功率高效集成光子交换机的制作方法

1.本公开涉及用于光子交换机的节能设计，特别是如利用光子集成电路(pic)中的马赫-曾德尔(mach-zehnder)干涉仪(mzi)实现的。


背景技术：

2.集成光子系统(诸如(例如)pic实现的光收发器)通常包括一个或多个光子(或同义地称为光)交换机，以针对光信号的给定波长在高透射、低衰减状态(在本文中也简称为“透射状态”或“接通状态”)与低透射、高衰减状态(在本文中也称为“衰减状态”或“切断状态”)之间选择性地改变输出端口处的信号功率。例如，可以使用mzi来实现光子交换机，该mzi在其干涉仪臂中的一个或两者中包括可调整以在输出端口处引起相长干涉或相消干涉的电控相位调谐器。光子交换机通常在其操作寿命的大部分时期内维持在一种交换机状态(例如衰减状态)下，并且仅在短暂周期内过渡到另一种状态(例如透射状态)。为了使功耗最小化，因此期望将交换机的被动的、未供电操作模式与主要交换机状态“对准”。另外，光收发器和其他光子系统通常使用由不对称mzi(amzi)实现的光滤波器，以将可调谐激光的波长与期望操作波长对准。amzi在其干涉仪臂之间具有光程长度差，该光程长度差被设计成在操作波长下达到最大透射(最小损耗)，从而充当波长参考。在一些情况下，包括相位调谐器的amzi充当交换机和滤波器两者，在“接通”状态与“切断”状态之间进行切换，并且还提供在“接通”状态下的波长参考。
3.实际上，制造变化通常引起光交换机和滤波器的未对准，从而需要设备在其操作寿命的持续时间内被主动供电，以便在维持操作波长下的高透射或低透射时实现高准确度。对连续的主动供电的需求增加了控制复杂性和功耗。对于具有大量交换机或滤波器的pic(诸如(例如)具有高通道计数的光收发器pic，尤其是具有内置自测试功能性的那些pic，该pic可以每通道包括五个或更多个可调谐交换机)，该问题变得尤为重要。


技术实现要素：

4.根据一些实施例，公开了一种集成光交换机或滤波器，包括：绝缘体上半导体衬底，绝缘体上半导体衬底包括半导体器件层；马赫-曾德尔干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪被形成于半导体器件层中，马赫-曾德尔干涉仪包括输入耦合器、输出耦合器以及被连接在输入耦合器与输出耦合器之间的两个波导臂；以及至少一个第一相位调谐器，至少一个第一相位调谐器与波导臂中的一个波导臂相关联，其中两个波导臂的弯曲半径沿着波导臂的整个长度大于100μm。
5.根据一些实施例，公开了一种集成光交换机或滤波器，包括：绝缘体上半导体衬底，绝缘体上半导体衬底包括半导体器件层和设置在半导体器件层上方的包覆层；马赫-曾德尔干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪被形成于半导体器件层中，马赫-曾德尔干涉仪包括输入耦合器、输出耦合器以及被连接在输入耦合器与输出耦合器之间的两个波导臂；以及与两个波导臂中的一个波导臂相关联的第一相位调谐器和与两个波导臂中的另一个波导臂相
关联的第二相位调谐器，其中在衬底的以穿过输入耦合器和输出耦合器的几何轴为中心并且完整地包含马赫-曾德尔干涉仪以及第一相位调谐器和第二相位调谐器的对称区内，半导体器件层和包覆层关于轴被对称构造。
6.根据一些实施例，公开了一种集成光交换机，包括：绝缘体上半导体衬底，绝缘体上半导体衬底包括半导体器件层；马赫-曾德尔干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪被形成于半导体器件层中，马赫-曾德尔干涉仪包括输入耦合器、输出耦合器以及被连接在输入耦合器与输出耦合器之间的两个波导臂；与两个波导臂中的一个波导臂相关联的第一相位调谐器和与两个波导臂中的另一个波导臂相关联的第二相位调谐器；以及电子驱动器电路，电子驱动器电路包括与第一相位调谐器相关联的第一驱动器、与第二相位调谐器相关联的第二驱动器、微控制器、以及降压型转换器，微控制器用于控制第一驱动器和第二驱动器在偏置操作模式与无偏置操作模式之间进行切换并且在无偏置操作模式下将两个波导臂相位对准，降压型转换器用于响应于微控制器而在用于相位对准的较低功率与在偏置操作模式下的较高功率之间调整被供应给第一相位调谐器和第二相位调谐器的驱动功率。
7.根据一些实施例，公开了一种光学切换方法，包括：将光输入信号耦合到被形成于绝缘体上半导体衬底的半导体器件层中的马赫-曾德尔干涉仪中；驱动与马赫-曾德尔干涉仪的波导臂相关联的相位调谐器，以在对应于马赫-曾德尔干涉仪的偏置操作模式和无偏置操作模式的两种状态之间切换在输出端口处离开马赫-曾德尔干涉仪的光输出信号，并且在无偏置操作模式下将波导臂相位对准；以及使用降压型转换器在无偏置操作模式下的用于相位对准的较低功率与在偏置操作模式下的用于操作的较高功率之间切换被供应给相位调谐器的驱动功率。
附图说明
8.在所公开的主题的实施例的以下描述中，参考了附图。
9.图1是根据各种实施例的包括基于mzi的光子交换机的光收发器的概念图，其在示例用例的上下文中图示了该交换机。
