CN110121673B - 基于载流子效应的光开关 - Google Patents

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Abstract

提供了一种基于载流子效应的光开关、一种操作该基于载流子效应的开关的方法、及一种用于控制该基于载流子效应的光开关的控制器模块。基于载流子效应的光开关包括：输入光耦合器和输出光耦合器；第一光波导臂和第二光波导臂，每个将该输入光耦合器连接到该输出光耦合器；靠近该第一光波导臂的第一结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向该第一光波导臂提供第一光相位延迟；及靠近该第二光波导臂的第一电阻加热器，用于由于热光效应而向该第二光波导臂提供第二光相位延迟。该方法包括将第一电功率施加到第一结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向该第一光波导臂提供第一光相位延迟，及将第二电功率施加到该第一电阻加热器，用于由于至少基于载流子效应而向该第二光波导臂提供第二光相位延迟。该控制器模块包括代码，当该代码在计算设备上执行时，使得该控制器模块执行该方法。

Description

基于载流子效应的光开关
相关申请的引用
本申请要求于2016年12月30日提交的申请号为15/395,570的美国专利申请的优先权，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明属于网络通信领域，尤其涉及一种基于载流子效应的光开关。
背景技术
光子开关越来越多地用于在光网络中切换信号。光子开关可以基于马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)，在MZI的一个或两个臂中具有基于载流子效应的移相器。基于载流子效应的移相器通常基于正(p型)-本征(i型)-负(n型)(即PIN)或正(p型)-负(n型)(即PN)电二极管。这些类型的开关结构被称为仅推(PIN或PN二极管，单臂)或推挽(PIN或PN二极管，双臂)配置。集成有基于载流子效应的移相器的MZI可以提供紧凑且低功率的光开关，具有足够快的开关速度以用于城域网和数据中心交换应用。此外，基于载流子的光开关或“开关单元”可以成功地用于构造更大规模的开关结构，允许制造大尺寸(例如，64×64)的片上集成光开关矩阵。
基于载流子效应的移相器易受由电功率(焦耳加热)引起的自热效应的影响，该电功率主要由PIN的本征区或在稳态条件下工作的PN二极管的结区发散。作为结果，在MZI的一个臂中发生自加热效应。这增加了该臂的工作温度，并在整个结构上产生温度梯度。这导致在MZI的一个臂中引起的附加的且不希望的相移，并且反过来降低了开关的光学消光比。
提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。不代表认可，或不应被解释为前述任何信息构成相对于本发明的现有技术。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种用于通信网络的基于载流子效应的光开关的改进的方法和装置。
根据本发明的实施例，提供了一种基于载流子效应的光开关。基于载流子效应的光开关包括：输入光耦合器和输出光耦合器；第一光波导臂和第二光波导臂，每个将该输入光耦合器连接到该输出光耦合器的；靠近该第一光波导臂的第一结型二极管，用于由于至少基于载流子的作用而向该第一光波导臂提供第一光相位延迟；以及靠近该第二光波导臂的第一电阻加热器，用于由于热光效应而向该第二光波导臂提供第二光相位延迟。
根据本发明的实施例，还提供了一种操作基于载流子效应的光开关的方法。该方法包括将第一电功率施加到设置在靠近该基于载流子效应的光开关的第一光波导臂的第一结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向该第一光波导臂提供第一光相位延迟；以及将第二电功率施加到设置在靠近该基于载流子效应的光开关的第二光波导臂的第一电阻加热器，用于由于热光效应而向该第二光波导臂提供第二光相位延迟。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于控制基于载流子效应的光开关的控制器模块。该控制器模块包括代码，当该代码在计算设备上执行时，使得该控制器模块将第一电功率施加到设置在靠近该基于载流子效应的光开关的第一光波导臂的第一结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向该第一光波导臂提供第一光相位延迟；以及将第二电功率施加到设置在靠近该基于载流子效应的光开关的第二光波导臂的第一电阻加热器，用于由于热光效应而向该第二光波导臂提供第二光相位延迟。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：
图1以示意图示出了具有推挽配置的基于载流子效应的光开关的示例；
图2以元件图示出了基于载流子效应的光开关的截面图，其中示出了第一二极管和第二二极管的截面图；
图3A和图3B每个示出了处于开(ON)状态和关(OFF)状态的波导马赫曾德(Mach-Zehnder，MZ)干涉仪；
图4A和图4B示出了基于载流子效应的光开关的等效电路；
图5示出了通过基于载流子效应的光开关传播的光信号的光输出功率随时间的曲线图；
