CN109844589A - 具有低偏振敏感度的基于硅光子的光学开关 - Google Patents

具有低偏振敏感度的基于硅光子的光学开关 Download PDF

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Abstract

公开了一种能够重路由光信号的偏振非相依光学切换系统。所述系统包含多个切换单元，所述切换单元各自包含形成于衬底上方的不同平面上的一对总线波导。每个总线波导支持TE和TM偏振模式两者的低损耗传播，并在开关处于未切换状态下时光学解耦。在其已切换状态下，将也支持两个偏振模式的低损耗传播的并联波导移动成与两个总线波导邻近，以形成使得所述光信号能够在每个总线波导与所述并联波导之间渐逝耦合的一对绝热定向耦合器。因此，穿过所述切换单元的光信号的路径得以重配置。

Description

具有低偏振敏感度的基于硅光子的光学开关
关于联邦政府资助研究的陈述
本发明依据由高级研究计划局(DARPA)授予的合同号HR0011-11-2-0021和HR0011-17-1-0001和由美国国家科学基金会(NSF)授予的批准号EEC0812072在政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
相关申请的交叉引用
此案要求2016年9月9日提交的第62/385,343号美国临时专利申请(代理人案号：332-004PR1)的优先权，所述美国临时专利申请以引用的方式并入本文中。
如果在本申请与已以引用方式并入的案中的一或多个之间存在会影响对此案中的权利要求书的解译任何语言矛盾或不一致，那么此案中的权利要求书应被解译为与此案中的语言一致。
技术领域
本发明大体上涉及光通信网络，且更确切地说，涉及光学开关。
背景技术
云端计算和大数据应用的爆炸式增长已推动了数据中心的扩张。缩放数据中心网络以支持具有当前电子开关的此类扩张是具有挑战性的，这是因为链路速率提高到100Gb/s和更高。例如博通的Tomahawk等目前先进技术电子开关具有3.2Tb/s的吞吐量。在高数据速率下，基数(输入端口计数)变得有限。举例来说，上文所提及的开关在下100Gb/s具有32的基数。需要大量开关以连接数据中心。能耗、成本和延迟成为严重问题。已提议光子技术以便于缩放数据中心，从而降低能耗和成本。此类光子辅助数据中心网络的实例描述于以下各项中：N.Farrington等人，“用于模块化数据中心的混合电气/光学开关架构(Helios:ahybrid electrical/optical switch architecture for modular data centers)”，ACMSIGCOMM Comput.Commun.Rev.，第41卷，第4号，第339到350页(2011)；A.Vahdat、H.Liu、X.Zhao和C.Johnson，“新兴光学数据中心(The emerging optical data center)”，光纤通信会议，第OTuH2页(2011)；N.Binkert等人，“光学高基数开关设计(Optical high radixswitch design)”，Micro IEEE，第32卷，第3号，第100到109页(2012)；G.Porter等人，“到数据中心中的集成微秒电路切换(Optical high radix switch design)”，Proceedings ofthe ACM SIGCOMM 2013conference on SIGCOMM的会议记录，美国·纽约州·纽约，第447到458页(2013)；H.Liu等人，“具有反应器的雷达下的电路切换(Circuit Switching Underthe Radar with REACToR)”，第11届联网系统设计和实施方案USENIX会议的会议记录，美国·加利福尼亚州·伯克利，第1到15页(2014)；S.Rumley、M.Glick、R.Dutt和K.Bergman，“光子切换机基数对实现百亿亿级系统的光学互连网络的影响(Impact of photonicswitch radix on realizing optical interconnection networks for exascalesystems)”，IEEE光学互连件会议的会议纪录，第98到99页(2014)；A.S.P.Khope、A.A.M.Saleh、J.E.Bowers和R.C.Alferness，“用于数据中心的弹性WDM纵横接线器(Elastic WDM crossbar switch for data centers)”，2016IEEE光学互连件会议(OI)的会议记录，第48到49页(2016)。
集成式光学件技术已成熟到其已变成光学电路切换系统中的强力候选技术的程度。集成式光学件系统包括形成于例如硅晶圆等衬底的表面上的一或多个光学波导，其中光学波导可在多种布置中组合以提供复杂光学功能性。每个“表面波波导”包含由大体上约束其输送的光信号的包层材料包围的光导核心。由于一些原因，例如与CMOS电子装置的兼容性、大规模衬底和体积铸造厂等等的可用性，基于将单晶硅用作核心材料(在本文中被称作“硅光子”)的集成式光学件系统已变成主要PLC技术——对于大规模系统尤其如此，例如高端口计数OXC。对于数据中心网络，低成本硅光子开关可能潜在地是革命性的。其消除光电光学(O-E-O)转换，并极大地降低昂贵且高耗能的高速数据链路的数目。最近，已报道具有32的端口计数的硅光子开关，如在K.Tanizawa等人的“硅光子32×32严格非阻挡闸刀开关和其完整路径表征(Silicon photonic 32x32strictly-non-blocking blade switchand its full path characterization)”，光电子和通信会议(OECC)2016；Dritan Celo、Dominic J.Goodwill、Jia Jiang等人在光电子和通信会议(OECC)2016呈递的“32×32硅光子开关(32x32Silicon Photonic Switch)”中所描述。不利的是，这些开关的光学损耗过高，对于32×32开关是月16dB。此高损耗超出大多数光纤链路的损耗容限，这会妨碍光纤链路用于数据中心网络中。
已通过并入有微机电系统(MEMS)切换机构来实现具有显著更低的光学损耗的硅光子开关，如例如Han等人在“具有可移动定向耦合器的大规模硅光子开关(Large-scalesilicon photonic switches with movable directional couplers)”，Optica，第2卷，第1到6页(2015)中和由Seok等人在“具有竖直绝热耦合器的大规模宽频数字硅光子开关(Large-scale broadband digital silicon photonic switches with verticaladiabatic couplers)”，Optica，第3卷，第64到70页(2016)中所公开，其以引用的方式并入本文中。
不利的是，现有技术的硅光子系统通常由显著偏振敏感度表征，其产生其传播的较大差异和不同偏振模式的插入损耗——这被称作偏振相依损耗(polarization-dependent loss，PDL)。然而，许多应用，例如用于可缩放和可重配置数据中心网络的快速光学电路开关等等，需要极低PDL。因此，基于硅光子的光学切换系统已在此类应用中几无吸引力，且其使用已基本上限于单偏振系统。