10.图2是作为针对示例目标设计以及针对由于制造变化而引起的与目标设计的示例偏差的、干涉仪臂之间的相对相移的函数的基于mzi的光子交换机的光学透射的曲线图。
11.图3是作为宽度的函数的示例肋形波导的有效折射率的曲线图。
12.图4a和图4b是示例基于mzi的光交换机的示意性俯视图，其使常规波导配置(图4a)与根据一个或多个实施例的更具制造容忍性(fabrication-tolerant)的波导配置(图4b)形成对比。
13.图5a和图5b是示例基于mzi的光子交换机和周围的非波导层的示意性俯视图，其使不对称的常规配置(图5a)与根据一个或多个实施例的更具制造容忍性的对称配置(图5b)形成对比。
14.图6是根据一个或多个实施例的在两个干涉仪臂中具有相位调谐器的示例基于mzi的光子交换机的示意性俯视图。
15.图7是根据一个或多个实施例的用于调整被供应给图6的光子交换机的相位调谐器的功率的电子驱动器电路装置的电路图。
具体实施方式
16.本文描述了用于通过减少交换机或滤波器的未供电操作模式与主要交换机状态和/或操作波长之间的未对准、和/或通过针对任何这种未对准启用低功率补偿，来降低基于mzi的集成光子交换机或滤波器在设备的整个使用寿命中的功耗的各种途径。一种途径旨在通过增加波导宽度来降低由于干涉仪臂的波导宽度中的制造变化所产生的折射率变化而引起的相位未对准的程度，从而降低折射率对宽度变化的敏感性。在该途径中，更宽的波导通常伴随着更大的波导弯曲半径，以维持单模操作。另一种途径通过在mzi的对称轴的两侧匹配非波导层(特别是包括任何金属结构)，来解决应变引起的折射率或路径长度变化。为了实现对称，pic可以在包围mzi的区中包括“虚设(dummy)”结构，即，不具有任何功能，而仅用于在对称轴的另一侧匹配功能组件(例如实现相位调谐器的加热器)的结构。在可适用于交换机(具有或不具有滤波器功能性)的又一种途径中，mzi在两个干涉仪臂中配备有相位调谐器，以允许针对由制造变化产生的任何未对准的主动相位补偿。控制相位调谐器并且向相位调谐器供电的电子驱动器电路装置包括降压型转换器，该降压型转换器提供用于在主要交换机状态(在该主要交换机状态下，交换机旨在被动地操作)下进行较小调整的较低驱动功率、以及用于在交换机的主动操作模式下进行操作的较高驱动功率。在以下描述中，为了便于参考，交换机被动地(或“标称地被动地”)操作(除了用于补偿相位未对准的任何微调之外)的操作模式被称为“无偏置”模式，且在不考虑任何未对准的情况下向交换机主动供电的操作模式也被称为“偏置”模式。
17.附图的以下详细描述进一步说明了由光交换机和滤波器的制造变化引起的问题以及解决该问题的各种示例实施例。虽然讨论的重点放在交换机上，但其对滤波器的应用对于本领域的普通技术人员来说将是明显的。
18.图1是根据各种实施例的包括基于mzi的光子交换机102的光收发器100的概念图，其在示例用例的上下文中图示了该交换机102。光收发器100例如在光通信系统内用于发送和接收在光信号上赋予的数据。该光收发器100包括光发射器104，该光发射器具有用于生成光载波信号的激光器和电控(电光或电吸收)调制器，该调制器以相位和/或振幅调制形式将电子输入信号赋予到激光器上，从而生成携载要传输的数据的光信号。可选地，光收发器100可以包括在多个相应波长下发射的多个激光器以及多个相关联的调制器，可以将该调制器的输出复用为多信道光信号。经由收发器100的输出端口106，光信号可以例如被耦合至传出光纤。光收发器100还包括例如利用光电检测器实现的光接收器108，该光接收器接收经调制的光输入信号并且将经过调制的光输入信号转换为电子输出信号，然后可以从该电子输出信号中提取数据。
19.在光收发器100的上下文中，光子交换机102可以用于在正常操作模式(也称为“任务模式(mission mode)”)期间将光发射器104的输出选择性地引导到发射器输出端口106，或在自测试模式下将其经由光“回送(loopback)”路径110引导到光接收器108。可以例如在实现光收发器100的pic的晶圆级测试期间、或在将pic与相关联的电子设备集成后对完整的收发器封装进行系统级测试期间使用自测试模式，以使用由发射器104提供的内置光源来测试光接收器108的功能，或相反地，使用内置接收器108来测试光发射器104的功能。在自测试模式下，具有高接收光功率和/或无误差数据传输的、从发射器104经由回送路径110到接收器108的运行链路指示发射器104和接收器108两者都在正常工作。(如果链路不工
作，那么子测试可以用于例如在激光器、调制器之后并且通过回送路径采用监测光电二极管标识问题的源。)与使用外部光源进行接收器测试或使用外部接收器进行发射器测试相比，该自测试功能性提供时间和成本的节省。由于自测试模式仅在光收发器100的寿命开始时被使用，但在其大部分寿命中被禁用，因此理想地，交换机102被配置为在任务模式期间在将光耦合到输出端口106中时被动地操作并且仅在自测试模式期间被主动供电。