图6以示意图示出了根据本公开的实施例的具有在集成的基于载流子的移相器的自加热效应的热补偿的基于载流子效应的光开关；
图7以元件图示出了具有二极管和电阻加热器的基于载流子效应的光开关的截面图；
图8A和图8B示出了具有电阻加热器的基于载流子效应的光开关(图6和图7)中的光路；
图9A和图9B示出了具有电阻加热器的基于载流子效应的光开关的等效电路；
图10以图示出了通过具有电阻加热器的基于载流子效应的光开关传播的光信号的光输出功率随时间的依附。
图11以流程图示出了操作具有电阻加热器的基于载流子效应的光开关的方法的示例；
图12以流程图示出了根据本发明实施例的确定基于载流子效应的光开关中的电阻加热器的稳态值的方法；
图13以元件图示出了根据图11和图12描述的方法的实施例的包括用于自加热补偿的控制器模块的设备的示例；以及
图14以框图示出了可以用于实现本文公开的设备和方法的计算系统。
应注意，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。
具体实施方式
本发明的实施例涉及基于载流子效应的光开关(例如，载流子注入光开关(carrier injection optical switch，CIOS))和操作基于载流子效应的光开关的方法。
图1以示意图示出了具有推挽配置的基于载流子效应的光开关100的示例。基于载流子效应的光开关100包括第一光波导臂110、靠近第一光波导臂110的第一二极管115、第二光波导臂120和靠近第二光波导臂120的第二二极管125。第一光波导臂110和第二光波导臂120形成马赫曾德干涉仪(MZI)。基于载流子效应的光开关100的一个示例是CIOS。
图2以元件图示出了基于载流子效应的光开关100的截面图，其中示出了第一二极管115和第二二极管125的截面图。第一光波导臂110位于第一p型(P+)区210和第一n型(N+)区230之间(即，形成第一结型二极管115)。第一P+区210和第一N+区230之间的区域可以被称为第一结区220。如果第一P+区210和第一N+区230被本征(i型)区分开，则形成PIN结型二极管。如果第一P+区210和第一N+区230未被本征(i型)区分开，则形成PN结型二极管。第二光波导臂120位于第二n型(N+)区240和第二p型(P+)区260之间(即，形成第二结型二极管125)。第二P+区和第二N+区之间的区域可以被称为第二结区250。第一P+区(轻掺杂区域)210与P++区(重掺杂区域)270耦合。第一N+区(轻掺杂区域)230与N++区(重掺杂区域)280耦合。类似地，第二N+区240与N++区280耦合，并且第二P++区260与第二P++区290耦合。
具有低欧姆电阻的每个区域P++270、N++280、P++290用作包括低电阻金属的通孔(via)271、281、291和有源层(例如，绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)堆叠中的硅层)之间的接触区域。通孔区271、281、291分别连接到金属迹线272、282、292。金属迹线272、282、292可以是铝、铜或在制造工艺中用以产生电连接的任何金属。具有终端的第一导线或迹线295连接到第一P++区270上方的左侧金属迹线272，具有终端的第二导线或迹线296连接到N++区280上方的中间金属迹线282，并且具有终端的第三导线或迹线297连接到P++区290上方的右侧金属迹线292。当在第一导线或迹线295与第二导线或迹线296之间施加电压时，在第一P+区210和第一N+区230之间的第一光波导臂110的第一结区220上产生电场。该电场调整第一本征区220中的载流子浓度，反过来改变第一光波导臂110的折射率。折射率的变化引起通过第一光波导臂110传播的光信号的相位的变化(即，光相位延迟)。类似地，当在第三导线或迹线297与第二导线或迹线296之间(或者在替代实施方式中，具有终端的第四导线或迹线可以连接到N+区280上方的金属迹线282)施加电压时，第二P+区260和第二N+区240之间的第二光波导臂120的第二结区250中产生电场。该电场调整第二本征区250中的载流子浓度，反过来改变第二光波导臂120的折射率。折射率的变化引起通过第二光波导臂120传播的光信号的相位的变化(即，光相位延迟)。
图3A和图3B每个示出了处于开(ON)状态(300A)和关(OFF)状态(300B)的波导马赫曾德(MZ)干涉仪301。MZ干涉仪301包括在输入耦合器340和输出耦合器350处连接的第一臂110和第二臂120。输入耦合器340具有第一输入端口310和第二输入端口320，并且输出耦合器350具有第一输出端口360和第二输出端口370。可选地，可以在输入耦合器340之后的光波导臂110、120之一(在本例中为第一光波导臂110)上添加热光直流(direct current，DC)偏压元件330。热光DC偏压元件330可以被配置为补偿波导臂110、120的长度的不等。光波导臂110中的光学信号被DC偏压元件330延迟，以精确地匹配第二波导臂120中的延迟。