降低硅光子开关的偏振相依性的尝试包含例如Nakamura等人在“具有硅光子1×8开关的独立于温度的高消光比光学切换(High extinction ratio optical switchingindependently of temperature with silicon photonic 1X 8switch)”，光纤通信会议，2012，p.OTu2I-3中公开的尝试的方法，其中通过使用厚(1.5微米)肋形波导来缓解偏振敏感度。但是，应注意，尽管使用厚波导提供减小的偏振敏感度，但这种实现方式以更低的集成密度为代价。此外，Nakamura等人公开的系统依赖于包括1×2和2×2马赫-曾德尔干涉计的级联级的切换架构，其引起大端口计数布置的高渐增损耗。
实现现有技术中的非偏振敏感开关的其它尝试包含K.Tanizawa等人在“具有芯片外偏振分集的4×4Si线光学路径开关(4x4Si-wire optical path switch with off-chippolarization diversity)”，光电子装置和通信会议，2015，2015，第1到3页中公开的尝试，其使用偏振分束器和组合器。在这些系统中，传入信号首先分成其横电(TE)和横磁(TM)偏振分量，所述偏振分量通过两组单独开关传播。不利的是，此类系统需要将大体积的外部(芯片外)偏振分束器/组合器或定向耦合器用作芯片上偏振分束器和组合器；但是，其仍需要两组开关和复杂交叉波导以路由TE和TM信号。在一些状况下，外部偏振分束器/组合器将拆分信号馈送到开关的具有互补端口的相对端，如K.Tanizawa等人，“与偏振分束器转子整合的非重复偏振分集8×8Si线PILOSS开关(Non-duplicate polarization-diversity 8×8Si-wire PILOSS switch integrated with polarization splitter-rotators)”，Opt.Express 25，10885-10892(2017)中所公开，其将开关的数目减小到一组但以更高串扰为代价。最重要的是，所有此类现有技术偏振分集开关使用级联2×2开关的许多级，这在高端口计数下产生高插入损耗，因此限制其对高基数开关的可扩展性。
硅光子开关的第二个问题是称为端口计数或开关基数的开关大小。在集成电路铸造厂中使用光学光刻来制造硅光子开关。称为倍缩光罩场的可在标准光刻系统(步进仪或扫描仪)中暴露的最大面积限于几厘米乘几厘米。此限制集成于一个倍缩光罩场中的切换单元的数目并因此限制开关的最大端口计数(基数)。例如在超规模数据中心中需要大规模开关以连接大量节点。
具有低偏振相关损耗且可缩放到高端口计数的实用、快、低成本、低损耗光学切换技术目前在现有技术中不可用。
发明内容
本发明实现低成本实用切换技术中的快速低损耗光学切换，以实现比可在现有技术中实现具有大体上更低的偏振相依性和/或大体上更高的端口计数的光学切换系统。本发明的实施例包含包括形成于衬底上方的不同平面上的总线波导的纵横切换元件，此消除对于偏振分集操作的偏振相依元件和重复切换结构的需要。因此，本发明实现较适用于在电信和数据通信光学电路开关中使用的切换系统，所述光学电路开关例如光学交叉连接、波长选择性交叉连接、可重配置光学增/减多路复用器、1×2开关、2×2开关等。
本发明的说明性实施例是包含安置于衬底上的2×2切换单元的布置的硅光子光交叉连接，其中每个切换单元包含一对固定位置总线波导、以及与能够操作来光学耦合和解耦所述并联波导与所述总线波导的致动器耦合的可移动并联波导。所述第一总线波导形成于所述衬底上方的第一平面上，并包含到所述切换单元的第一输入以及第一输出。所述第二总线波导形成于所述衬底上方的第二平面上，并包含第二输入和第二输出。因为所述第一总线波导和所述第二总线波导处于所述衬底上方的不同平面上，所以其在所述切换单元处于其未切换状态下时不会光学耦合，这避免与现有技术波导交叉点相关联的偏振敏感度。此外，所述总线波导和所述并联波导中的每一个具有缓解其偏振敏感度的表面波波导结构。
在其未切换(即，关断)状态下，致动器在足以大体上确保所述并联波导不与任一总线波导光学耦合的高度下将所述并联波导固持于两个总线波导上方。在此状态下，所述第一输入与所述第一输出光学耦合且与所述第二输出光学解耦，而所述第二输入与所述第二输出光学耦合且与所述第一输出光学解耦。因此，在所述关断状态，在所述第一输入处注入的光信号直接穿过所述第一总线波导传播到所述第一输出端口，而在所述第二输入处注入的光信号直接穿过所述第二总线波导传播到所述第二输出端口。
在其已切换(即，接通)状态下，所述致动器定位所述并联波导，使得所述并联波导的第一端非常接近于所述第一总线波导的一部分且所述并联波导的第二端非常接近于所述第二总线波导的一部分。所述第一端和第一波导部分一起界定第一绝热耦合器，且所述第二端和第二波导部分一起界定第二绝热耦合器，其中每个绝热耦合器是大体上偏振非相依的。因此，所述并联波导与每个总线波导之间建立了偏振非相依渐逝耦合。在此状态下，所述第一输入与所述第二输出光学耦合且与所述第一输出光学解耦，且所述第二输入与所述第一输出光学耦合且与所述第二输出光学解耦。因此，在所述接通状态下，在所述第一输入处注入的光信号从所述第一总线波导渐逝耦合到所述并联波导中，且接着从所述并联波导渐逝耦合到所述第二总线波导中，而在所述第二输入处注入的光信号从所述第二总线波导渐逝耦合到所述并联波导中，且接着从所述并联波导渐逝耦合到所述第一总线波导中。
因为所述第一总线波导与所述第二总线波导在所述衬底上方处于不同高度下，所以所述致动器经设定尺寸且经布置以在竖直方向上按不同距离移动所述并联波导的所述端，以使得可运用两个总线波导建立光学耦合。在一些实施例中，所述致动器是使所述并联波导的第一端移动第一距离并使所述并联波导的一第二端移动第二距离的两级级联静电致动器。在一些实施例中，所述致动器是可操作来跨组合的第一与第二距离移动所述并联波导的单级致动器。在一些实施例中，通过安置于所述并联波导和/或所述总线波导上的机械支座确定所述并联波导的所述端与所述总线波导之间的间距。
为了缓解偏振敏感度，本发明的实施例将若干设计特征并入到所述总线和并联波导中，包含：
i.在不同波导层中提供所述第一总线波导和所述第二总线波导使得无偏振相依交叉区连接所述总线波导；或
ii.所述总线和所述并联波导中的每一个具有使得能够以低损耗方式传播所述横电偏振模式和所述横磁偏振模式两者的厚波导结构；或
iii.所述并联波导经设定尺寸且经布置成使得其在处于其耦合位置时与所述第一总线波导和所述第二总线波导形成绝热耦合器，其中所述绝热耦合器由所述横电偏振模式和所述横磁偏振模式两者的高耦合效率表征；或
iv.用于将所述输入和所述所述第一输出和所述第二输出耦合到外部光学波导(例如，光纤等等)而非常用光栅耦合器的边缘耦合器，所述光栅耦合器已知具有高偏振敏感度；或
v.i、ii、iii和iv的任何组合。
在一些实施例中，至少一个切换单元是仅包含一个并联波导的1×2切换单元。
本发明的实施例包含经布置以一起界定多种光学电路开关的切换单元，所述光学电路开关包含OXC、WXC、ROADM和纵横开关。在一些实施例中，多个切换单元布置且可操作地与波长色散元件耦合以实现进出复合WDM信号的个别波长信号的增/减。在一些实施例中，多个单元被布置成切换复合WDM信号的所有光波长。
在一些实施例中，光学电路开关包含集成电子装置。在这些实施例中的一些中，所述电子装置包含单片地集成于与所述光学电路开关相同的衬底上电路元件，例如CMOS装置等等。在这些实施例中的一些中，所述电子装置包含形成于单独衬底上的电路元件，其随后接合或附接到所述光学电路开关衬底，而不论是否有内插件。