20.现在参看基于mzi的光子交换机102的结构，该交换机通常可以与光发射器104和光接收器108一起被实现为绝缘体上半导体衬底中的pic的一部分，诸如(例如)在埋入式氧化物(box)或其他介电层的顶部包括硅器件层的绝缘体上硅(soi)衬底。虽然各种示例实施例的描述具体地参考了硅实现，但应理解，也可以使用其他半导体材料平台。可选地，soi(或其他)衬底可以包括设置在器件层的顶部的包覆层，该包覆层可以整体嵌入交换机102的各种组件(例如下文讨论的相位调谐器)和pic。
21.交换机102通常包括共同形成mzi的光输入耦合器112、两个干涉仪臂114、116以及光输出耦合器118。如所示的，mzi可以是几何对称的，其中干涉仪臂114、116的长度相等。备选地，mzi可以是不对称的，其在干涉仪臂114、116之间具有路径长度差，该路径长度差使输出强度随着光的波长而周期性地改变，使得mzi交换机同时用作光滤波器。在任一情况下，mzi在干涉仪臂114中的至少一者中包括相位调谐器120，该相位调谐器允许调整在输出耦合器118处干涉的信号之间的相对相位。干涉仪臂114、116可以由形成于pic衬底的(例如硅)器件层中的光波导(例如肋形波导)实现。相位调谐器120通常可以是适用于以可控方式(例如电光地或热光地)改变波导114中的折射率的任何设备。例如，在一些实施例中，使用由邻近于波导114放置(例如放置于波导114上方或旁边)的可控功率电阻加热器实现的热相位调谐器。在其他实施例中，相位调谐器120包括形成于波导中的pn结或pin结，其例如具有由在波导横截面中的二维掺杂浓度分布形成的u形。
22.输入耦合器112和输出耦合器118可以例如通过矩形多模式干涉仪(mmi)来实现，如所示的，该矩形多模式干涉仪各自被配置为具有两个输入端口和两个输出端口的2
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2耦合器。在输入耦合器112处，输入端口之一(例如端口122)可以从光发射器104接收光信号；另一个输入端口(例如端口123)可以保持未使用。在输出耦合器108处，输出端口之一(例如端口124)可以用于将光信号提供给发射器输出端口106，而另一个输出端口(例如端口125)将光信号耦合到回送路径110中。相位调谐器120可以被操作以在这两个输出端口124、125之间切换输出信号。在一些实施例中，当交换机包括amzi时，交换机兼用作将在两个输入端口122、123处接收到的不同波长的两个光信号组合成在输出端口124(在无偏置模式下)、125(在偏置模式下)处的复用输出信号的复用器。
23.注意，即使仅利用两个输入端口122、123中的一个，将对称mzi中的输入耦合器112实现为2
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2耦合器也是有益的，这是因为其允许以零功率在端口124处实现“接通”状态，而在端口125处实现“切断状态”(然而，对于具有1
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2输入耦合器和2
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2输出耦合器的对称mzi，将在该状态下使用π/2或3π/2调谐)。另一方面，在基于amzi的光交换机/滤波器中，1
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2输入耦合器可以与2
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2输出耦合器结合使用，这是由于在这种情况下，可以通过amzi臂中的路径差来补偿与输入耦合器相关联的相位偏移。通常，作为mmi的替代，其他类型的耦合器(诸如定向耦合器、瞬逝波导耦合器或波导y结(其中1
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2耦合器就已足够))也可以用于输入耦合器112和输出耦合器118。
24.尽管上文参考用于在任务模式与测试模式之间进行切换的示例使用进行了描述，但基于mzi的光子交换机102也可以用于各种其他目的。例如，光子交换机通常在光收发器的接收器路径中用作可变光衰减器，在该接收器路径中，其一般保持在高透射状态下，但偶尔被设置为低透射以使高输入光功率衰减，从而防止对接收器造成损坏。在另一示例中，在任务模式期间以低透射状态在回送路径110中使用光子交换机，以防止发射器光到达接收器108；只有在自测试期间才启用回送路径110，并且将回送交换机改变为高透射状态。如这些示例图示的，取决于特定应用，主要交换机状态(针对该主要交换机状态，交换机被配置为在无偏置模式下进行操作)可以对应于交换机的透射状态或衰减状态。还要注意，如果使用具有两个输出端口的交换机，那么一个端口处的高透射对应于另一个端口处的低透射。另外，在回送路径110中以及在光被透射或衰减但未在端口之间进行切换的其他应用中，输入耦合器不需要包括两个输入端口，且输出耦合器不需要包括两个输出端口。相反，输入耦合器处的单个输入端口和输出耦合器处的单个输出端口就已足够，从而允许使用例如波导y结或1
