430)。在某些示例中，过滤(430)使用取样光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)光学滤波器。在某些示例中，在过滤(430)中使用的滤波器、更具体地为SG-DBR光学滤波器实质上分别类似于以上关于损耗补偿光开关100和损耗补偿光切换系统300描述的光学滤波器130和SG-DBR光学滤波器130、340。
因此，已描述了采用晶片键合半导体光放大器的损耗补偿光开关、损耗补偿光切换系统以及损耗补偿光切换的方法。应理解的是，上述示例仅图示了表现本文所描述的原理的许多具体示例中的一些示例。清楚的是，本领域的技术人员在不背离由以下权利要求所限定的范围的情况下可以容易地得到许多其他变形。

Claims (15)

1.一种损耗补偿光开关，包括：
光交叉开关，具有多个输入端口和多个输出端口，所述光交叉开关位于包括第一半导体材料的基板上；以及
晶片键合半导体光放大器(SOA)，光耦合至所述光交叉开关的一端口以放大该端口处的光信号，
其中所述晶片键合SOA包括晶片键合至所述基板的表面的第二半导体材料层，使得所述晶片键合SOA的半导体材料层的一部分与所述端口的光波导的一部分重叠，所述第二半导体材料不同于所述第一半导体材料。
2.根据权利要求1所述的损耗补偿光开关，其中所述多个输入端口具有N个输入端口并且所述多个输出端口具有M个输出端口，所述光交叉开关用于将所述N个输入端口中的任意一个连接至所述M个输出端口中的一个或多个，其中N和M均是大于1的整数。
3.根据权利要求2所述的损耗补偿光开关，其中M等于N，使得所述光交叉开关具有数目与输出端口的数目相同的输入端口。
4.根据权利要求1所述的损耗补偿光开关，其中所述光交叉开关包括马赫-曾德干涉仪光开关，所述马赫-曾德干涉仪光开关包括：
第一耦合器；
第二耦合器，所述第一耦合器的输出连接至所述第二耦合器的输入，以提供连接；以及
相移器，连接在所述第一耦合器与所述第二耦合器之间。
5.根据权利要求4所述的损耗补偿光开关，其中所述第一耦合器和所述第二耦合器中的一者或两者包括多模干涉耦合器。
6.根据权利要求1所述的损耗补偿光开关，其中所述光交叉开关是N×N广义马赫-曾德干涉仪，所述N×N广义马赫-曾德干涉仪包括：
第一多模干涉(MMI)耦合器，具有N个输入和N个输出；
第二MMI耦合器，具有N个输入和N个输出；以及
多个N光学相移器，用于将所述第一MMI耦合器的N个输出连接至所述第二MMI耦合器的N个输入，
其中所述第一MMI耦合器的N个输入表示所述光交叉开关的N个输入端口，并且所述第二MMI耦合器的N个输出表示所述光交叉开关的N个输出端口，其中N是大于1的整数。
7.根据权利要求1所述的损耗补偿光开关，其中所述晶片键合SOA是多个晶片键合SOA中的一个，所述多个晶片键合SOA中的各个晶片键合SOA光耦合至所述光交叉开关的端口中的不同端口。
8.根据权利要求1所述的损耗补偿光开关，其中所述晶片键合SOA的半导体材料层的所述第二半导体材料包括III-V族化合物半导体，并且所述基板的所述第一半导体材料包括硅。
9.根据权利要求8所述的损耗补偿光开关，其中所述基板是绝缘体上硅半导体(SOI)基板，所述输入端口和所述输出端口包括设置在所述SOI基板的硅表面中的光波导。
10.根据权利要求1所述的损耗补偿光开关，进一步包括位于所述光交叉开关的输出端口处的取样光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)光学滤波器，所述SG-DBR光学滤波器选择性地过滤所述输出端口处的光信号。
11.一种损耗补偿光切换系统，包括：
位于绝缘体上硅半导体(SOI)基板上的光交叉开关，所述光交叉开关具有N个输入端口和N个输出端口，其中N是大于1的整数；
多个N晶片键合半导体光放大器(SOA)，所述多个晶片键合SOA中的各个晶片键合SOA与所述光交叉开关的端口中的不同端口重叠并且光耦合；以及
控制器，用于控制所述光交叉开关，
其中所述晶片键合SOA包括不同于硅并且晶片键合至所述硅SOI基板的表面的半导体材料层。
12.根据权利要求11所述的损耗补偿光切换系统，其中所述光交叉开关包括N×N广义马赫-曾德干涉仪。
13.根据权利要求11所述的损耗补偿光切换系统，进一步包括多个N取样光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)光学滤波器，所述多个SG-DBR光学滤波器中的各个SG-DBR光学滤波器连接至光交叉开关的N个输出端口中的不同端口，其中所述SG-DBR光学滤波器的衍射光栅设置在所述硅SOI基板的表面中，以选择性地过滤所述N个输出端口中的每个输出端口处的光信号。
14.一种进行损耗补偿的光切换方法，所述方法包括：
使用半导体光放大器(SOA)放大光交叉开关的端口处的光信号，所述光交叉开关包括第一半导体材料，所述SOA包括晶片键合至所述第一半导体材料的表面的第二半导体材料层，所述第一半导体材料和所述第二半导体材料不同；以及
使用光交叉开关将所述光信号切换至多个输出端口中的一个或多个端口，切换发生在放大所述光信号之前和/或之后。
15.根据权利要求14所述的进行损耗补偿的光切换方法，进一步包括使用取样光栅分布式布拉格反射器光学滤波器过滤所述光交叉开关的输出端口处的输出光信号，其中使用所述光交叉开关切换所述光信号包括：
使所述光信号穿过第一多模干涉(MMI)耦合器，以将所述光信号分离成至少两个部分；
使用相移器使所述光信号的至少两个部分中的一个部分相对于所述至少两个部分中的另一部分发生差异相移；以及
使所述至少两个光信号部分穿过第二MMI耦合器，以在所述第二MMI耦合器的选定输出处将所述至少两个光信号部分重新结合成输出光信号，所述选定输出由通过所述相移器施加于所述至少两个光信号部分的差异相移来确定。
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