[发明专利]一种微环光开关芯片的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种微环光开关芯片的设计方法。

背景技术

早在1980年就证实了单晶硅在光纤通信的主要波长段（1.3～1.6um）是透明的，硅材料开始被作为光学材料进行研究。硅材料的主要物理效应主要有热光效应、载流子色散效应等，波长为1.5um时，硅的热光系数约为1.85*10^-4/℃且没有附加损耗。而载流子色散效应指的是载流子的注入或抽取导致半导体中自由载流子浓度的变化引起折射率的变化，通过理论分析和实验，指出介电常数的虚部与载流子浓度呈线性函数关系。

最近几年，基于绝缘层上的硅（SOI）的光开关研究成为光交换技术的研究热点，SOI加工工艺同互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，开关单元结构主要集中在基于绝缘层上的硅的微环谐振器（SOI-MRR）的光开关，开关调节方式主要有载流子色散效应和热光效应两种。由于SOI的折射率会随环境温度而改变且SOI加工过程中会有一定的工艺误差，谐振峰不一定会完全对准，因此需要一定的手段进行调节。通过载流子色散效应控制光开关通、断较热光效应具有开关速度快的优势，因此将热光效应与载流子色散效应相结合，通过热光效应来弥补工艺误差且保证微环光开关不受外界环境因素影响，稳定工作，同时通过载流子色散效应改变谐振波长，实现开关通断。

在现有技术中，Cornell大学的Michal Lipson课题组于2008年通过热光效应实现基于MRR结构的无阻塞4*4开关，开关效率为0.25nm/mW，每一路的开关光谱带宽>38.5GHz，并且都可以达到20dB的消光比以上，随后，他们通过串联双环，在周边形成p-i-n电极、注入电流改变折射率方式实现了光谱宽带（60GHz，0.5nm平顶型）、高速（7ns）的hitless光开关。在国内，中科院半导体研究所杨林课题组对基于SOI-MRR的热光效应开关进行了研究，2011年报道了应用于片上网络的4端口光路由器，直通端和下载端的消光比分别为13dB和30dB，链路的串扰小于-13dB，平均功耗为10.37mW。然而，微环光开关往往是针对特定的需求而进行的专门设计，设计方法的通用性差，并且为了达到微环开关设计性能，设计过程中微环基本物理参数和拓扑结构的优化难以分开进行，设计效率低；其次，微环光开关的光谱稳定性对控制电路要求严格，电路实现成本高；另一方面，若要降低电路的实现难度，则需要根据电路特性不断调整微环光开关芯片的基本参数和拓扑结构，并反复设计，这样大大增加了设计的工作量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微环光开关芯片的设计方法，实现了输入光信号的带宽容限设计与微环驱动电路的高精度结合，从而完成微环光开关芯片的建模与性能仿真验证，具有设计效率高、成本低和设计通用性的特点。

为实现上述发明目的，本发明一种微环光开关芯片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、建立微环光开关芯片的仿真模型；

（1.1）、根据光谱带宽B_R和自由光谱范围FSR的计算公式B_R≥B_S+ΔB和FSR≥B_R+B_S，确定出微环光开关的光谱带宽B_R和自由光谱范围FSR，其中，B_S为输入光信号的信号带宽，ΔB为输入光信号的带宽容限；

（1.2）、确定微环基本参数；根据输入光信号在波导结构里传输的色散要求确定波导结构，并结合自由光谱范围FSR确定微环环长L，λ为波长，N_g为群折射率；再根据微环的3dB带宽需求和计算公式：计算出单环波导结构中直连波导与微环间的耦合系数K,再通过有效折射率法确定出直连波导与微环间的间距，其中，2δλ为3dB带宽；

（1.3）、构建微环网络拓扑结构；根据微环光开关的光谱平坦度、滚降系数和消光比，将微环进行规律性串并联，构建合适的微环网络拓扑结构；

微环在引入串联结构后，在直连波导与微环的耦合系数K不变的前提下，微环光开关光谱带宽B_R与微环间耦合系数成正比，从而确定出微环间的耦合系数，再通过有效折射率法确定出微环间的间距；

（1.4）、设计驱动电极和加热电阻；根据带宽容限ΔB的要求，以及驱动电路和温控电路的控制精度与抖动要求映射到对电压与折射率的变化关系的要求，从而来设计符合要求的注入载流子的驱动电极和实现热光效应的加热电阻的位置结构、掺杂浓度、掺杂区位置，掺杂深度；