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2mmi耦合器。对于实现光滤波器的amzi来说同样如此，该amzi可以具有在滤波器周期内仅透射处于指定波长下的光的单个输出端口。
25.图2是作为针对示例目标设计以及针对由于制造变化而引起的与目标设计的示例偏差的、干涉仪臂114、116之间的相对相移的函数的基于mzi的光子交换机102的光学透射的曲线图。沿着横坐标以弧度为单位给出相移，并且沿着纵坐标按对数标度(以分贝为单位)指示相对透射。所描绘的曲线图针对光子交换机的、旨在为在交换机的主要操作模式下处于衰减状态的输出端口，诸如例如在图1的示例中的交换机102的回送路径110处的端口125。针对这种端口，对应于被动交换机操作的针对目标设计的透射曲线200在干涉仪臂114、116之间在零相移处展现透射最小值202；在该最小值202处，使被输入到交换机的光信号衰减到大约-34db(大约是输入强度的0.04％)。剩余透射光是干涉仪臂114、116之间的大约1％的功率不平衡的结果(功率耦合为49％和51％，而非标称的50％)，这实际上为光耦合器的典型特点。
26.制造变化可以使透射最小值移位至正相位偏移或负相位偏移。如曲线204、206所指示，如果透射最小值移位至
±
π/10的相对相移，那么在零相移处的衰减将仅大约为-16db(大约为输入强度的2.5％)。换言之，仍在衰减(或“切断”)状态下透射的光量已经由于制造变化而增加了大约60倍。在“切断”状态下对光的这种不良阻挡可能是不能容忍的。例如，在交换机102(如图1中所示)用于在自测试模式与任务模式之间切换光收发器100(其被设计成在零相对相移处将所有光透射至发射器输出端口106并且针对回送端口125在“切断”状态下进行操作)的情况下，2.5％的光功率至回送路径110中的剩余透射可能会干扰光接收器108的操作，甚至引起对光接收器108的损坏。为了避免该问题，即使在“切断”状态下，光交换机102也可能需要被主动供电。以下附图图示了各种途径，以充分降低处于“切断”状态下的透射来避免对主动供电的需要，或至少降低与“切断”状态相关联的功率要求。如受益于本说明书的本领域的普通技术人员应了解的，可以直接应用相同原理以使在光子交换机或滤波器的“接通”状态下的透射最大化。实际上，在具有两个输出端口的交换机中，使一个端口中的透射最小化本质上会使另一个端口中的透射最大化。
27.图3是作为宽度的函数的示例肋形波导的有效折射率的曲线图。肋形波导(其通常充当基于mzi的交换机102的干涉仪臂114、116)通过部分地蚀刻(硅)器件层以在较宽的
(硅)板的顶部形成具有矩形横截面的波导来形成。除了波导的本体折射率之外，肋形波导中的基本光学模式所经历的有效折射率还取决于精确的波导几何形状和周围包覆的折射率。例如，针对具有大约0.5μm的厚度的包覆二氧化硅的硅肋形波导，基本模式在1300nm的波长下的折射率为3.5左右，但根据肋宽度而略有变化。如图3中所示，针对范围介于0.5μm至2μm的波导宽度，有效折射率可以在3.40与3.56之间改变。针对较小宽度，有效折射率对变化的敏感性更大。因此，例如，波导宽度的
±
50nm的制造变化将使在2μm的宽度下的有效折射率仅改变0.002，而在0.5μm的波导宽度下的相同变化使折射率改变了大约0.016。较宽波导可以在不在干涉仪臂114、116之间产生过多折射率差(且因此不产生相移)的情况下，容忍干涉仪臂114、116之间的较大宽度变化。在一些实施例中，通过用较宽波导设计交换机来利用波导宽度与对制造变化的敏感性之间的这种关系，来减少由于波导宽度的变化而引起的相位未对准。
28.图4a和图4b是示例基于mzi的光交换机或滤波器400、402的示意性俯视图，其使常规波导配置(交换机400)与根据一个或多个实施例的更具制造容忍性的波导配置(交换机402)形成对比。大体而言，两个交换机400、402与图1中所描绘的光子交换机102的类似之处在于，他们各自分别包括被耦合在光输入耦合器112与光输出耦合器118之间的两个几何对称的波导410、412和420、422。然而，两个交换机400、402在其波导410、412和420、422的尺度上不同。波导410、412、420、422均可以为肋形波导。在常规配置中，通常使用例如大约0.5μm的肋宽度；这种小宽度用于容纳小弯曲半径，以快速分离交换机的两个波导臂410、412，以便在两侧之间进行热隔离。如所示的，制造容忍性交换机402的波导420、422明显比常规交换机400中的波导410、412更宽，例如至少宽了1.5倍。在一些实施例中，波导宽度增加到大于1μm。如上所述，该增加的宽度实现了对制造变化的较低敏感性。然而，在本文中所考虑的实施例中，光波导宽度通常受到仅引导基本光学模式的期望的限制；一旦波导宽度超过了某个限制，就启动附加空间光学模式，从而引起模式之间的干涉，这降低了信号质量且因此对光学数据传输附加惩罚。