进入第一输入端口310的光信号被输入耦合器340分成在第一波导臂110和第二波导臂120中传播的两个基本等幅的信号。当电流施加到金属迹线272、282(图2)时，在第一波导臂110(图3A)中传播的光信号部分将被相位延迟π/2，致使光信号从第一输出端口360出射。这在图3A中显示为“开”状态。当电流施加到金属迹线292、282时，在第二波导臂120(图3B)中传播的光信号部分将被相位延迟π/2，致使光信号从第二输出端口370出射。这在图3B中显示为“关”状态。在任一状态下，由于第一二极管115或第二二极管125的p-n结的自加热引起的非理想相位平衡，可能存在光泄漏。当电功率施加到对应于光波导臂110、120的二极管时，该臂在本文中称为“有源”臂。当没有电流施加到对应于光波导臂110、120的二极管时，该臂在本文中被称为“无源”臂。
在图1至图3B中描述的基于载流子效应的光开关100具有推挽式配置。在其它实施例中，可能使用仅有一个二极管的仅推(或仅挽)配置。在仅推配置中，可以存在位于光波导臂之一附近的单个结型二极管。在单二极管配置中，当电流流过该二极管时，发生“开”状态。在单二极管配置中，当无电流流过该二极管时，发生“关”状态。
图4A和图4B示出了基于载流子效应的光开关100的等效电路405A、405B。第一二极管(D1)115具有第一结电阻(Rj1)415，并且第二二极管(D2)125具有第二结电阻(Rj2)425。应注意，虽然结电阻415、425在图4A和图4B中单独示出，但这些结电阻是相应二极管115、125中所固有的，仅为了便于下面的说明而单独示出。电路405A、405B具有第一端子435和第二端子445。当电功率通过D1 115施加到电路405A时(即，第一端子435为正而第二端子445为负)，基于载流子效应的光开关处于“开”状态。当电功率通过D2 125施加到电路405B时(即，第二端子445为正而第一端子435为负)，基于载流子效应的光开关处于“关”状态。
当电流流过相应的结电阻415和425时，在二极管115、125中产生电阻热。电阻热对相应的光波导臂110、120具有不希望的副效应。当使用结型二极管来改变一个光波导臂的折射率以便由于基于载流子效应而提供相应的光相位延迟时，电阻性热量引起附加的相移，导致预期的光相位延迟中出现附加的、非预期的光相位延迟分量。该附加的光相位延迟分量降低了光开关的消光比。由于第一和第二波导臂中的光信号不再正确地相平衡，因此光开关100的消光比减小。降低的消光比增加了由开关100切换的光信号的不希望的漏光，引起信号串扰。当许多基于载流子效应的光开关元件在矩阵开关中互连时，这个问题进一步恶化。
图5示出了通过基于载流子效应的光开关100传播的光信号的输出光输出功率随时间的图500。图500示出了自加热引起基线漂移，导致开/关消光比(extinction ratio，ER)逐渐降低。图还展示了基于载波效应的光开关100仅可以支持具有短保持时间的DC平衡帧序列。图5仅是示意性的，并非旨在按比例绘制。
上述消光比漂移是由电阻加热引起的跨结构随时间变化的温度梯度引起的。影响温度梯度ΔT的参数之一是MZI臂之间的距离(即，ΔT随距离增加)。设计减小臂之间的距离可以有助于减小ΔT，但并不能消除ΔT，因为臂之间的距离不可以减小到零。此外，试图通过使CIOS臂彼此靠近来减轻自加热可以引发二极管电阻变得太高并且波导臂尺寸太小而不能以高成品率制造CIOS。
第一波导臂110和第二波导臂120之间的可接受的温差与波导臂的长度成反比。不希望的热光光相变可以被定义为由于第一波导臂110的温度上升而在第一波导臂110中诱发的光相变减去由于第二波导臂120的温度升高而在第二波导臂120中诱发的光相变。理想情况下，不希望的热光学光相变不应超过一个波长的一小部分(通常为波长的1/40)，这样该设备的两个输出之间的对比度的降级不过几个dB。通常可接受的对比度降级为25dB至22dB。
典型的硅光子载流子注入型开关(即，基于载波效应的光开关的示例)可以具有例如1mm的波导臂长度，1550nm的工作波长和1.5x10-4/℃的热光系数。两个波导臂之间约0.25℃的温差将产生大约1/40波长的不希望的热光学光相变。在典型的设备中，第一波导臂110和第二波导臂120之间约1.5mW的功耗差足以产生这种温差。典型的设备需要1伏特下大约3mA的电流来驱动载流子注入效应，即3mW。因此，典型的基于载流子效应的光开关具有的温差是波导臂之间可接受的温差的两倍，故而需要降低以提高性能。
应注意，为了简化描述，假定温度升高在给定波导臂上的每个点处相同。然而，在典型的设备中，温度上升可以沿波导臂的长度变化(例如，波导臂可能是在中段最热)。在这种情况下，光相变将是沿着相应臂的长度的光相变的积分。
图6以示意图示出了根据本公开的实施例的具有在集成的基于载流子的移相器的自加热效应的热补偿的基于载流子效应的光开关600。基于载流子效应的光开关600包括基于载流子效应的光开关100的所有元件。基于载流子效应的光开关600还包括靠近第二光波导臂120的第一电阻加热器RH1 680。RH1 680与第一二极管115串联电连接。基于载流子效应的光开关600还可以包括靠近第一光波导臂110的第二电阻加热器RH2 690。RH2 690与第二二极管125串联电连接。电阻加热器680、690可以是电阻器或能够在传导电流时产生热量的任何其它合适尺寸的电气元件。在本说明书和本说明书的其余部分中，术语“电阻加热器”应理解为意指在向加热器施加电功率(即电压或电流)时可以增加相应波导的温度而不向该波导引入自由载流子的任何加热器。
