损耗补偿光切换的制作方法
【专利说明】损耗补偿光切换
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]N/A
[0003]关于联邦政府资助的研究发展概况
[0004]N/A
【背景技术】
[0005]在数据通信中，通常利用切换来经由一个或多个物理信道所托管的动态的并且有时可配置的虚拟连接或信道来提供数据节点之间的互连。具体地，为将给定数据通信网络中的数据节点完全互连所需的连接或信道的数量往往超出可用物理信道。切换可用于对经由在物理信道内的虚拟信道来实现数据节点的互连的可用物理信道进行时间和/或空间复用，其中虚拟信道的数量往往远大于可用物理信道的数量。结果，在数据通信网络内使用切换与在无切换情况下可能的互连密度相比可以提供高得多的互连密度。
[0006]除了由互连的或至少可互连的数据节点表示的互连密度，数据可以在信道上在数据节点之间传输的数据容量或速度通常也是数据网络中的另一重要考虑因素。尽管切换通过提供可用物理信道的较理想的平均使用而可以有助于提高数据容量，但在现代数据通信网络中对增加的数据容量的要求也已加快了对光通信信道(例如，光纤)的采用。因此，针对越来越高的数据容量与越来越高的互连密度的需要组合已引起对光切换的需要和在数据网络内的光纤的使用。
[0007]通常，数据网络内的光切换可以使用光-电-光转换开关结构(0/E/0开关)或者通过所谓的“全光”开关结构来实现。在0/E/0切换中，使用传统电切换，待切换的光信号首先被转换成电信号，然后作为电信号被切换。一旦被切换，电信号就被转换回光信号并且作为光信号被转发。在全光切换中，使用光子器件将光信号作为光信号来切换，而无需将光信号转换成电信号以及从电信号转换成光信号。尽管0/E/0切换在传统集成电路中就制造和实现而言具有某些优点，但与全光切换相比，使用0/E/0切换由于复杂性和带宽限制而变得越来越不可取。例如，使用高速光子器件并且对光信号直接操作的全光开关消除了对电信号转换处理的需要，这可以降低复杂性并且还往往会保留例如光纤缆线的光互连中所固有的带宽。然而，尽管全光切换在许多应用中非常可取，但全光切换往往需要在成本和性能之间作出困难的取舍。
【附图说明】
[0008]参考结合附图做出的以下详细描述可更容易理解根据本文所描述的原理的示例的各种特征，其中，相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中:
[0009]图1A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的脊加载(ridge-loaded)光波导的横截面视图。
[0010]图1B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的反脊加载(reverseridge-loaded)光波导的横截面视图。
[0011]图1C图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的条形光波导的横截面视图。
[0012]图2图示了根据本文所描述的原理的示例的损耗补偿光开关的框图。
[0013]图3A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的光开关的示意性视图。
[0014]图3B图示了根据与本文所描述的原理一致的另一示例的光开关的俯视图。
[0015]图3C图示了根据与本文所描述的原理一致的又一示例的光开关的俯视图。
[0016]图4图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的光交叉开关的示意性视图。
[0017]图5图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的晶片键合半导体放大器(SOA)的横截面视图。
[0018]图6图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的损耗补偿光开关系统的框图。
[0019]图7图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的损耗补偿光切换的方法的流程图。
[0020]某些示例具有其他特征，所述其他特征是附加和替代以上参考附图中图示的那些特征的一个特征。下面参考以上附图详细描述这些和其他特征。
【具体实施方式】