29.可以通过同时增加沿着波导的弯曲半径来抵消所增加的波导宽度的这种不期望的影响。因此，在各种实施例中，相对于沿着常规交换机400的波导410、412的最小弯曲半径(半径r1)，制造容忍性交换机400中的波导420、422的最小弯曲半径增加(增加至半径r2)，以允许更大的波导宽度，同时维持单模操作。在一些实施例中，最小弯曲半径r2至少为100μm。尽管弯曲半径增加，但是为了使mzi的长度(对应于输入耦合器112与输出耦合器118之间的距离)保持不变，使两个波导420、422彼此更加靠近，并且减小了这两个波导在将平行的直中心区段426分别连接至输入耦合器112和输出耦合器118的弯曲波导区段424中经历的弯曲角。
30.为了说明：在所描绘的交换机400、402中，将直中心波导区段(图4b中的426)连接至输入耦合器112或输出耦合器118中的任一者的弯曲波导区段(图4b中的424)中的每一者具有关于拐点旋转对称的近似s形。在图4a中所示的示例常规配置中，每个波导410、412在输入耦合器112的输出端与(仅针对波导410进行绘制的)拐点430之间产生90
°
的弯曲角428，然后在从拐点430至直波导区段的另一个方向上产生另一90
°
的弯曲角，其中波导410、412再次平行。类似地，波导410、412各自在直波导区段与输出耦合器118的输入端之间在相反方向上产生两个90
°
的弯曲角。在图4b中所示的制造容忍性配置中，相比之下，从输入耦
合器至拐点434、从拐点434至直波导区段426、从直波导区段426至拐点436以及从拐点436至输出耦合器118的弯曲角432各自仅为大约30
°
。在一些实施例中，弯曲角保持得甚至更小，例如小于20
°
。由于减小的弯曲角，因此波导420、422之间的分隔距离d2已经显著地减小。例如，尽管常规交换机400中的波导410、412之间的间隔距离d1可以在100μm与200μm之间或甚至更大，但具有增加的弯曲半径的较宽波导420、422之间的间隔距离d2可以减小至小于50μm，顺带地改变了弯曲半径。
31.作为示例而非限制，提供上文所提及的各种角度和尺度的特定值是为了说明可以如何修改给定的基于mzi的交换机设计，以经由更大的波长宽度实现更大的制造公差，同时维持单模操作并且避免交换机的覆盖区的不期望的增加。本领域的普通技术人员应知道如何将通用原理应用于被视作起点的任何给定的基于mzi的交换机配置。注意，使mzi的两个波导臂过于靠近可以降低基于加热器的相位调谐器120的热调谐效率，这是因为波导越靠近，散热对未加热的波导的影响将会越大。因此，利用热光相位调谐器，用于增加制造公差的所提出的方法是违反直觉的，并且在热调谐效率和增加的制造公差之间存在折衷。然而，改进的制造公差降低了任务模式功耗，而更靠近的mzi臂间距增加了自测试功耗，这是更具功率容忍性的。在各种实施例中，针对如以输入耦合器112与输出耦合器118之间的距离为特征的给定波导路径、波导间隔(其保持为至少大到足以实现可接受的调谐效率)以及弯曲角，波导宽度被选择成使得其尽可能与在操作波长下的单模波导一致，或至少大于针对单模操作的最大宽度的70％，优选地大于针对单模操作的最大宽度的90％。在各种示例实施例中，交换机或滤波器具有从输入端到输出端的小于1mm的总长度，并且干涉仪臂的直波导区段之间的间隔在大约5μm与大约50μm之间。臂的最小弯曲半径可以在100μm与500μm之间，并且波导宽度可以在1μm与2μm之间。
32.除波导宽度的可变性以外，由于周围结构中的不均匀性，作用于mzi的波导臂114、116上的不同应力还可以改变波导114、116的折射率和/或路径长度，从而在被动交换机操作期间引起或致使相位未对准。在各种实施例中，通过将包围基于mzi的交换机的pic的一部分设计为关于交换机的几何对称轴对称来解决该问题。
33.图5a和图5b是示例基于mzi的光子交换机和周围的非波导层的示意性俯视图，其使不对称的常规配置500与根据一个或多个实施例的更具制造容忍性的对称配置502形成对比。除了基于mzi的交换机的硅结构之外，基于mzi的交换机的硅结构还包括输入耦合器112和输出耦合器118以及波导114、116，图5a和图5b还图示了与mzi相关联的各种金属结构。金属结构包括设置在波导臂114中的一个上方的加热元件504连同嵌入包覆中的再分布金属506和垂直金属通孔508的一个或多个层以及共同提供金属连接以便施加通过加热元件504的电流的金属凸块(bump)510(用于焊料凸块)。如果代替加热器，使用另一种类型的电控相位调谐器(例如电驱动的pn结)，那么mz可以包括类似的金属结构。此外，在一些情况下，与除mzi以外的设备相关联的金属结构或其他嵌入式结构(例如iii-v层)可以延伸到限制mzi的区中。所有这些结构可以使波导114、116经受应变，从而在被动操作模式下影响其相对相位。为了平衡此类应变效应，针对另一个波导复制可以影响一个波导的光程长度的任何结构，从而使包围mzi的区在结构上对称。
34.更具体地，参考图5b，限定了以mzi的在波导114、116之间延伸并且延伸穿过输入耦合器112和输出耦合器118的几何轴522为中心的对称区520。例如，对称区520可以在形状