优选地，电阻加热器680、690与各自对应的二极管115、125串联连接，使得流过二极管(即，靠近有源臂)和电阻加热器(即，靠近无源臂)的电流量相同。也就是说，当电功率施加到二极管115、125时，通过二极管115、125的电流将接下来通过相应的电阻加热器680、690。优选地，选择电阻加热器680、690以具有与相应PIN二极管的本征区域相当的热时间常数。这可以简化用于控制基于载流子效应的光开关600的电子电路。另选地，可以用单独的电源分别向二极管115、125和相应的电阻加热器680、690中的每一个施加电功率。在这种场景下，相对于施加到相应二极管115、125的结电阻Rj1、Rj2的电功率，调节施加到电阻加热器680、690的电功率。
理想地，施加到第一电阻加热器680的电功率量将产生足够的热量，以引发第二波导臂120的温度升高的量与第一波导臂110由于第一二极管115的结电阻产生的热量而引起的温度升高相同(或接近相同)。在一个实施例中，由于第一结电阻Rj1和第一电阻加热器680引起的热量导致的两个波导臂之间的温度差小于0.25℃，甚至可以小于0.1℃。应该注意的是，在温度差小于0.3℃甚或0.5℃的情况下仍可获得一些有益效果。第二波导臂120的温度升高将导致传播通过第二波导臂120的光信号的光相位延迟。因此，第二波导臂120的温度升高将至少部分地抵消第一波导臂110中由第一二极管115引起的光相位延迟的热光部分。类似地，第二电阻加热器690产生的热量应设定为使第一波导臂110的温度升高的量与第二波导臂120由于第二二极管125的结电阻产生的热量而引起的温度升高相同(或接近相同)。在一个实施例中，由于第二结电阻Rj2和第二电阻加热器690引起的热量导致的两个波导臂之间的温度差小于0.25℃，甚至可以小于0.1℃。如前所述，在温度差小于0.3℃甚或0.5℃的情况下仍可获得一些有益效果。第一波导臂110的温度升高将导致传播通过第一波导臂120的光信号的光相位延迟。因此，第一波导臂120的温度升高将至少部分地抵消第二波导臂110中由第二二极管115引起的光相位延迟的热光部分。
图7以元件图示出了具有二极管115、125和电阻加热器RH1 680和RH2 690的基于载流子效应的光开关600的截面图700。基于载波效应的光开关100和基于载波效应的光开关600之间的区别在于增加了电阻加热器680、690，以及相应的第四导线798和第五导线799或迹线。单片集成电阻加热器680、690可以使用商用生产设备集成在标准互补金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，CMOS)光子制造工艺中。在该视图700中，第一电阻加热器680与第一结型二极管115串联电连接，使得穿过结型二极管115的电流也通过第一电阻加热器680。第一电阻加热器680靠近第二光波导臂120放置，使得由第一电阻加热器680产生的任何热量也会改变第二光波导臂120的温度。通过将合适的电阻加热元件靠近第二光波导臂120放置，第二光波导臂120的热光相变的变化量应该与由第一结型二极管115产生的热量在第一光波导臂110中引起的热光相变大致相同。因此，两个波导臂之间在热光相变上的差异将至少部分地得到补偿，这将保护基于载流子效应的光开关600的消光比，防止出现基于载流子效应的光开关100所遭受的劣化程度。在一个实施例中，基于载流子效应的光开关600中的两个臂的输出之间的对比率的降级小于约3dB。
类似地，对于基于推挽式载流子效应的光开关，第二电阻加热器690与第二结型二极管125串联电连接，使得穿过结型二极管125的电流也通过第二电阻加热器690。第二电阻加热器690靠近第一光波导臂110放置，使得由第二电阻加热器690产生的任何热量也会改变第一光波导臂110的温度。通过将合适的电阻加热元件靠近第一光波导臂110放置，第一光波导臂110的热光相变的变化量应该与由第二结型二极管125产生的热量在第二光波导臂120中引起的热光相变大致相同。因此，两个波导臂之间在热光相变上的差异将至少部分地得到补偿，这将使基于载流子效应的光开关600的消光比相比于基于载流子效应的光开关100得到改进。
电阻加热器区域680、690可以位于波导臂中的载流子注入区域115、125之内或之外。为了使无源波导臂中的温度增加等于(或非常接近)有源波导臂中的温度增加，施加到电阻加热器680、690的电功率量可能需要大于施加到二极管115、125的电功率。这是因为电阻加热器680、690与它们各自的无源波导臂120、110之间有一定的距离，而有源波导臂110、120却是直接通过它们各自的二极管115、125。应该记住的是，在热光设备中引起的光相变取决于由于加热引起的折射率增量和被加热的波导臂部分的长度的乘积。因此，电阻加热器区域680、690可以比相应的载流子注入区域115、125短，只要能将波导臂部分加热到更高的温度即可。然而，电阻加热器区域680、690越长，每单位长度为引发所需的补偿光相位变化所需的功耗越小。一旦确定归因于由结型二极管引起的热光效应的有源波导臂中的光相变的增加，则可确定电阻加热器区域680、690的长度，以在无源波导臂中实现相同的光相变。
图8A和图8B示出了具有电阻加热器RH1 680和RH2 690的基于载流子效应的光开关600(图6和图7)中的光路800A、800B。光路800A(图8A)和800B(图8B)类似于图3A和图3B中所示，但增加了电阻加热元件RH1和RH2。图9A和9B示出了具有电阻加热器RH1 680和RH2690的基于载流子效应的光开关600的等效电路905A和905B。同样的，这些示意图与图4A和4B所示的那些之间的差异在于包括了电阻加热元件RH1 680和RH2690。应注意，虽然结电阻415、425在图4A、图4B、图9A和图9B中单独示出，但这些结电阻是相应的二极管115、125中所固有的，并且在其它图中未单独示出。当电功率通过D1 115施加到电路905A时(即，第一端子435为正而第二端子445为负)，基于载流子效应的光开关处于“开”状态。当电功率通过D2125施加到电路905B时(即，第二端子445为正而第一端子435为负)，基于载流子效应的光开关处于“关”状态。