本发明的实施例是一种安置于界定第一平面(P1)的衬底上的光学切换系统(100)，所述光学切换系统包括包含以下各项的第一切换单元(102-1-1)：第一总线波导(202-1)，其具有第一输入(IP1-1-1)和第一输出(OP1-1-1)，其中所述第一总线波导经设定尺寸且经布置以支持包括横电(TE)和横磁(TM)偏振模式的第一光信号(116)的传播，且其中所述第一总线波导驻留于与所述第一平面平行的第二平面(P2)上；第二总线波导(202-2)，其具有第二输出(OP2-1-1)，其中所述第二总线波导经设定尺寸且经布置以支持包括所述第一光信号的传播，且其中所述第二总线波导驻留于与所述第一平面平行的第三平面(P3)上，所述第二平面与所述第三平面按第一间距(d1)间隔；以及第一并联波导(204-1)，其能够相对于所述衬底移动，其中所述第一并联波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播；其中当所述第一并联波导处于第一位置中时；(1)所述第一并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导中的每一个光学解耦，且(2)所述第一输入与所述第一输出光学耦合且大体上与所述第二输出光学解耦；且其中当所述第一并联波导处于第二位置中时；(1)所述第一并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导光学耦合，且(2)所述第一输入大体上与所述第一输出光学解耦且通过所述第一并联波导与所述第二输出光学耦合。
本发明的另一实施例是一种用于形成可操作来切换包括横电(TE)和横磁(TM)偏振模式两者的第一光信号(116)的光学切换系统(100)的方法，所述方法包括：(a)形成第一切换单元(102-1-1)，其中所述第一切换单元通过包括以下各项的操作形成：(i)在界定第一平面(P1)的衬底上形成第一总线波导(202-1)，所述第一总线波导具有第一输入(IP1-1-1)和第一输出(OP1-1-1)，其中所述第一总线波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播，且其中所述第一总线波导驻留于与所述第一平面平行的第二平面(P2)上；(ii)形成具有第二输出(OP2-1-1)的第二总线波导(202-2)，其中所述第二总线波导经设定尺寸且经布置以支持包括所述第一光信号的传播，且其中所述第二总线波导驻留于与所述第一平面平行的第三平面(P3)上，所述第二平面与所述第三平面按第一间距(d1)间隔；(iii)形成能够相对于所述衬底移动的第一并联波导(204-1)，其中所述第一并联波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播；以及(iv)形成第一致动器(206)，所述第一致动器可操作来在(1)第一位置与(2)第二位置之间移动所述第一并联波导，在所述第一位置中所述第一并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导光学解耦，在所述第二位置中所述第一并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导中的每一个光学耦合。
附图说明
图1描绘根据本发明的说明性实施例的光学切换系统的示意图。
图2A到2B分别描绘根据本发明的说明性实施例的处于其未切换和已切换状态下的切换单元的示意图。
图3A到3B分别描绘处于其未切换和已切换位置中的切换单元202的更详细示图。
图4A到4B分别描绘总线波导202-1和202-2的剖面图的示意图。
图4C到4D分别描绘并联波导204-1的俯视图和剖面图的示意图。
图5描绘根据说明性实施例的适用于形成光学切换系统的方法的操作。
图6A到6C描绘根据说明性实施例的单元102在其制造中的不同时刻的穿过图2A中展示的线a-a截取的简化剖面图。
图7A到7B描绘代表性边缘耦合器106的俯视图和剖面图的示意图。
图8A到8B分别描绘处于其未切换和已切换状态下的定向耦合器212-1的穿过图2A中展示的线a-a截取的示意图。
图9A到9B分别描绘处于其未切换和已切换状态下的定向耦合器212-2的穿过图2A中展示的线b-b截取的示意图。
图10描绘根据本发明的分别通过穿过光学切换系统的多个路径测得的TE偏振光和TM偏振光的插入损耗。
图11描绘根据本发明的针对TE和TM偏振中的每一个测得的切换单元的电压响应。
图12展示根据本发明的切换单元的所测得的光谱响应。
图13展示根据本发明的切换单元的时间响应。
图14描绘根据本发明的可重配置光学增/减多路复用器的示意图。
图15描绘根据本发明的波长选择性交叉连接的示意图。
具体实施方式
图1描绘根据本发明的说明性实施例的光学切换系统的示意图。系统100是包含切换单元102-1-1到102-4-4的4×4阵列的光交叉连接，所述切换单元中的每一个安置于衬底104上。应注意，尽管所描绘实例包括三行和四列切换单元，但在不脱离本发明的范围的情况下，任何实用数目个行和/或列的切换单元可包含于系统100中。
切换单元102-1-1到102-4-4(统称为单元102)中的每一个是包含一对亚微米宽度总线波导和一对可移动并联波导的2×2纵横开关，所述波导的位置决定切换单元的输入与输出的连接性。
本发明的方面是，用于其不同实施例中的切换单元硅光子波导经设定尺寸且经布置以使得能够传播包含TE和TM偏振分量两者的光信号(例如，光信号116)，使得这些偏振组件中的每一个展现低传播损耗，且不同偏振模式的损耗大体上相等。
还应注意，根据本发明的开关架构仅具有两个重要的光学损耗源：(a)用以重路由光信号的切换元件处的一次损耗和(b)光信号传播穿过的无源波导的传播损耗。可归因于切换元件的损耗在一些实施例中预期低于0.71dB。另外，可实现低于1dB/cm的预期传播损耗。此类性能将在仅0.4dB的PDL下产生小于2dB的总芯片上损耗。因此，根据本发明的光学切换系统可比可在现有技术中实现缩放到大得多的端口计数。所属领域的技术人员将认识到，损耗值仅仅表示特定实施例的性能。预期改良型设计和/或改良型制造工艺将实现具有提高的性能的系统，性能例如是更低的切换元件损耗、较快的切换速度等等。
单元102光学耦合使得其一起使得能够将注入到输入端口108A到108D中的任一个中的光信号108路由到其相应通口110A到110D，或替代地，路由到输出端口112A到112D中的任一个。在所描绘实例中，可选增端口114A到114D包含于系统100中。因此，单元102还使得能够在增端口114A到114D中的任一个处注入光信号116，并将所述光信号路由到其相应输出端口112A到112D或通口110A到110D中的任一个(经受阻挡约束)。出于示范性目的，在图1中，光信号116展示为耦合到输入端口108A并作为来自输出端口112B的光信号116'离开系统100。
通过常规光子集成式电路制造技术与晶圆接合的组合在衬底104上形成单元102，如下文所论述。在所描绘实例中，衬底104是硅晶圆；但是，在不脱离本发明的范围的情况下，任何合适衬底材料(例如，玻璃、碳化硅、锗化硅、化合物半导体等等)可用于衬底104中。
边缘耦合器106是单元阵列102的经设定尺寸且经布置以便于系统100与一或多个外部装置(未展示)之间的光学耦合的总线波导的中的每一个的部分，所述外部装置可操作地与切换系统耦合以向总线波导202提供光信号到从其接收光信号。在下文且关于图7A更详细地描述边缘耦合器106。
图2A到2B分别描绘根据本发明的说明性实施例的处于其未切换和已切换状态下的切换单元的示意图。图2A和2B简化以便于展现切换单元的操作。
切换单元202包含总线波导202-1和202-2、并联波导204-1和204-2和致动器206，前述各项中的每一个安置于共同衬底104上。应注意，尽管所描绘实例是包含两个并联波导的切换单元，但在一些实施例中，切换单元仅包含一个并联波导(即，204-1或204-2)出于本说明书，包含所附权利要求书，的目的，术语“安置于…上”被定义为“在”下伏材料或层“上或上方存在”。此层可包括确保合适的表面所必需的中间层，例如过渡层。举例来说，如果材料被描述为“安置(或生长)于衬底上”，那么这可意味着材料的至少一部分(1)与衬底紧密接触；(2)与驻留于衬底上的一或多个过渡层接触；或(2)以机械方式连接到驻留于衬底上的材料或元件。
图3A到3B分别描绘处于其未切换和已切换位置中的切换单元202的更详细示图。为了清晰起见，排除致动器206，且仅在图3A到3B中描绘并联波导204-1。