上被选择为矩形，并且其尺寸通常被设定为完整地包含mzi，该mzi包括输入耦合器112和输出耦合器118以及相位调谐器120的结构组件。在对称区520内部，使包括任何嵌入式结构的pic的器件层和包覆层关于轴522对称。例如，对一个波导臂114中的加热元件504和相关联的金属连接进行镜像，第二加热元件524连同所有再分布金属526、垂直金属通孔528以及金属凸块530被添加到另一波导臂116中，无论是否使用了第二加热器。在一些实施例中，两个加热器都用于两个波导臂114、116之间的相位调整(例如，如下文参考图6和图7所讨论的)，但在其他实施例中，最终仅使用加热器中的一个。通常，在轴522的一侧的任何功能设备组件或结构都可以通过结构上基本相同但非功能的“虚设”组件进行镜像。
35.在pic中，未针对设备结构进行图案化的区通常使用不具有设备功能但用于实现期望密度要求的“虚设”硅或金属填充进行图案化，例如以使硅器件层或任何金属层上的硅密度尽可能地均匀。填充图案可以例如包括硅岛的规则阵列，其尺寸和间隔被设定为与包含波导或其他硅器件结构的区域的平均密度相匹配。在各种实施例中，对称区520不含任何这种虚设填充，以避免引入不对称性。为了详细说明，通常在设备设计之后利用铸造厂在任何允许的区中添加虚设填充。所产生的填充并非关于每个设备完全对称，但由于虚设填充间距而仅为“准对称的”。例如，考虑到大约为900μm长且大约为200μm宽的交换机以及特征尺寸在5μm和10μm之间的虚设填充。虚设填充受到以下约束：金属虚设填充不与任何金属迹线重叠，且硅虚设填充不与波导重叠。取决于虚设填充图案相对于交换机定位的方式，这些约束可以引起在交换机的一侧放置比另一侧更多的虚设填充(例如一行额外的填充特征)，从而导致由于与虚设填充的局部应力差而得到的不同相位。根据各种实施例，通过在设备制造期间从虚设填充图案中排除所限定的对称区(即，将对称区的边界视为“禁入”轮廓)来避免该问题。
36.图4b和图5b的实施例可以单独使用或组合使用，以减少如可能由于制造引起的波导宽度变化和/或mzi的波导干涉仪臂上的应力而产生的、被动的无偏置操作模式与主要交换机状态之间的相位未对准。如本领域的普通技术人员应了解的，这些途径同样可适用于(纯)光滤波器，其中这些途径可以帮助减少在滤波器的被动操作期间的传输峰值与(例如要与滤波器对准的激光器的)期望操作波长之间的相位未对准。
37.针对主要在一种状态下操作的光子交换机，根据设计，该光子交换机通常被选择为与无偏置操作模式相符，用于减少或消除相位未对准的另一种途径将在无偏置操作模式下主动调整相位以将两个干涉仪臂进行相位对准，但以功率高效的方式进行。在本文中，将干涉仪臂进行相位对准被理解为针对对称mzi将干涉仪臂之间的相位差调整为零，并且将干涉仪臂之间的相位差调谐为amzi的标称期望值。使用电阻加热来进行相位调整，加热的波导臂中的相位只能在一个方向上进行调谐。利用基于pn结的相位调谐器，原则上可以对结进行正向偏置或反向偏置，但由于正向偏置的效率高得多，因此标准操作是仅将交换机用于正向偏置，从而将相位调谐限制于一个方向。为了允许补偿任一方向上的任何相位未对准，因此，各种实施例在两个波导干涉仪臂中利用(例如基于加热器的或基于pn结的)相位调谐器。主动相位对准可以与上文所描述的制造容忍性波导和层设计结合使用，以进一步降低功率要求。
38.图6是根据一个或多个实施例的在两个干涉仪臂114、116中具有相位调谐器601、602的示例基于mzi的光交换机600的示意性俯视图。出于确定性起见，一个臂114中的调谐
器601在本文中被称作“上部相位调谐器(r
tuner,upper
)”，而另一臂116中的调谐器602被称为“下部相位调谐器(r
tuner,lower
)”。在所描绘的示例中均由电阻加热器实现的相位调谐器601、602沿彼此相反的方向改变两个干涉仪臂114、116之间的相对相位，从而使得能够补偿任何制造引起的相位未对准。例如，针对在零相移处具有透射最小值的目标交换机设计(如利用图2中的曲线200所指示)，如果制造变化已经引起将透射最小值移位至对应于曲线204的负相对相位，那么上部相位调谐器601可以用于将曲线移位回到目标设计；相反，如果制造变化已经引起透射最小值移位至对应于曲线206的正相对相位，那么下部相位调谐器602可以用于将该曲线移位回到零。因此，具有一对相位调谐器的光子交换机允许主动补偿与目标设计的任何偏差。为了使与在主要交换机状态下的这种主动调谐相关联的功率要求最小化，根据各种实施例，与相位调谐器601、602相关联的电子电路装置被配置为供应低功率以便在无偏置(标称地被动)交换机模式下进行小调整，同时提供更高功率以便在偏置模式下操作光子交换机600。