在由一个或两个基于载流子的移相器组成的MZI中，无源臂中的串联电阻加热器可以由在相应的有源臂上与PIN二极管串联的一个或多个导电的、单片集成的金属或半导体条带组成。串联电阻加热器优选地尽可能靠近无源臂上的波导，以使效率最大化并减小热时间常数。在一个实施例中，包含串联电阻加热器和PIN二极管的电路由相同的移相器驱动电路驱动。加热器的材料、电阻率、横截面和长度决定了导体的工作电阻和波导中的温升(ΔTrise)。根据欧姆定律，可用电压跨过串联加热器所代表的电阻后会降低，从而产生加热效果。根据设计和技术，电阻加热器产生的热量可以是基于有源臂的PIN二极管的本征区域上散发的体积热计算。电阻加热器中的较高电阻导致低通过电流和低热量，故而较小的电阻可增加热输出。基于载流子的移相器的二极管区域中的自加热可以定义为P二极管＝I驱动*V二极管，而电阻加热器中的补偿热量定义为P加热器＝(I驱动)2*R加热器。
在图5至图9B中描述的基于载流子效应的光开关600是推挽式配置。基于载流子效应的光开关600的仅推(或仅拉)实施例可以使用一个电阻加热器(对应于可以使用的一个结型二极管)。
在基于载流子效应的光开关600的仅推配置中，可以存在靠近第一光波导臂110的单个二极管(例如，第一二极管115)。在基于载流子效应的光开关600的仅推配置中，单个电阻加热器(如，RH 680)可靠近第二光波导臂120。当有电功率施加到单个二极管(并且与单个电阻加热器串联)时，发生“开”状态。当没有电功率施加到单个二极管时(并且因此没有电流串联地施加到单个电阻加热器)，发生“关”状态。在这个配置中，可以省略元件125、690。
图10以图示出了通过具有电阻加热器RH1 680、RH2 690的基于载流子效应的光开关600传播的光信号的光输出功率随时间的依附1000。依附1000示出自加热得到补偿使基线漂移最小化，这与图5的缺少补偿的图500不同。因此，在图10中，提供了良好的开/关消光比。该图还表明该信号可以支持具有更长保持时间的帧序列。图10仅是示意性的，并非旨在按比例绘制。
图11以流程图示出了操作基于载流子效应的光开关的方法1100的示例，在本例中，图6和图7中的基于载流子效应的光开关600具有电阻加热器RH1 680。方法1100包括将第一电功率施加到设置在靠近基于载流子效应的光开关600(1110)的第一光波导臂110的第一结型二极管115，用于由于至少基于载流子效应而向其提供第一光相位延迟。接下来，第二电功率被施加到设置在靠近基于载流子效应的光开关600(1120)的第二光波导臂120的第一电阻加热器RH1 680，用于由于热光效应而向其提供第二光相位延迟。步骤1110和1120可以同时执行，或者具有可以被调整以优化整体温度补偿的时间延迟。可以向方法1100添加其它步骤，包括将第三电功率施加到设置在靠近基于载流子效应的光开关600中第二光波导臂120的第二结型二极管125，用于至少基于载流子效应而向其提供第三光相位延迟；以及将第四电功率施加到设置在靠近基于载流子效应的光开关600中第一光波导臂110的第二电阻加热器RH2 690，用于由于热光效应而向其提供第四光相位延迟。
当第一结型二极管115与第一电阻加热器680串联电连接时，施加到第一电阻加热器680(1120)的第二电功率可能是由于通过第一结型二极管115的结电阻然后又通过第一电阻加热器680的相同电流(即，公共电流)所引起的。类似地，当第二结型二极管125与第二电阻加热器690串联电连接时，施加到第二电阻加热器690的第四电功率可能是由于通过第二结型二极管125的结电阻然后又通过第二电阻加热器690的相同电流(即，公共电流)所引起的。当单独的电源为结型二极管115、125和相应的电阻加热器680、690提供电流时，则施加到电阻加热器680、690的电功率可以相对于施加到相应二极管115、125的结电阻Rj1，Rj2的电功率进行调整。理想地，施加到第一电阻加热器680的电功率量将使第二波导臂120的温度增加量与由施加到相应的结电阻Rj1的电功率引起的第一波导臂110的温度增加量相同(或接近相同)。因此，由第一结型二极管115引起的第一波导臂110的温度变化至少部分地被第一电阻加热器680引起的第二波导臂120的温度变化所抵消。类似地，施加到第二电阻加热器690的电功率量应当被设置为使得第一波导臂110的温度增加量与由施加到相应的结电阻Rj2的电功率引起的第二波导臂120的温度增加量相同(或接近相同)。因此，由第二结型二极管125引起的第二波导臂120的温度变化至少部分地被第二电阻加热器690引起的第一波导臂110的温度变化所抵消。
基于载流子效应的光开关600和操作基于载流子效应的光开关600的方法(1100)为具有基于载流子效应的光开关元件的开关矩阵提供了改进的串扰和消光比。电阻加热元件的添加是最低限度的，故而电阻加热元件增加的功耗也是最低限度的。补偿电阻加热器上可能耗散一些功率，这可能增加整个开关的功耗。然而，由于结型二极管引起的温度变化(ΔT)相对较小，因此功耗增加也应该相对较小。
