Cover Article | 基于热光波导透镜的大端口光开关

研究背景

      随着物联网、大数据、人工智能等新兴技术的迅猛发展，数据流量呈爆炸式增长，光传送网正向超高速、超大容量方向发展。光开关可实现动态光路径管理，灵活配置网络资源，是实现全光交换的核心器件。光开关大体上分两类，一类通过在自由空间调节光束的传播方向实现路径切换，代表技术是微电子机械系统光开关（Micro Electro-Mechanical System, MEMS），通过成熟的CMOS或IC制造技术，在硅晶圆上刻出微小的镜片，通过静电力或电磁力的作用，驱动这些微镜产生位移或旋转，改变入射光的反射方向。MEMS光开关最大的优点是光在空气中传播不受波长、偏振、调制方式的影响，还可实现无损光交叉。但光通信依赖光纤传输，MEMS开关需要将光从光纤中释放出来，经过准直与反射调节，再聚焦至光纤中。这种波导与自由空间的转换往往需要精确对准，对机械组件和集成工艺要求高，并需要减震控制系统。大端口MEMS开关还需要较高的驱动电压，并按使用频次进行校准，补偿机械误差与漂移，增加了系统复杂度与成本。

      另一种光开关利用集成光子技术，在一个紧凑的芯片上，通过控制干涉或谐振条件实现光路切换。集成式光开关始终将光限制在导波空间，可用成熟的端面耦合技术实现光纤对接。这类光开关主要由马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）或微环谐振器（Micro-Ring Resonator, MRR）实现。它们都是利用单模波导相位调节原理，单元端口数通常限制在1×2或2×2。为构建光开关网络，需要将单元器件级联起来，而随着端口数的增加，驱动电路的设计、光电集成、器件封装的复杂度迅速上升，导致研发周期长、成本高。大端口光开关网络还面临着损耗高、波长适用范围受限、偏振敏感等问题。

      在集成光学领域，急需一种新型光开关，实现低损耗、宽带、偏振不敏感的光交换功能。并以极简的方式，降低大端口光开关的制备门槛，同时减少所需控制单元数，降低驱动电路的复杂度，使集成式光开关真正成为一种落地的实用器件。

论文导读

      本文展示了一种基于热光波导透镜（Thermo-Optic Waveguide Lens, TOWL）的新型集成式光开关。通过理论推导、数值仿真和波导端面近场成像实验，证明了TOWL是一种平方律介质（Square Law Medium, SLM），类似于渐变折射率光纤或GRIN透镜，能够实现光束准直、聚焦与成像功能。但是渐变折射率光纤和GRIN透镜成品后，孔径和焦距为固定值，很难调节。TOWL可通过芯片上平行电极的自由选取，注入相应电流，在更为紧凑的导波空间，实现对成像系统光轴、孔径、焦距的灵活调节。利用这种可调波导透镜和1 : 1成像原理，本文构建了1×24光开关。其性能在插入损耗、波长依赖性和偏振依赖性等方面均超过了现有技术：在1500 – 1600 nm测量区间，所有端口，正交偏振下，最差绝对插入损耗仅为2.6 dB（包括两次光纤-芯片耦合损耗和片上所有损耗）。通过二次级联，我们展示了1×576开关，对C波段的两个正交偏振态，最差绝对插入损耗仅为7.8 dB。TOWL光开关总电极数和工作时同时驱动的电极数均小于相同端口数MZI型光开关，比如1×576，TOWL仅需4条电极即可定义出光路径，而MZI级联网络则需要同时驱动20条电极。本研究于2024年4月18日以Large-scale optical switches by thermo-optic waveguide lens为题发表于 PhotoniX 期刊。

主要研究内容

      TOWL本质是导波空间多模干涉（Multimode Interference, MMI）的一种特殊解，其发现过程有些曲折。在2021年，我们注意到在聚合物多模波导中驱动热电极，可以大幅改变1）其所支持的模式数，2）每个模式的本征分布与3）有效折射率，进而表现为对多模干涉图案的强调控。这种强调控可实现多种逻辑化的光场输出（OL, 2021, 46, 3025-3028，图1）。但仿真设计需要大量资源：热仿真→折射率分布→本征模计算→传输（干涉）计算，这一过程在高性能服务器上往往需要数十分钟，不利于扫参设计。不仅如此，由于仿真精度有限并存在制备误差，实验结果和仿真预测往往存在差异。为了解决这个难题，我们回归用实验代替仿真的研究方法：直接制备光波导，通过扫描热电极功率，观察干涉图案的变化，以此作为反馈，调节热电极功率，多次循环优化，直到获得我们想要的光场输出。我们把这个回路系统称作功能可编程波导引擎（Function Programmable Waveguide Engine, FPWE）。