39.图7是根据一个或多个实施例的用于调整针对图6的光子交换机600的相位调谐器601、602的功率的电子驱动器电路装置700的电路图。电子驱动器电路装置700包括与上部相位调谐器601相关联的第一驱动器702、与下部相位调谐器602相关联的第二驱动器704以及用于控制第一驱动器702和第二驱动器704的微控制器706。第一驱动器702和第二驱动器704可以各自包括与实现相应相位调谐器601或602的电阻加热器串联的晶体管708和数模转换器(dac)710，该数模转换器基于来自微控制器706的控制信号，而调整施加在相应晶体管708的栅极处的控制电压(也称为“栅极电压”)，从而可控地调谐通过相位调谐器601或602的电流。晶体管708可以是例如场效应晶体管(fet)。在一些实施例中，类似于低压差线性电压调节器，沿着连续的电压调谐控制电压。在其他实施例中，dac 710是脉宽调制dac(pwm dac)，该脉宽调制dac根据输入数字代码来改变脉冲序列(train)的占空比，从而改变相位调谐器601、602的占空比，且因此改变通过相位调谐器601、602的平均电流。在各种实施例中，pwm时间周期(即，在信号重复之前的时间)比实现相位调谐器601、602的加热器的热响应时间(例如100ns的pwm时间周期和1μs的热时间常数)快，使得恒定的pwm占空比产生加热器上的恒定温度，并且pwm占空比在加热器上不可见，而是pwm信号的平均值在加热器上可见。pwm dac 710的脉冲输出确保fet晶体管708处于完全接通或切断状态并且不在这两者之间，这导致fet晶体管708上的功耗较低。然而，pwm dac通常无法在其全范围的＜1％下进行操作。因此，在利用固定电压驱动的相位调谐器601、602的情况下，通过将相位调谐器调谐至2π加上期望相位调整以使其处于pwm dac的操作范围内来实现涉及＜1％调整的相位对准，从而浪费了价值2π的调谐功率，在相位调谐器601、602可以在较低功率设置下进行操作的情况下将节省该调谐功率。
40.电子电路装置700还包括直流-直流(dc-dc)降压型转换器712，该dc-dc降压型转换器在上部相位调谐器601与下部相位调谐器602并联连接至的电压轨714处将固定输入电压v
in
转换为可调谐输出电压v
rail
。降压型转换器对于电子领域的普通技术人员而言是熟知的。降压型转换器712对来自微控制器706的控制信号做出响应，并且用于在被供应给相位调谐器601、602的低驱动电压与高驱动电压之间调整输出电压v
rail
。
41.在交换机600旨在被动地操作的主要交换机状态(例如对应于衰减状态)下，降压型转换器712将输出电压v
rail
设置为较低驱动电压，使得驱动器702、704可以经由施加在晶
体管708处的控制电压或占空比对通过相位调谐器601、602的(平均)电流且因此由该相位调谐器生成的热量进行精细调整，且因此对干涉仪臂114、116之间的相对相移进行精细调整。这种精细调整可以是基于在mzi的一个或两个输出端口处接收到的光功率的测量的。光子交换机可以例如在输出端口处包括抽头并监测光电二极管，并且将光电二极管输出信号提供给微控制器706，以便将其用作用于经由驱动器702、704来驱动相位调谐器601、602的反馈。例如，可以控制驱动器702、704以调整相位调谐器601、602处的相位，直到在旨在“切断”的端口处检测到的光功率基本上为零为止。
42.为了在偏置模式下操作交换机(例如以使得能够切换到透射状态)，降压型转换器712将输出电压v
rail
设置为用于相位调谐器601、602的较高驱动电压。在一些实施例中，用于相位对准的较低驱动电压大约为0.5v，而用于交换机的偏置操作模式的较高驱动电压大约为2.5v。由于热相位调谐器的功耗与电压的平方成正比，因此驱动功率的该五倍变化对应于pwm dac的最大dac设置(即，全范围设置)下的功耗的25倍变化。以这种方式，通过在无偏置操作模式下的较低驱动功率与偏置操作模式下的较高驱动器功率之间进行切换，降压型转换器712减小了所消耗的功率，以补偿无偏置操作模式下的任何相位未对准。此外，针对具有控制电压的给定动态范围的驱动器702、704，降压型转换器712有效地增加了用于调谐相位的动态范围，从而允许在无偏置状态下进行精细相位调整，同时也便于进行足够的相位调整以在透射与衰减之间进行切换。
43.以下编号示例是说明性实施例：
44.1.一种集成光交换机或滤波器，其包括：绝缘体上半导体衬底，该绝缘体上半导体衬底包括半导体器件层；马赫-曾德尔干涉仪，该马赫-曾德尔干涉仪被形成于半导体器件层中，马赫-曾德尔干涉仪包括输入耦合器、输出耦合器、以及被连接在输入耦合器与输出耦合器之间的两个波导臂；以及至少一个第一相位调谐器，该至少一个第一相位调谐器与波导臂中的一个波导臂相关联，其中两个波导臂的弯曲半径沿着波导臂的整个长度大于100μm。
45.2.根据示例1的集成光交换机或滤波器，其中两个波导臂包括平行的直中心区段、将中心区段连接至输入耦合器的第一弯曲区段、以及将中心区段连接至输出耦合器的第二弯曲区段，第一弯曲区段和第二弯曲区段中的每一个包括拐点，其中第一弯曲区段在输入耦合器与拐点之间和拐点与直中心区段之间的弯曲角、以及第二弯曲区段在直中心区段与拐点之间和拐点与输出耦合器之间的弯曲角各自不超过30
°
。
46.3.根据示例2的集成光交换机或滤波器，其中直中心区段之间的距离不超过50μm。
47.4.根据示例1至3中任一项的集成光交换机或滤波器，其中两个波导臂的波导宽度大于与在集成光交换机的操作波长下的单模波导一致的最大波导宽度的70％。
48.5.根据示例1至4中任一项的集成光交换机或滤波器，其中两个波导臂的波导宽度大于与在集成光交换机的操作波长下的单模波导一致的最大波导宽度的90％。