为了模拟和计算电阻加热器(RH)所需的电阻量，首先可以考虑电阻加热器值等于正向偏置下的本征区域的电阻的情况(即，RH＝＝Rs)。通过在PIN二极管的电流-电压(I-V)曲线上绘制工作区域，可以测量正向偏压(Rs)下的结区的电阻。Rs可取决于正向电流。电阻加热器可以设计成使其耗散相同的功率量。
但是，提供RH＝＝Rs未必是最优的。结区的加热效率可以与电阻加热器的加热效率不同。结区中产生的体积热在波导内部，使其非常有效。优选地，考虑该因素来相应地调整RH值。结区的热阻通常低于电阻加热器的热阻，因为本征区(或结区)通常更靠近硅衬底，而硅衬底是散热的主要路径。可以相应地调整RH值以补偿该因素。因此，相应元件中的类似电流或类似电功率可通过该效率因数而比例相关。在一个实施例中，电阻加热器和结区域之间的目标热时间常数差为零。
图12以流程图示出了根据本公开实施例的确定基于载流子效应的光开关中的电阻加热器的稳态值的方法1200。方法1200(图12)包括将体积热施加到基于载流子效应的光开关(1210)的第一波导臂(即，有源臂)。当开关功率Pπ施加到对应于第一波导臂的第一结型二极管时，体积热可以来自热源(即，对应于第一波导臂的第一结型二极管的结电阻)。可以获得第一波导臂和第二波导臂的温度分布，从中识别出需要补偿的ΔT。
Pπ作为体积热施加在靠近第二(无源)波导臂的电阻加热器(1220)上(即，电功率施加在第一电阻加热器上)。初始时，电阻加热器可以使用任意或预测尺寸。观察第二波导臂ΔTv的温度升高。确定第一(有源)波导臂和第二(无源)波导臂之间的温差(1230)。如果温度差最小化(1240)(即，几乎为零或在足以达到所需消光比的水平，例如，优于20dB，甚至优于25dB或甚至30dB)，则确定了第一电阻加热器的值(即，可用作第一电阻加热器的电阻器的值(1260)。否则(1240)，可以调节电阻加热器的尺寸(横截面)(1250)并且重新测量两个臂之间的温度差(1230)。可以调节第一电阻加热器的尺寸，使得施加在两个波导臂中的Pπ在基于载流子效应的光开关的两个臂中的波导处产生相等(或接近相等)的温度。
可以向方法1200添加其它步骤，包括在第二波导臂上方添加电阻加热器材料。应遵循工艺设计规则，并且最好在该过程中精确定义材料的电阻率。在基于推挽载流子效应的光开关中，可以使用相同的过程来确定添加至靠近第一波导臂以补偿由第二结型二极管的电阻引起的第二波导臂的自加热的第二电阻加热器的值。
该用于操作具有电阻加热器的基于载流子效应的光开关的方法1100，以及用于确定基于载流子效应的光开关中的电阻加热器的稳态值的方法1200的某些步骤，可以由远程或本地服务器或其它远程或本地设备上的、通信地连接到可以将电功率施加到基于载流子效应的光开关600的电源的控制器模块来执行。附加地，该服务器或其它设备也可以通信地连接到通过基于载流子效应的光开关600发送光信号的光源。而且，该服务器或其它设备还可以通信地连接到热传感器，用于测量基于载流子效应的光开关600的波导臂的温度。
图13以元件图示出了根据上述方法1100和上述方法1200的方法的实施例的、包括用于自加热补偿1320的控制器模块的设备1300的示例。设备1300还可以包括操作系统1310和用于设备1300的其它功能的其它模块1330。用于管理自加热补偿的模块1320至少可以包括用于执行上述操作基于载波效应的光开关的方法1100的子模块1321，以及用于执行上述用于确定基于载波效应的光开关中的电阻加热器的稳态值方法1200的某些步骤的子模块1322中的一个。
控制器模块1320(或子模块1321)可以被配置为使基于载流子效应的光开关中的自加热的影响最小化。控制器模块1320(或子模块1321)可以包括代码，当该代码在计算设备上执行时，执行操作基于载流子效应的光开关的方法。控制器模块1320(或子模块1321)可以被配置为通过设置在靠近基于载流子效应的光开关的第一光波导臂110的第一结型二极管115施加第一电功率，用于由于至少基于载流子效应而向其提供第一光相位延迟。控制器模块1320(或子模块1321)可以被配置为通过设置在靠近基于载流子效应的光开关的第一光波导臂的第一电阻加热器施加第二电功率，用于由于热光效应而向其提供第一光相位延迟。当这些元件串联电连接时，控制器模块1320(或子模块1321)将公共电流施加到第一结型二极管115和第一电阻加热器680。当第一结型二极管115和第一电阻加热器680包括单独的电输入时，控制器模块1320(或子模块1321)可以通过相应的独立电气输入，独立地向第一结型二极管115和第一电阻加热器680施加电功率，使得由第一结型二极管115引起的第一波导臂110的温度变化至少部分地被第一电阻加热器680引起的第二波导臂120的温度变化所抵消。
控制器模块1320(或子模块1321)还可以被配置为通过设置在靠近基于载流子效应的光开关中第二光波导臂120的第二结型二极管125施加第三电功率，用于至少基于载流子效应而向其提供第三光相位延迟；以及通过设置在靠近基于载流子效应的光开关中第一光波导臂110的第二电阻加热器690施加第四电功率，用于由于热光效应而向其提供第四光相位延迟。当这些元件串联电连接时，控制器模块1320(或子模块1321)将公共电流施加到第二结型二极管125和第二电阻加热器690。当第二结型二极管125和第二电阻加热器690包括单独的电输入时，控制器模块1320(或子模块1321)可以通过相应的独立电气输入，独立地向第二结型二极管125和第二电阻加热器690施加电功率，使得由第二结型二极管125引起的第二波导臂120的温度变化至少部分地被第一电阻加热器690引起的第二波导臂110的温度变化所抵消。