[0021]根据本文所描述的原理的示例提供了损耗补偿光切换。具体地，可以提供从多个输入切换至多个输出的损耗补偿光切换。根据本文所描述的原理，损耗补偿光切换采用光交叉开关来提供光信号切换并且采用光放大器来减轻或补偿在光交叉开关中的损耗。此夕卜，光放大器是根据与本文所描述的原理一致的各个示例的晶片键合半导体光放大器。使用晶片键合半导体光放大器使得光交叉开关和晶片键合半导体光放大器的材料和实现方式能够以基本独立的方式来选择。如此，与光交叉开关实现相关联的性能和成本不会受到关于晶片键合半导体光放大器的实现而进行的选择的制约或以其他方式被不利地影响。根据本文所描述的各种示例，使用根据本文所描述的原理的损耗补偿光切换的光切换可以提供低光损耗或无光损耗的高输入/输出端口计数开关。
[0022]在某些示例中，用于损耗补偿光切换的损耗补偿光开关可以直接在半导体基板的表面层(例如，薄膜层)中制造。此外，根据各种示例，损耗补偿光开关的一部分还可以被制造为附于表面层顶表面的层。例如，损耗补偿光开关的包括光交叉开关的一部分可采用各种光波导，其用作输入端口和输出端口。光波导可以在绝缘体上半导体(SOI)基板(例如，绝缘体上硅基板的硅或多晶硅薄膜层)的薄膜半导体层中制造。另外，损耗补偿光开关的包括半导体光放大器的部分可使用晶片键合至或附于SOI基板的顶表面的另一半导体层来制造。通过使用晶片键合，附于半导体基板表面的半导体层可以包括与半导体基板的表面层的半导体材料不同并且甚至具有与半导体基板的表面层的半导体材料基本不同的晶格的材料。例如，表面层的半导体材料可以是硅，而晶片键合半导体层可以是II1-V族化合物半导体或I1-VI族化合物半导体。
[0023]本文中，术语“光放大器”和“光开关”定义上通常指直接对光信号进行操作而无需将光信号先转换成电信号的器件和/或结构(例如，分别作为放大器或开关)。例如，光放大器可以是通过半导体器件内的受激发射直接放大光信号的可饱和有源半导体器件(例如，无反射镜的激光器)。这样的器件通常称为半导体光放大器(SOA)。
[0024]如本文中所使用的，“光波导”定义上通常指正在传播的光信号被限定于板形、片形或条形材料内并且在该板形、片形或条形材料内传播的波导。如此，本文所定义的板形光波导或简称“板形波导”是在板形层内支持正在传播的光信号的板形材料或“板层”。根据各种示例，损耗补偿光开关采用光波导，并且在某些示例中采用板形光波导。具体地，光波导可包括但不限于脊加载光波导，倒置或反脊加载光波导以及条形光波导。脊加载光波导和反脊加载光波导是板形光波导，而条形波导被认为不是板形波导。
[0025]在某些示例中，对光波导的横向尺寸(宽度)进行旋转，以优选维持光信号的低阶传播模。在某些示例中，仅单个传播模由光波导维持。例如，宽度可以小于特定宽度，使得仅第一横电模(即，TEiq)能够传播。特定宽度取决于光波导的材料的折射率、光波导层的厚度以及光波导的特定物理特性(即，光波导类型)。
[0026]图1A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的脊加载光波导10的横截面视图。脊加载光波导10有时还称为“脊加载波导”或简称为“脊波导”。脊加载光波导10包括板层12。板层12是或包括光信号穿过其传播并且在脊加载波导10内被引导的材料。具体地，根据各种示例，板层12的材料对于光信号基本透明，并且此外光信号的几乎全部能量被限制于脊加载光波导10的板层12。在某些示例中，板层12可以包括例如半导体材料的材料，该材料相对于其在光波导中的使用基本表现为介电材料。在其他示例中，板层可包括具有不同带隙和折射率的一种以上的半导体材料。
[0027]例如，板层12可包括但不限于与光信号兼容的半导体材料，例如，硅(Si)、砷化镓(GaAs)以及铌酸锂(LiNbO3)13根据各种示例，可以采用半导体材料的单晶体、多晶体或非晶层中的任意一种。板层材料的透明性通常影响脊加载波导的光损耗。例如，材料越不透明，光信号经历的损耗越多。
[0028]在某些示例中(例如，如所图示的)，板层12受支持层14的支持。支持层14物理支持板层12。在某些示例中，支持层14还便于板层12中的光学限制。具体地，支持层14可以包括与板层12的材料不同的材料。在某些示例中，支持层14可以包括折射率小于板层12的折射率的材料。例如，支持层14可以是基于氧化物的绝缘层(例如，氧化硅的硅SOI基板)并且板层12可以是硅。在某些示例中，支持层14相对于板层12的不同折射率用于(例如，通过内部全反射)将光信号基本限制于板层12。
[0029]脊加载波导10还包括脊16。脊16定位在板层12的顶表面上并且在板层12的顶表面上方延伸。脊16用于在脊16的正下方引导板层12内的光信号。相对于在脊16处和附近的有效折射率，在脊16周围(S卩，限定脊16)的区域中存在较