总线波导202-1和202-2(统称为总线波导202)中的每一个是具有单晶硅的核心的脊形波导。相比于现有技术硅光子光学切换系统，总线波导202经设定尺寸且经布置以实现TE和TM模式两者的低损耗传播和高耦合效率。在一些实施例中，总线波导202-1和202-2中的每一个的厚度显著地大于现有技术光学切换系统的总线波导的厚度。
图4A到4B分别描绘总线波导202-1和202-2的剖面图的示意图。
在所描绘实例中，总线波导202-1具有大致320nm的总厚度t1和550nm的波导宽度w1。总线波导202-1的翼形区具有大致100nm的厚度t2；因此，总线波导202-1的脊形部分具有大致220nm的高度。通常，在本发明的实施例中使用的脊形波导的翼形区是几微米(例如，2到3微米)；但是，翼形区中的任一个可具有任何实用宽度。
总线波导202-2具有大致340nm的总厚度t3和550nm的宽度w2。总线波导202-2的翼形区也具有大致100nm的厚度t4；因此，总线波导202-2的脊形部分具有大致240nm的高度。通常，总线波导的厚度略微地不同以适应以下事实：总线波导202-1直接驻留于下伏氧化物包覆层上，而总线波导202-2遍及其大部分长度悬浮于空气中。
图4C到4D分别描绘并联波导204-1的俯视图和剖面图的示意图。并联波导204-1表示并联波导204-2。穿过图4C的线c-c截取图4D中展示的剖面图。
并联波导204-1和204-2中的每一个还是包含曲线402、直线部分404-1和404-2和端208-1和208-2的脊形波导。并联波导204-1和204-2包括多晶硅；但是，在不脱离本发明的范围的情况下，其它材料可用于并联波导。并联波导204-1和204-2中的每一个具有大致380nm的总厚度t5和具有大致100nm的厚度t6的翼形区；因此并联波导的脊形部分具有大致280nm的高度。
弯曲部分402具有大致600nm的宽度w3。因此，弯曲部分402充当用于光信号116的单模波导。单模操作对于弯曲部分是优选的以通过其90°弯曲缓解弯曲损耗。
端208-1和208-2分别通过直部分404-1和404-2与弯曲部分402耦合。端208-1在其尖端处遍及L1从笔直部分404-1的宽度w4向宽度w5成锥形。以类似方式，端208-2在其尖端处遍及L1从笔直部分404-2的宽度w6向宽度w7成锥形。在所描绘实例中，宽度w4和w6中的每一个是150nm，宽度w5是850nm，宽度w7是800nm，且L1等于90微米。本发明的方面是，锥形端208-1和208-2分别以不同方式适应波导部分210-1和210-2的差异，这使得光信号116的TE和TM模式两者能够有效率地耦合穿过绝热耦合器212-1和212-2。
因为直线部分404-1和404-2不具有弯曲损耗且其相对较短，所以这些波导部分可充当多模波导，并因此可相比于弯曲部分402具有大的宽度。直线部分中的每一个通过具有在所描绘实例中是大致50微米的长度L2的相对较短锥与弯曲部分402接合。
尽管说明性实施例包括总线和是脊形波导的并联波导，但所属领域的技术人员在阅读本说明书之后将明白如何指定、进行和使用本发明的替代性实施例，其中总线波导和并联波导中的至少一个是不同类型的波导，例如信道波导等等。所属领域的技术人员将认识到，端208的期望形状取决于用于总线和并联波导的特定波导设计，且因此，在不脱离本发明的范围的情况下可使用不同端形状。
并联波导204-1和204-2可操作地与致动器206耦合，所述致动器可操作来在第一位置与第二位置之间移动并联波导，在所述第一位置中所述并联波导与两个总线波导光学解耦，在所述第二位置中所述并联波导的端与两个总线波导的部分光学耦合以界定绝热定向耦合器212-1和212-2。定向耦合器212-2的俯视图的示意图在图3B中提供为Inset1。
致动器206是与并联波导204-1和204-2机械耦合的基于MEMS的致动器，使得所述致动器控制端208相对于总线波导202的位置。如下文且关于图8A到8B和9A到9B所论述，在说明性实施例中，致动器206是控制每个其相应总线波导上方的并联波导的高度的两级竖直静电致动器。为了清晰起见，端208与波导部分210之间的竖直间距在图2A到2B中表示为侧向间距。尽管说明性实施例包括竖直静电致动器，但所属领域的技术人员在阅读本说明书之后将明白如何指定、进行和使用适用于控制端208与波导部分210之间的间距的任何致动器。适合用于本发明中的致动器包含但不限于竖直致动器、侧向致动器、和竖直且横向地进行致动的致动器。另外，根据本发明的致动器包含但不限于电热致动器、热致动器、磁致动器、电磁致动器、静电梳驱动致动器、磁力控制致动器、压电致动器、流体致动器、气动致动器等。在下文且关于图8A到8B和9A到9B更详细地描述致动器206。
本发明的方面是，相比于现有技术光学切换系统，总线波导201-1与202-2形成于不同平面上，使得其在切换单元处于其未切换状态下时彼此光隔离。因此，本发明的实施例避免形成于相同波导层中的总线波导之间的接面处的偏振相依交叉损耗，如在现有技术光学切换系统中发生。具体地说，衬底104的顶表面界定第一平面——平面P1，总线波导202-1形成于平面P2中，且总线波导202-1形成于平面P3上，前述平面全部平行。平面P2与P3按距离d1间隔，所述距离在所描绘实例中等于大致1.38微米。因此，总线波导202-1的顶表面与总线波导202-2的底表面之间的间距是大致1微米。
当切换单元202处于其未切换状态下(图2A和3A)时，端208与波导部分210以足够大以确保在其之间不会发生渐逝耦合的距离间隔。在此状态下，输入端口IP1与输出端口OP1光学耦合且输入端口IP2与输出端口OP2光学耦合。换句话说，在IP1处进入切换单元的光将以低损耗直接传播到OP1，而在IP2处进入切换单元的光将以低损耗直接传播到OP2。
当切换单元202处于其已切换状态下(图2B和3B)时，端208和其相应波导部分210一起界定绝热定向耦合器212。具体地说，端208-1和波导部分210-1一起界定绝热定向耦合器212-1，端208-2和波导部分210-2一起界定绝热定向耦合器212-2等等。因此，进入IP1的光信号在定向耦合器212-1处渐逝耦合到并联波导204-1中，并传播通过并联波导204-1到定向耦合器212-2，在所述定向耦合器中所述光信号渐逝耦合到总线波导202-2中并传播到OP2。以类似方式，进入IP2的光信号在定向耦合器212-4处渐逝耦合到并联波导204-2中，并传播通过并联波导204-2到定向耦合器212-3，在所述定向耦合器中所述光信号渐逝耦合到总线波导202-1中并传播到OP1。
图5描绘根据说明性实施例的适用于形成光学切换系统的方法的操作。在本文中继续参考图1到4以及参考图6到9描述方法500。
图6A到6C描绘根据说明性实施例的单元102在其制造中的不同时刻的穿过图2A中展示的线a-a截取的简化剖面图。
方法500以操作501开始，在其中提供衬底600。衬底600是包括处置衬底104、内埋氧化物(BOX)层602和有源层604的常规绝缘体上硅(SOI)衬底，其中BOX层602具有大致3微米的厚度且有源层604具有大致320nm的厚度。
在操作502处，在有源层604中界定总线波导202-1、边缘耦合器106和电极702。因为总线波导是脊形波导，所以此操作需要两个步骤，在一个步骤中通过完全蚀刻穿过有源层604来界定波导的整个宽度，且在另一步骤中通过部分地蚀刻有源层604以形成波导结构的翼形区来界定波导的脊形部分。应注意，可以任一次序执行这些步骤。
在每个步骤中，首先使用常规光刻来将待转印到有源层604中的期望图案界定为蚀刻光罩。接着使用合适的蚀刻工艺，例如反应性离子蚀刻(RIE)、深反应性离子蚀刻(DRIE)等，来将蚀刻光罩的图案转印到有源区中。应注意，例如x射线光刻、e射束光刻、压印光刻等等其它光刻方法可用来界定蚀刻光罩。