图14以框图示出了可以用于实现本文公开的一些设备和方法的计算系统1400。在具体的设备中，既可以同时包括图示的所有组件，也可以仅包括其中的一部分组件，且不同设备的集成度可以不同。此外，设备可以包含组件的多个实例，诸如多个处理单元、处理器、存储器、发送器、接收器等。计算系统1400包括处理单元1402。所述处理单元1402包括中央处理单元(central processing unit，CPU)1414、存储器1408、大容量存储设备1404、视频适配器1410和连接着总线1420的I/O接口1412。
总线1420可以是任何类型的若干总线架构中的一个或多个，包括存储器总线或存储器控制器、外设总线或视频总线。CPU 1414可以包括任何类型的电子数据处理器。存储器1408可以包括任意类型的非暂时性系统存储器，如静态随机存取存储器(static randomaccess memory，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)、同步DRAM(synchronous DRAM，SDRAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)或诸如此类的设备或它们的组合。存储器1408可以包含开机时所用的ROM、以及执行程序时存储程序和数据的DRAM。
大容量存储器1404可以包括任何类型的非暂时性存储设备，其被配置为存储数据、程序和其它信息，并且使得数据、程序和其它信息可以通过总线1420访问。大容量存储器1404可以包括例如固态驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器或光盘驱动器中的一个或多个。
所述视频适配器1410和I/O接口1412提供将外部输入和输出设备偶联到处理单元1402的接口。正如示出的，所述输入和输出设备的示例包括偶联到视频适配器1410的显示器1418，以及偶联到I/O接口1412的鼠标/键盘/打印机1416。也可将其它设备偶联到处理单元1402，并且可以利用更多或更少的接口卡。例如，可以用诸如通用串行总线(universalserial bus，USB)(未示出)等串联接口为外部设备提供接口。
处理单元1402还可以包含一个或多个网络接口1406，具体可包括有线连接(如以太网线)和/或无线连接等，用于访问网络节点或不同的网络。网络接口1406允许处理单元1402通过网络与远程单元通信。例如，网络接口1406可以通过一个或多个发射器/发射天线和一个或多个接收器/接收天线来提供无线通信。处理单元1402与局域网1422或广域网相耦合来进行数据处理和与远程设备(例如其它处理单元、互联网或远程存储设施)通信。
除非另有定义，否则本文所有技术可科学用词所具有的含义与本发明所属技术领域的普通技术人员所通常理解的含义相同。
通过前述实施例的描述，本发明可以仅用硬件实现，或用软件加必要的通用硬件平台实现。基于这种理解，本发明的技术方案可以在软件产品的形式中实施。该软件产品可存储在非易失性或非暂时性的存储介质中，其可以是光盘只读存储器(compact diskread-only memory，CD-ROM)、USB快闪磁盘或移动硬盘。该软件产品包括许多指令，这些指令使计算机设备(个人计算机、服务器或网络设备)能够执行本发明实施例中提供的方法。例如，这样的执行可以对应于如本文所述的逻辑操作的模拟。软件产品可以附加地或另选地包括多个指令，这些指令使计算机设备能够执行根据本发明实施例的用于配置或编程数字逻辑装置的操作。
虽然参照本发明的具体特征和实施例描述了本发明，但明显的是，仍可对这些特征和实施例进行各种修改和组合而不至偏离本发明。相应地，说明书和附图应被视作仅为随附权利要求所限定的本发明的示意，其意在涵盖本发明范围内的任意和全部修改、变化、组合或同等替换。

Claims (17)

1.一种基于载流子效应的光开关，包括：
输入光耦合器和输出光耦合器；
第一光波导臂和第二光波导臂，每个将所述输入光耦合器连接到所述输出光耦合器；
靠近所述第一光波导臂的第一结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向所述第一光波导臂提供第一光相位延迟；以及
靠近所述第二光波导臂的第一电阻加热器，用于由于热光效应而向所述第二光波导臂提供第二光相位延迟；
其中所述第一电阻加热器与所述第一结型二极管串联电连接。
2.根据权利要求1所述的基于载流子效应的光开关，其中所述第一光相位延迟包括由于所述热光效应的热光部分和由于所述基于载流子效应的基于载流子的部分，并且其中所述第一电阻加热器被配置为提供所述第二光相位延迟，以至少部分地抵消所述第一光相位延迟的所述热光部分。
3.根据权利要求2所述的基于载流子效应的光开关，其中所述第一结型二极管和所述第一电阻加热器包括单独的电输入，所述基于载流子效应的光开关还包括电子电路，用于通过相应的所述单独的电输入独立地向所述第一结型二极管和所述第一电阻加热器施加电功率，使得由所述第一结型二极管引起的所述第一光波导臂的温度变化至少部分地被所述第一电阻加热器引起的所述第二光波导臂的温度变化所抵消。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于载流子效应的光开关，还包括：
靠近所述第二光波导臂的第二结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向所述第二光波导臂提供第三光相位延迟；以及