      利用FPWE技术，一次实验只需1秒，后续硬件升级还可把实验时间压缩至毫秒级甚至更快。这样，我们可以通过大量实验充分研究MMI的变化，引入智能算法控制光路，实现对干涉图案的精准控制，比如并行电光逻辑门（OL, 2022, 47, 3519-3522），电光模拟计算函数生成器（OL, 2024, 49, 1770-1773），非线性神经元网络分类器（APR, 2024, 5, 2300253，图2），可带衰减任意比例光分束器（OLT, 2024, 169, 109950）等新型器件。FPWE的强大之处在于，我们可以随意擦写片上干涉图案，不仅能够获得几乎任意的明暗分布，还可以控制这种干涉实现特定的函数响应甚至非线性神经元网络构架。

      在FPWE大量实验的基础上，我们发现在一对电极的作用下，发散的、具有多个干涉斑的光场会趋于简单化，最终能再次会聚成一个光斑。选用不同的电极配对均可出现这种现象，只是光斑的位置会发生变化，类似凸透镜离轴1 : 1成像。之前研究表明，在具有热光效应并且热导率低的材料中（如聚合物、玻璃），热电极会产生折射率的梯度分布。而渐变折射率光纤正是依赖一种径向折射率梯度实现轴向聚焦。受此启发，我们再次审视热平衡（泊松）方程，发现其稳态解析解，即温度在空间中的分布遵循二次方程。而热光材料在一定温度范围内其热光系数可视为恒定值，这就意味着简单的热光效应即可实现折射率二次曲线分布，构建平方律介质。通过波导与热电极设计，实现了近似完美的抛物线型折射率分布，完成1 : 1成像（图3）。

      早在上世纪70年代，已经有关于平方律介质成像特性的理论研究（Marcuse D., Light Transmission Optics, 1982），后来的渐变折射率光纤即为此技术的应用实例。关于可调平方律介质，近些年只有很少的工作，如利用流体浓度的控制，在透明管道中调节折射率分布，一定程度上展示了成像现象（Lab on a Chip, 2015, 15, 4398-4403），但其实现方式较为复杂，系统集成较为困难。FPWE技术引导我们发现，通过热光效应即可实现平方律介质，构建片上可调成像系统。

      在理论研究基础上，我们用一种“简单粗暴”的方式，在多模波导上布满热电极，选用不同的电极配对，调节光轴位置与等效透镜孔径，在电极上注入不同的热功率来改变折射率分布，实现不同的焦距。通过深入研究，我们选用合适的离轴间距以限制像差，找到合适的孔径以避免折射率曲线饱和，解决了电、热、光串扰及空间分布等问题，并考虑到实验室制备技术限制，最终确定了1×24光开关单元（图4），进一步采用二次级联，实现了1×576光开关（图5）。

技术突破与创新

      本文采用FPWE实验代替仿真的研究方法，归纳发现普通热光效应即可实现平方律介质，通过对多模干涉的特殊“梳理”，验证了波导成像功能。

      建立了TOWL体系，通过片上电极组合和加热功率的选取，能精确控制等效透镜的光轴、孔径、焦距等参数，完成对光路的切换。

      在已经是低成本的聚合物光波导平台，又以极简的方式，实现了1×24光开关单元及1×576光开关器件，其性能均优于已有报道。TOWL光开关在相同端口数下所需电极数更少，能有效降低驱动电路与集成封装的复杂度。

观点评述

      本文提出了一种新型光开关，即热光波导透镜TOWL，其核心区域只需一根多模光波导和一组电极阵列，通过调节片上成像（源与像高）即可实现光路切换。其最小结构大于1微米，电极与波导无需精确对准，可用普通光刻制备（SUSS MA6），无需依赖平台代工，在小型实验室即可批量生产。

      未来工作针对边缘端口像差问题，可改进多模区结构，将输出波导的排布方式从现在的直线型改为曲线型，扩展端口数（>24）并降低损耗；通过优化电极覆盖区以及非对称加热条件，可进一步降低电极总数。

      本文选用一个输入端口作为TOWL光开关的应用展示。实际上TOWL与普通透镜类似，允许多束光交叉传输而互不干扰。无阻塞或一定条件下无阻塞M×N型TOWL光开关将是下一步工作重点。另外，通过多组电极加热，可等效出复杂透镜组，完成对输入光场更为复杂的调控与梳理，在光通信、光计算等领域实现新型光子器件。