本发明的一方面是，使用边缘耦合器以将光耦合进出总线波导202相比于现有技术光学切换系统为本发明的实施例提供显著的优点，现有技术光学切换系统通常使用光栅耦合器以将光信号耦合进出系统。遗憾的是，光栅耦合器是高度偏振敏感的。因此，通过使用边缘耦合器，尤其是包括光斑大小转换器的边缘耦合器，本发明的实施例实现与例如光纤、激光器和光电检测器等外部装置的大体上非偏振敏感的光学耦合。
在操作502期间，形成第一组边缘耦合器106作为总线波导202-1的子集的部分，具体地说，所述总线波导是界定输入端口108或通口110的那些总线波导202-1。
图7A到7B描绘代表性边缘耦合器106的俯视图和剖面图的示意图。边缘耦合器106包含光斑大小转换器702，其包括耦合部分704和锥形区706。边缘耦合器以缓解所述总线波导与其相应外部元件708之间的光学耦合损耗的方式端接其相应总线波导202。出于示范性目的，图7A到7B描绘用于将总线波导202-1耦合到外部元件708的边缘耦合器。在所描绘实例中，输入端口108、通口110、输出端口112和增端口114中的每一个与常规光纤(图1中未展示)光学耦合；因此，外部元件708是可操作来输送光信号116的常规光纤。在一些实施例中，外部元件708是不同光学组件或装置，例如特殊光纤(例如，高数值孔径(NA)光纤、透镜光纤等等)、激光器、光电探测器、另一PIC等。
耦合部分704是波导区，所述波导区的宽度和厚度已选定使得波导具有大体上匹配外部元件708的模式场分布的模式场分布。
锥形区706是总线波导的宽度和厚度遍及长度L3在耦合部分704的总线波导宽度w1和厚度t1与宽度w8和厚度t7之间成锥形的区。所属领域的技术人员将认识到，基于设计考量，宽度/厚度可向上成锥形(称为正常锥形)或向下成锥形(称为倒锥形)。尽管锥形区706的宽度和厚度两者在所描绘实例中成锥形，但在一些实施例中，宽度或厚度中的仅一个是锥形的。此外，尽管锥形区704被描绘为具有线性分布，但所属领域的技术人员在阅读本说明书之后将认识到，锥形区可具有不同锥形分布，例如非线性、分段线性等等。
在操作503处，在总线波导202-1上方形成层间介电质606，且将所述层间介电质平坦化(例如，通过化学机械抛光(chemical-mechanical polishing，CMP)等等)成其期望厚度。通常，通过沉积具有大致1微米的厚度的低温氧化物(LTO)来形成层间介电质606；但是，可使用其它工艺和/或厚度。
在操作504处，在层间介电质606上提供结构层608使得结构层具有大致340nm的厚度。在所描绘实例中，结构层608是第二SOI衬底的有源层，使用例如氧气辅助等离子接合等合适的接合工艺来将所述结构层接合到夹层606。在接合操作之后，移除第二SOI衬底的BOX层和处置衬底，由此暴露结构层608来为后续处理操作做准备。
在操作505处，图案化结构层608以界定总线波导202-2和其相应边缘耦合器106以及电极804，所述边缘耦合器围绕系统100的周边定位以界定输出端口112和增端口114，所述电极是致动器206的部分。相对于操作502，如上文所描述而界定总线波导202-2、其相应边缘耦合器106和电极804。
图6A描绘界定总线波导202-1和202-2之后的切换单元202的穿过如图3A中所描绘的线a-a截取的剖面图。
应注意，操作505暴露总线波导202-1和电极802和804。一旦暴露，则通过使用离子植入或另一合适的掺杂方法来掺杂电极802与804来典型地使所述电极更导电。此外，在一些实施例中，在操作505期间使层间介电质606的接近这些电极暴露的区域涂布有包封层818。在所描绘实例中，包封层包括例如氧化铝等合适材料的薄(例如，20nm)层的，其保护电极802和804周围的氧化物，以使得其不会在用以使波导204和致动器206可相对于衬底104移动的释放蚀刻期间完全被底切和毁坏。
在操作506处，视情况在总线波导202-1与202-2之间形成结构通孔808。如下文所论述，总线波导202-2的长度很大部分地通过释放蚀刻底切。这些结构通孔在此释放操作之后向总线波导202-2提供机械强度。另外，通孔808中的一些用以提供到形成于中有源层604和结构层608中的一个或两个的特征(例如，电极)的电互连性。
在操作507处，在装置的表面上方形成层间介电质610。通过沉积一层LTO并使用CMP以在总线波导202-2的顶部上产生平坦的一微米厚介电层来形成层间介电质610。
在操作508处，在层间介电质610中形成盲孔612和通孔806。将盲孔612蚀刻到层间介电质610的顶表面中直到深度h3。在所描绘的实例中，h3等于80nm，这决定绝热耦合器312的耦合距离。通孔806延伸穿过层间介电质610的厚度并使结构层608的表面区暴露。
图6B描绘界定盲孔612之后的切换单元202的剖面图。
在操作509处，在层间介电质610上形成结构层614。在所描绘实例中，结构层614是具有大致380nm的厚度的一层未掺杂多晶硅，其以共形方式沉积。接着典型地对结构层614进行退火以改良其对于光信号116的透射率。尽管说明性实施例包含包括多晶硅的结构层，但所属领域的技术人员在阅读本说明书之后将明白如何指定、进行和使用结构层614包含不同结构材料的替代性实施例。适合用于结构层614中的材料包含但不限于非晶硅、氢化非晶硅、介电材料(例如，氮化硅等)等。
归因于结构层614的共形性质，在操作510期间，结构层614的材料填充盲孔612和通孔806，由此形成支座616和锚820。
支座616从每个并联波导的底部表面突出s3的距离。当切换单元202处于其已切换状态下时，支座616接触每个总线波导，由此确定绝热定向耦合器312-1和312-2的期望耦合距离s3。
锚820在总线波导202上方支撑经图案化结构层614。
在操作510处，在结构层614中界定并联波导204、系链810和812和板814和816，如上文关于总线波导202所描述。系链810和812经设定尺寸且经布置以响应于在一起界定致动器206电极与板(即，电极802和804与板814和816)之间施加的合适电压而实现并联波导204-1的竖直运动。
在操作511处，通过移除层间介电质606和610的部分来“释放”结构层614的含有并联波导204、系链810和812和板814和816的部分(即，使其可相对于衬底104移动)。在所描绘实例中，在操作511中使用的释放蚀刻是常规汽相HF蚀刻。
图6C描绘操作511之后的切换单元202的剖面图。
图8A到8B分别描绘处于其未切换和已切换状态下的定向耦合器212-1的穿过图2A中展示的线a-a截取的示意图。
通过多晶硅支座806将结构层614固持于结构层608上方。如上所述，经图案结构层608以界定并联波导204-1，所述并联波导的端208-1通过系链312与致动器206机械耦合。
致动器206是可操作来按不同距离移动端208-1与208-2的两级竖直静电致动器。致动器206包括一起界定致动器的stage1的电极804和板814以及一起界定致动器的stage2的电极802和板816。并联波导204-1的端208-1是包含板816的平台的部分。板816通过系链812与板814机械耦合。板814通过系链810与板814机械耦合，所述系链从锚820延伸。
当在结构层614与电极802和804之间未施加电压时，端208-1保持在其待用位置中，其中所述端与总线波导202-1的波导部分210-1按距离s1间隔。
当在结构层614与电极802和804之间施加充足电压时，板814被静电吸引朝向电极804。因此，板816和端208-1朝向衬底104朝下移动(借助于系链810的柔性)，直到支座616与结构层608的顶表面进行接触为止。此时，致动器206的stage1完全致动，这减小电极802与板816之间的间隔，由此实现致动器206的stage2中的第二静电力。