靠近所述第一光波导臂的第二电阻加热器，用于由于热光效应而向所述第一光波导臂提供第四光相位延迟。
5.根据权利要求4所述的基于载流子效应的光开关，其中所述第三光相位延迟包括由于所述热光效应的热光部分和由于所述基于载流子效应的基于载流子的部分，并且其中所述第二电阻加热器被配置为提供所述第四光相位延迟，以至少部分地抵消所述第三光相位延迟的所述热光部分。
6.根据权利要求5所述的基于载流子效应的光开关，其中所述第二电阻加热器与所述第二结型二极管串联电连接。
7.根据权利要求5所述的基于载流子效应的光开关，其中所述第二结型二极管和所述第二电阻加热器包括单独的电输入，所述基于载流子效应的光开关还包括电子电路，被配置用于通过所述第二结型二极管和所述第二电阻加热器相应的所述单独的电输入，独立地向所述第二结型二极管和所述第二电阻加热器施加电功率，使得由所述第二结型二极管引起的所述第二光波导臂的温度变化至少部分地被所述第二电阻加热器引起的所述第一光波导臂的温度变化所抵消。
8.一种操作基于载流子效应的光开关的方法，所述方法包括：
将第一电功率施加到设置在靠近所述基于载流子效应的光开关的第一光波导臂的第一结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向所述第一光波导臂提供第一光相位延迟；
将第二电功率施加到设置在靠近所述基于载流子效应的光开关的第二光波导臂的第一电阻加热器，用于由于热光效应而向所述第二光波导臂提供第二光相位延迟；以及
将所述第一电阻加热器与所述第一结型二极管串联电连接，并将公共电流施加到所述第一结型二极管和所述第一电阻加热器。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括独立地向所述第一结型二极管和所述第一电阻加热器施加电功率，使得由所述第一结型二极管引起的所述第一光波导臂的温度变化至少部分地被所述第一电阻加热器引起的所述第二光波导臂的温度变化所抵消。
10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括：
将第三电功率施加到设置在靠近所述第二光波导臂的第二结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向所述第二光波导臂提供第三光相位延迟；以及
将第四电功率施加到设置在靠近所述第一光波导臂的第二电阻加热器，用于由于热光效应而向第一光波导臂提供第四光相位延迟。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述第二电阻加热器与所述第二结型二极管串联电连接，并将公共电流施加到所述第二结型二极管和所述第二电阻加热器。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括独立地向所述第二结型二极管和所述第二电阻加热器施加电功率，使得由所述第二结型二极管引起的所述第二光波导臂的温度变化至少部分地被所述第二电阻加热器引起的所述第一光波导臂的温度变化所抵消。
13.一种用于控制基于载流子效应的光开关的控制器模块，所述控制器模块包括代码，当所述代码在计算设备上执行时，使得所述控制器模块：
将第一电功率施加到设置在靠近所述基于载流子效应的光开关的第一光波导臂的第一结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向所述第一光波导臂提供第一光相位延迟；以及
将第二电功率施加到设置在靠近所述基于载流子效应的光开关的第二光波导臂的第一电阻加热器，用于由于热光效应而向所述第二光波导臂提供第二光相位延迟；
其中所述第一电阻加热器与所述第一结型二极管串联电连接，并且其中所述代码还使得所述控制器模块将公共电流施加到所述第一结型二极管和所述第一电阻加热器。
14.根据权利要求13所述的控制器模块，其中所述第一结型二极管和所述第一电阻加热器包括单独的电输入，并且其中所述代码还使得所述控制器模块通过所述第一结型二极管和所述第一电阻加热器相应的所述单独的电输入，独立地向所述第一结型二极管和所述第一电阻加热器施加电功率，使得由所述第一结型二极管引起的所述第一光波导臂的温度变化至少部分地被所述第一电阻加热器引起的所述第二光波导臂的温度变化所抵消。
15.根据权利要求13或14所述的控制器模块，其中所述代码还使得所述控制器模块：
将第三电功率施加到设置在靠近所述第二光波导臂的第二结型二极管，用于由于至少基于载流子效应而向第二光波导臂提供第三光相位延迟；以及
将第四电功率施加到设置在靠近所述第一光波导臂的第二电阻加热器，用于由于热光效应而向所述第一光波导臂其提供第四光相位延迟。
16.根据权利要求15所述的控制器模块，其中所述第二电阻加热器与所述第二结型二极管串联电连接，并且其中所述代码还使得所述控制器模块将公共电流施加到所述第二结型二极管和所述第二电阻加热器。
17.根据权利要求15所述的控制器模块，其中所述第二结型二极管和所述第二电阻加热器包括单独的电输入，并且其中所述代码还使得所述控制器模块独立地向所述第二结型二极管和所述第二电阻加热器施加电功率，使得由所述第二结型二极管引起的所述第二光波导臂的温度变化至少部分地被所述第二电阻加热器引起的所述第一光波导臂的温度变化所抵消。
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