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基础知识:微环调制器与光开关

Posted on 2026-10-222026-10-22 by

关于微环,已经写过很多公司的方案了,今天再来聊一下它。

  • 海思 / Intel:用于 CPO 的 SiN-SOI 微环调制器
  • Intel:基于微环的 16 波长 800G DWDM 光互连方案
  • Nvidia:降低工艺误差的低敏感度微环谐振器
  • 华工正源:级联布拉格光栅与微环的 CPO 硅光引擎

先从 FP 腔说起

先从 FP 腔讲起。它的原理是光在两个平行的反射面之间往返,当两镜面距离的 2 倍(光程差)是波长的整数倍时,便发生相长干涉,形成透射峰。

当光程差为半波长的奇数倍时,发生相消干涉,光被反射,无法透射。

总体而言,在具有干涉结构的波导中,满足谐振条件的波长发生多光束相长干涉,表现为光场增强与高透射;非谐振波长则因相消干涉被反射或抑制。

光栅:级联的 FP 腔

类似的结构还有光栅。它可视为多个 FP 腔的级联,利用周期性折射率变化产生的多级相长干涉,提供特定波段的选模和高反射功能。

相比 FP 腔,光栅具有更宽的 FSR 和更窄的谱宽。因此,FP 腔构成的激光器通常为多模,而光栅构成的 DFB 激光器可实现单模输出。

从驻波到行波:为什么做成环形

FP 腔与光栅均是让光在两点之间往返反射,形成驻波。当满足 L = mλ 时,发生多光束相长干涉以实现选频。

但这存在结构限制:只能通过增加器件长度来积累光程,导致器件尺寸偏大;且光往回反射时,极易受到反射干扰。

若将波导做成环形,使其成为谐振腔,光便无需两面镜子来回反射,而是单向绕行形成行波,尺寸可以做得很小,反射干扰也几乎消除。

微环调制器的结构选择

微环用于光开关时,直波导总线可平行或交叉放置;而用于调制器时,通常采用环形或跑道形,并极力避免波导交叉。

我们理论中常见的是无直线段(Lc = 0)的纯圆环,耦合仅发生在一点。但大规模制造中较少见,主要因为这种点耦合效率极低。

特别是当我们要用微环做电光调制器,通过加电压改变折射率,需要在波导上做掺杂(如 PN 结)或贴加热电极时,就更需要直波导段了。

在弯曲波导上均匀掺杂和贴电极非常困难,易产生额外损耗;而在直线段上操作,工艺难度大幅降低,调制效率更高。

FSR 与 Q 值的取舍

与光栅相比,微环的 FSR 要大得多。微环半径越小,FSR 越大,可利用的谐振波长窗口更宽,单 FSR 内可容纳更多信道,且不易出现其他谐振峰串扰。

半径小还能减小芯片面积,利于高密度硅光集成。但半径过小会导致弯曲损耗急剧增加(Q 值暴跌),且工艺容差变差。

不过,微环作为调制器时必须降低加载 Q 值以换取调制带宽,否则光子寿命过长会限制带宽。因此其实际线宽比保持高 Q 值的光栅更宽。

具体而言,Q 值越高,光子在微环内绕行的圈数越多,停留时间(光子寿命)越长,在光谱上则表现为谐振峰线宽(δλ)越窄。

微环调制器的实际电光带宽由三个因素共同决定,大致满足以下公式:

调制是怎么实现的

具体调制是这样实现的:通过施加电压产生电光(或热光)效应,改变微环波导的有效折射率,引起谐振波长漂移,最终导致输出端光功率发生变化。

目前硅基微环调制器最为成熟。载流子注入型、积累型和耗尽型在原理上均适用,但微环调制器主流采用耗尽型;积累型较少见,注入型受限于速率。

微环光开关

上面我们也说到了微环光开关,这里简单说说。它的原理与调制器类似:通过电压改变折射率使谐振波长漂移,控制特定波长的光在直通端与下载端之间实现通断切换。

可以将多个微环谐振腔串联构成级联微环光开关,利用游标效应可扩展 FSR,支持更多波长通道。

相比单个微环开关,级联结构具备极高的带外抑制比,能大幅抑制通带外的光信号,串扰更低。

感谢阅读。

若有不准确的地方请见谅!

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