第二静电力将板816吸引到电极802(借助于系链812的柔性)，且将端208-1吸向波导部分210-1直到支座616接触有源层604的顶表面为止。支座616的厚度s3确定端208-1与波导部分210-1之间的期望耦合距离，其使得能够在定向耦合器212-1处使光信号116从总线波导202-1渐逝耦合到并联波导204-1中。
应注意，尽管所描绘实例使用两级级联致动器，但可在不脱离本发明的范围的情况下在本发明的实施例中使用其它致动器。举例来说，可使用包括板816和802的更常规单级致动器。在一些状况下，对于单段致动器可能需要更高电压；但是，还可使用更大的致动器区域，这将缓解此需要。
图9A到9B分别描绘处于其未切换和已切换状态下的定向耦合器212-2的穿过图2A中展示的线b-b截取的示意图。
定向耦合器212-2类似于定向耦合器212-1；但是，因为需要并联波导204-1的端208-2的竖直度低得多的行进来实现与波导部分210-2的渐逝耦合，所以致动器206仅需要stage1(即，电极804和板814)。
当在电极804与板814之间未施加电压时，端208-2保持在其待用位置中并与总线波导202-2按距离s2间隔。距离s2足够大以确保在两个波导之间的不发生渐逝耦合。
但是，当在电极802与板814之间施加充足电压时，板被静电吸引朝向电极，从而将端208-2吸向波导部分210-2，直到支座616与结构层608的顶表面进行接触为止。如上所述，支座的厚度确定定向耦合器212-2的恰当耦合距离s3，由此使得光信号116能够从并联波导204-1渐逝耦合到总线波导202-2中。
图10描绘根据本发明的分别通过穿过光学切换系统的多个路径测得的TE偏振光和TM偏振光的插入损耗。
曲线1000展示通过传播路径传送的TE偏振光的长度范围介于1.2cm到2.4cm的测得损耗。所测得最大芯片上插入损耗是13.6dB。从曲线1000中指示的线性拟合的斜率导出的传播损耗判定为大致3.1dB/cm。这等于大致0.046dB/切换单元。
从线性拟合的y截距估计大致4.22dB的切换损耗。
曲线1002展示通过传播路径传送的TM偏振光的长度范围介于1.2cm到2.4cm的测得损耗。所测得最大芯片上插入损耗是19.5dB，且传播损耗估计是大致6.7dB/cm(大致0.098dB/切换单元)。TM偏振光的切换损耗估计是大致1.85dB。
最大PDL估计是8.5dB，其大部分来源于TE偏振模式和TM偏振模式的传播损耗差。因为此损耗主要归因于侧壁粗糙度，所以相信改良型波导制造工艺将引起进一步的改良。
曲线1004展示PDL的路径长度相依性。由波导产生的PDL的贡献估计是3.5dB/cm，而归因于切换元件本身的损耗估计是2.4dB。应注意，所测得损耗高于理论值，这被认为是主要归因于制造瑕疵。改良型工艺和/或铸造能力的进步在将来应可引起更低的损耗。
图11描绘根据本发明的针对TE和TM偏振中的每一个测得的切换单元的电压响应。
曲线1100和1102展现TE和TM偏振模式两者在大致40V的所施加电压下接通，并在所施加电压下降到25V时关断。此外，两个偏振模式展现大于40dB的消光比。
图12展示根据本发明的切换单元的所测得的光谱响应。曲线1200展示跨越从1530nm延伸到1610nm的80nm宽光谱范围的TE和TM偏振模式中的每一个的小于3.4dB变化。
图13展示根据本发明的切换单元的时间响应。曲线1300展示大致46微秒的接通时间和大致33微秒的关断时间。应注意，所测得响应时间不受致动器的机械共振频率限制，而是实际上受电极802和804的显著地高于预期的RC时间常数限制。归因于所测量装置中使用的多晶硅的高于正常的电阻率而产生高RC时间常数，这归因于产生不充分掺杂程度的处理误差。运用恰当的装置制造，相信低至一微秒或两微秒的切换速度完全处于根据本发明的切换单元的能力范围内。
应注意，可通过在不同配置中组合多个1×2和/或2×2切换单元来形成其它光学切换系统，例如数据网路交叉点开关、ROADM、波长选择性交叉连接等，且此类实施例处于本发明的范围内。在一些实施例中，包含额外光学元件，例如波长色散装置(例如，绕射绕光栅、棱镜、波导光栅路由器等等)、PLC组合器、分束器等，以增加系统功能性。在2016年11月10日发布的第20160327751号美国专利公开案中公开本发明适用于的光学切换系统的一些实例，所述美国专利公开案以引用的方式并入本文中。
图14描绘根据本发明的可重配置光学增/减多路复用器的示意图。系统1400在本文中提供为根据本发明的另一光学切换系统的实例。系统1400包含阵列波导光栅1402-1和1402-2和开关阵列1404。
开关阵列包含切换单元202的3×3阵列，其以类似于上文所描述的单元阵列102的3×3阵列布置。
阵列波导光栅(array waveguide grating，AWG)1402-1和1402-2中的每一个是常规基于PLC的阵列波导光栅，其可操作来将波长划分多路复用(WDM信号)的多个波长信号分布到多个输出波导中或将在多个输入波导处接收到的多个波导信号组合成WDM信号并在输出波导处提供所述波导信号。
在操作中，在常规AWG 1402-1处接收WDM信号1406，所述常规AWG分离WDM信号中的个别波长信号λ1到λ3，并将所述波长信号分别提供给切换单元102的输入In1到In3。
控制切换单元102以视需要分布波长信号。举例来说，图14描绘其经配置以分别将λ1到λ3传递到Out1和Out3的状态下的开关阵列1404，同时λ2下降到减端口Drop3。
输出Out1到Out3与AWG 1402-2光学耦合，所述AWG将这两个波长信号重新组合成WDM信号1408。
应注意，切换单元102还包含多个输入端口Add1到Add3，所述输入端口可用来以相同波长下的光信号替换任何丢弃的波长信号。
图14包含Inset2，其描绘一行开关阵列1404中的两个邻近切换单元102-i-j与102-i-(j+1)的输入/输出连接性，其中i＝1到N且j＝1到M，N是开关阵列中的行数目且M是列数目。所属领域的技术人员将认识到，列中的两个切换单元(即，102-i-j和102-(i+1)-j))的输入/输出连接性类似于Inset2中所展示。此外，切换单元之间的所描绘互连性表示包含于本发明的任何实施例中的切换单元阵列的互连性。
图15描绘根据本发明的波长选择性交叉连接的示意图。波长选择性交叉连接(WXC)1500在本文中提供为根据本发明的另一光学切换系统的实例。WXC 1500包含开关阵列1502-1到1502-3和AWG 1402A和1402B。
开关阵列1502-1到1502-3(统称为开关阵列1502)中的每一个是切换单元102的3×3阵列。切换单元阵列被布置成使得每个切换阵列具有可重配置成输出端口112中的任一个的三个输入端口108。
每个AWG 1402A接收WDM信号并分布其波长信号，使得每个波长信号提供不同输出波导于上。在所描绘实例中，每个AWG 1402A经配置以在其相应输入处接收包括三个波长信号λ1、λ2和λ3的WDM信号并在不同输出波导上提供每个波长信号。
每个AWG 1402B可操作来从开关阵列1502接收多个波长信号，并将所述波长信号组合成其相应输出波导上提供的WDM信号。在所描绘实例中，每个AWG 1402B经配置以接收三个波长信号λ1、λ2和λ3，并在相应输出波导上提供复合WDM信号。
所属领域的技术人员在阅读本说明书之后将识别到，AWG是适合用于WXC 1500中的若干波长色散组件中的仅一个。其它合适的组件包含但不限于其它波长色散装置(例如，绕射光栅、棱镜等等)、PLC组合器、分束器等。
开关阵列1502和AWG 1402被布置成使得每个AWG向同一开关阵列发送同一波长分量。因此，每个开关阵列处置仅具有一个波长的光。举例来说，如所描绘，开关阵列1502-1仅接收由λ1表征的光信号(即，λ1-1、λ1-2和λ1-3)，开关阵列1502-2仅接收由λ2表征的光信号(即，λ2-1、λ2-2和λ2-3)，且开关阵列1502-3仅接收由λ3表征的光信号(即，λ3-1、λ3-2和λ3-3)。
