基础知识：微环调制器与光开关

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。

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