49.6.根据示例1至5中任一项的集成光交换机或滤波器，其还包括：第二相位调谐器，该第二相位调谐器与波导臂中的另一个相关联；以及电子驱动器电路，该电子驱动器电路包括与第一相位调谐器相关联的第一驱动器、与第二相位调谐器相关联的第二驱动器、微控制器、以及降压型转换器，微控制器用于控制第一驱动器和第二驱动器在偏置操作模式与无偏置操作模式之间进行切换，并且在无偏置操作模式下将两个波导臂相位对准，该降
压型转换器用于响应于微控制器，而在用于相位对准的较低功率与在偏置操作模式下的较高功率之间调整被供应给第一相位调谐器和第二相位调谐器的驱动功率。
50.7.根据示例1至6中任一项的集成光交换机或滤波器，其中第一相位调谐器包括电阻加热器或pn结中的一个。
51.8.一种集成光交换机或滤波器，其包括：绝缘体上半导体衬底，该绝缘体上半导体衬底包括半导体器件层和设置在半导体器件层上方的包覆层；马赫-曾德尔干涉仪，该马赫-曾德尔干涉仪被形成于半导体器件层中，马赫-曾德尔干涉仪包括输入耦合器、输出耦合器、以及被连接在输入耦合器与输出耦合器之间的两个波导臂；以及与两个波导臂中的一个波导臂相关联的第一相位调谐器、以及与两个波导臂中的另一个波导臂相关联的第二相位调谐器，其中在衬底的以穿过输入耦合器和输出耦合器的几何轴为中心、并且完整地包含马赫-曾德尔干涉仪以及第一相位调谐器和第二相位调谐器的对称区内，半导体器件层和包覆层关于轴被对称构造。
52.9.根据示例8的集成光交换机或滤波器，其中第一相位调谐器和第二相位调谐器中的每一个包括被设置在相关联的波导臂上方的加热器、以及与包覆层上的金属凸块的金属连接。
53.10.根据示例8或示例9的集成光交换机或滤波器，其中对称区包含至少一对功能设备组件和对应虚设组件，该对应虚设组件在结构上关于几何轴镜像对称于功能设备组件。
54.11.根据示例8至10中任一项的集成光交换机或滤波器，其中包覆层至少包括再分布金属的一个或多个层或一个或多个通孔。
55.12.根据示例8至11中任一项的集成光交换机或滤波器，其中半导体器件层在对称区内部不含虚设填充。
56.13.根据示例8至12中任一项的集成光交换机或滤波器，其中两个波导臂的弯曲半径沿着波导臂的整个长度大于100μm。
57.14.根据示例8至13中任一项的集成光交换机或滤波器，其还包括：电子驱动器电路，该电子驱动器电路包括与第一相位调谐器相关联的第一驱动器、与第二相位调谐器相关联的第二驱动器、微控制器、以及降压型转换器，微控制器用于控制第一驱动器和第二驱动器在偏置操作模式与无偏置操作模式之间进行切换，并且在无偏置操作模式下将两个波导臂相位对准，该降压型转换器用于响应于微控制器，而在用于相位对准的较低功率与在偏置操作模式下的较高功率之间调整被供应给第一相位调谐器和第二相位调谐器的驱动功率。
58.15.根据示例8至14中任一项的集成光交换机或滤波器，其中第一相位调谐器包括电阻加热器或pn结中的一个。
59.16.一种集成光交换机，其包括：绝缘体上半导体衬底，该绝缘体上半导体衬底包括半导体器件层；马赫-曾德尔干涉仪，该马赫-曾德尔干涉仪被形成于半导体器件层中，马赫-曾德尔干涉仪包括输入耦合器、输出耦合器、以及被连接在输入耦合器与输出耦合器之间的两个波导臂；与两个波导臂中的一个波导臂相关联的第一相位调谐器、以及与两个波导臂中的另一个波导臂相关联的第二相位调谐器；以及电子驱动器电路，该电子驱动器电路包括与第一相位调谐器相关联的第一驱动器、与第二相位调谐器相关联的第二驱动器、
微控制器、以及降压型转换器，微控制器用于控制第一驱动器和第二驱动器在偏置操作模式与无偏置操作模式之间进行切换，并且在无偏置操作模式下将两个波导臂相位对准，该降压型转换器用于响应于微控制器，而在用于相位对准的较低功率与在偏置操作模式下的较高功率之间调整被供应给第一相位调谐器和第二相位调谐器的驱动功率。
60.17.根据示例16的集成光交换机，其中第一驱动器和第二驱动器各自包括以受微控制器控制的数模转换器所施加的占空比或栅极电压操作的驱动器晶体管。
61.18.根据示例16或示例17的集成光交换机，该集成光交换机被配置成使得无偏置操作模式与主要交换机状态相符。
62.19.根据示例18的集成光交换机，其中马赫-曾德尔干涉仪是不对称的，并且被配置为使在指定操作波长下的透射最大化。
63.20.一种光学切换方法，其包括：将光输入信号耦合到形成于绝缘体上半导体衬底的半导体器件层中的马赫-曾德尔干涉仪中；驱动与马赫-曾德尔干涉仪的波导臂相关联的相位调谐器，以在对应于马赫-曾德尔干涉仪的偏置操作模式和无偏置操作模式的两种状态之间，切换在输出端口处离开马赫-曾德尔干涉仪的光输出信号，并且在无偏置操作模式下将波导臂相位对准；以及使用降压型转换器，在无偏置操作模式下的用于相位对准的较低功率与在偏置操作模式下的用于操作的较高功率之间切换被供应给相位调谐器的驱动功率。
64.尽管已经参考特定示例实施例描述了本发明主题，但明显的是，可以在不脱离本发明主题的更广泛范围的情况下对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为是说明性的，而非限制性的。