一旦被接收，那么每个开关阵列可将其接收到的波长信号中的任一个重路由到其输出端口112中的任一个。举例来说，如图15中所描绘，开关阵列1502-1路由λ1-1，使得其继续其原始路径直到Output1中；但是，其将λ1-3重路由到Output2上并将λ1-2重路由到Output3上。开关阵列1502-2重路由所有其接收到的波长信号使得λ2-1被路由到Output2上，λ2-2被路由到Output3，且λ2-3被路由到Output1。开关阵列1502-3路由λ3-2使得其继续其原始路径直到Output2上；但是，其将λ3-1重路由到Output3上并将λ3-3重路由到Output1上。
应理解，本公开仅教示说明性实施例的一个实例，且本发明的许多变化可由所属领域的技术人员在阅读本公开之后易于设计，且本发明的范围应由所附权利要求书决定。

Claims (29)

1.一种安置于界定第一平面(P1)的衬底上的光学切换系统(100)，所述光学切换系统包括包含以下各项的第一切换单元(102-1-1)：
第一总线波导(202-1)，其具有第一输入(IP1-1-1)和第一输出(OP1-1-1)，其中所述第一总线波导经设定尺寸且经布置以支持包括横电TE和横磁TM偏振模式两者的第一光信号(116)的传播，且其中所述第一总线波导驻留于与所述第一平面平行的第二平面(P2)中；
第二总线波导(202-2)，其具有第二输出(OP2-1-1)，其中所述第二总线波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播，且其中所述第二总线波导驻留于与所述第一平面平行的第三平面(P3)中，所述第二平面与所述第三平面按第一间距(d1)间隔；以及
第一并联波导(204-1)，其能够相对于所述衬底移动，其中所述第一并联波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播；
其中，当所述第一并联波导处于第一位置中时；(1)所述第一并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导中的每一个光学解耦，且(2)所述第一输入与所述第一输出光学耦合且大体上与所述第二输出光学解耦；且
其中，当所述第一并联波导处于第二位置中时；(1)所述第一并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导光学耦合，且(2)所述第一输入大体上与所述第一输出光学解耦且通过所述第一并联波导与所述第二输出光学耦合。
2.根据权利要求1所述的系统，其中当所述第一并联波导处于所述第二位置中时；(1)所述第一并联波导的第一端和所述第一总线波导一起界定第一绝热耦合器(212-1)，且(2)所述第一并联波导的第二端和所述第二总线波导一起界定第二绝热耦合器(212-2)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一绝热耦合器和所述第二绝热耦合器中的每一个由所述第一光信号的所述TE偏振模式和所述TM偏振模式中的每一个的1dB或更小的插入损耗表征。
4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括能够相对于所述衬底移动的第二并联波导(204-2)，所述第二并联波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播；
其中所述第二总线波导进一步包含第二输入(IP2-1-1)；且
其中，当所述第二并联波导处于第三位置中时；(1)所述第二并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导中的每一个光学解耦，且(2)所述第二输入与所述第二输出光学耦合且大体上与所述第一输出光学解耦；且
其中，当所述第二并联波导处于第四位置中时；(1)所述第二并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导光学耦合，且(2)所述第二输入大体上与所述第二输出光学解耦且通过所述第二并联波导与所述第一输出光学耦合。
5.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括能够操作来在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述第一并联波导的第一致动器(206)。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述致动器是两级致动器，所述两级致动器具有能够操作来使所述第一并联波导的第一端(208-1)移动第一距离的第一级(Stage1)，以及能够操作来使所述第一并联波导的第二端(208-2)移动不同于所述第一距离的第二距离的第二级(Stage2)。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述致动器是静电致动器。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述致动器选自由热致动器、磁致动器和电磁致动器组成的群组。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一总线波导和所述第二总线波导中的每一个经设定尺寸且经布置成使得所述第一光信号的所述TE偏振模式和所述TM偏振模式中的每一个由在10％内相等的群速度表征。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一总线波导和所述第二总线波导中的每一个经设定尺寸且经布置成使得所述TE偏振模式和所述TM偏振模式中的每一个由相同群速度表征。
11.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括边缘耦合器(106)，所述边缘耦合器能够操作来在外部元件(708)与所述第一总线波导和所述第二总线波导中的一个之间光学耦合所述第一光信号的所述TE偏振模式和所述TM偏振模式中的每一个。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述边缘耦合器包含光斑大小转换器(702)。
13.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括第二切换单元(102-1-2)，其中所述第二切换单元包括：
第三总线波导(202-1)，其具有第二输入(IP1-1-2)和第三输出(OP1-1-2)，其中所述第三总线波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播，且其中所述第三总线波导驻留于所述第二平面中；
第四总线波导(202-2)，其具有第四输出(OP2-1-2)，其中所述第四总线波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播，且其中所述第二总线波导驻留于所述第三平面中；且
第二并联波导(204-1)，其能够相对于所述衬底移动，其中所述第二并联波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播；
其中，当所述第二并联波导处于第一位置中时；(1)所述第二并联波导与所述第三总线波导和所述第四总线波导中的每一个光学解耦，且(2)所述第二输入与所述第三输出光学耦合且大体上与所述第四输出光学解耦；
其中，当所述第二并联波导处于第二位置中时；(1)所述第二并联波导与所述第三总线波导和所述第四总线波导光学耦合，且(2)所述第二输入大体上与所述第三输出光学解耦且通过所述第二并联波导与所述第四输出光学耦合。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一切换单元(102-1-1)和所述第二切换单元(102-1-2)被布置成使得所述第一输出(OP1-1-1)与所述第二输入(IP1-1-2)光学耦合，使得：
当所述第一并联波导处于所述第一位置中且所述第二并联波导处于所述第一位置中时，所述第一输入(IP1-1-1)与所述第三输出(OP1-1-2)光学耦合；
当所述第一并联波导处于所述第一位置中且所述第二并联波导处于所述第二位置中时，所述第一输入与所述第四输出(OP2-1-2)光学耦合；且
当所述第一并联波导处于所述第二位置中时，所述第一输入与所述第三输出和所述第四输出中的每一个光学解耦。
15.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括开关阵列(1404)，所述开关阵列包含包括所述第一切换单元的多个切换单元，其中所述开关阵列包含多个输入端口(108)和多个输出端口(112)，且其中所述多个切换单元被布置成使得其所述多个输入端口中的每个输入端口能够光学耦合到其所述多个输出端口中的任何输出端口。
16.根据权利要求15所述的系统，其进一步包括，其中所述多个切换单元被布置成使得其所述多个输入端口中的每个输入端口能够光学耦合到其所述多个输出端口中的任何输出端口。
17.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括：
第一波长色散元件(1402A)，其能够操作来将所述第一光信号分离成多个波长信号(λ1、λ2、λ3)，并将其所述多个波长信号中的每个波长信号提供给其所述多个输入端口中的不同输入端口；以及
第二波长色散元件(1402B)，其能够操作来从所述多个输出端口接收所述多个波长信号并将所述多个波长信号组合成第二光信号(1504)。
18.一种用于形成光学切换系统(100)的方法，所述光学切换系统能够操作来切换包括横电TE和横磁TM偏振模式两者的第一光信号(116)，所述方法包括：
(a)形成第一切换单元(102-1-1)，其中所述第一切换单元通过包括以下各项的操作形成：
(i)在界定第一平面(P1)的衬底上形成第一总线波导(202-1)，所述第一总线波导具有第一输入(IP1-1-1)和第一输出(OP1-1-1)，其中所述第一总线波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播，且其中所述第一总线波导驻留于与所述第一平面平行的第二平面(P2)中；
(ii)形成具有第二输出(OP2-1-1)的第二总线波导(202-2)，其中所述第二总线波导经设定尺寸且经布置以支持包括所述第一光信号的传播，且其中所述第二总线波导驻留于与所述第一平面平行的第三平面(P3)中，所述第二平面与所述第三平面按第一间距(d1)间隔；
(iii)形成能够相对于所述衬底移动的第一并联波导(204-1)，其中所述第一并联波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播；以及
(iv)形成第一致动器(206)，所述第一致动器能够操作来在(1)第一位置与(2)第二位置之间移动所述第一并联波导，在所述第一位置中所述第一并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导光学解耦，在所述第二位置中所述第一并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导中的每一个光学耦合。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一切换单元通过进一步包括以下各项的操作形成：
(v)形成能够相对于所述衬底移动的第二并联波导(204-2)，其中所述第二并联波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播；
其中形成所述致动器，使得其能够操作来在(3)第三位置与(4)第四位置之间移动所述第二并联波导，在所述第三位置中所述第二并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导光学解耦，在所述第四位置中所述第二并联波导与所述第一总线波导和所述第二总线波导中的每一个光学耦合。
20.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述致动器使得其与所述第一并联波导和所述第二并联波导中的每一个操作地耦合。
21.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
(b)形成第二切换单元(102-1-2)，其中所述第二切换单元通过包括以下各项的操作形成：
(i)形成具有第二输入(IP1-1-2)和第三输出(OP1-1-2)的第三总线波导(202-1)，其中所述第三总线波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播，且其中所述第三总线波导驻留于所述第二平面中；
(ii)形成具有第四输出(OP2-1-2)的第四总线波导(202-2)，其中所述第四总线波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播，且其中所述第四总线波导驻留于所述第三平面中；以及
(iii)形成能够相对于所述衬底移动的第一并联波导(204-1)，其中所述第一并联波导经设定尺寸且经布置以支持所述第一光信号的传播；以及
(iv)形成第二致动器(206)，所述第二致动器能够操作来在(1)第一位置与(2)第二位置之间移动所述第一并联波导，在所述第一位置中所述第一并联波导与所述第三总线波导和所述第四总线波导光学解耦，在所述第二位置中所述第一并联波导与所述第三总线波导和所述第四总线波导中的每一个光学耦合；
其中所述第一输出与所述第二输入光学耦合。
22.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括(b)形成边缘耦合器(106)，所述边缘耦合器能够操作来在第一元件(708)与所述第一总线波导和所述第二总线波导中的一个之间光学耦合所述第一光信号的所述TE偏振模式和所述TM偏振模式中的每一个，其中所述第一元件选自由光纤、光源和检测器组成的群组。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述边缘耦合器包含光斑大小转换器(702)。
24.根据权利要求18所述的方法，其中当所述第一并联波导处于所述第二位置中时：(1)第一总线波导和所述第一并联波导一起界定第一绝热耦合器(212-1)，且(2)所述第二总线波导和所述第一并联波导一起界定第二绝热耦合器(212-2)。
25.根据权利要求18所述的方法，其中所述致动器形成为两级致动器，所述两级致动器具有能够操作来使所述第一并联波导的第一端(208-1)移动第一距离的第一级(Stage1)，以及能够操作来使所述第一并联波导的第二端(208-2)移动不同于所述第一距离的第二距离的第二级(Stage2)。
26.根据权利要求18所述的系统，其中所述致动器是静电致动器。
27.根据权利要求18所述的系统，其中所述致动器选自由热致动器、磁致动器和电磁致动器组成的群组。
28.根据权利要求18所述的系统，其中形成所述第一总线波导和所述第二总线波导中的至少一个，使得所述第一光信号的所述TE偏振模式和所述TM偏振模式由大体上相同的群速度表征。
29.根据权利要求18所述的系统，其中形成所述第一总线波导和所述第二总线波导中的至少一个，使得所述第一光信号的所述TE偏振模式和所述TM偏振模式由在10％内相等的群速度表征。
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