光通信网络离不开光交换技术,目前商用的大规模光交换节点通过“光-电-光”方式实现。然而,随着网络传输数据速率的不断增加,这种交换方式面临着“电子瓶颈”和节点功耗大等问题。采用硅光子芯片技术实现全光交换结构被认为是解决上述问题的一种有效途径。硅光子集成芯片能够减小设备体积,降低功耗;与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容,节约成本。本文研究大规模硅基光交换芯片的设计和模块封装,并完成芯片系统性能测试和相关传输实验。主要工作内容包括以下四个方面:1.对基于马赫-曾德干涉仪(MZI)和微环谐振器的集成光开关单元进行了仿真设计和开关性能测试,每个光开关单元都集成了n-i-n热电阻和p-i-n结,其中MZI开关采用载流子注入原理,开关消光比达21 dB;微环开关采用热光效应,开关消光比达18 dB。在此基础上,对几种典型光交换结构性能进行了比较,最终采用Benes结构完成了光交换芯片模块的设计和封装,电学封装通过金线健合连接到芯片引脚上,光学封装通过光栅阵列实现光信号的耦合。为进一步提高光交换芯片工作的稳定性,设计并制作了温度控制模块,芯片的整体温度波动可控制在±0.03℃以内。2.针对大规模高速光交换芯片,为了弥补工艺误差和快速开关切换,开发了热控和电控两种高精度电路板,通过板间互连方式灵活组合,可满足不同光交换芯片的驱动要求,其中电压输出精度10 mV,电控开关时间约40 ns。在此基础上,完成了满足16×16光交换芯片驱动要求的112路控制电路的开发,并开展了相关实验。提出MZI光开关的同步驱动方法,当一臂的p-i-n结中注入载流子改变开关状态时还伴有热量产生,此时同步地增加另一臂的热控电压产生适当的热量,使两臂热量均衡,从而提高光交换集成芯片开关性能。实验测试结果表明,相比于传统驱动方案,本文提出的同步驱动方案可消除开关输出波形的下冲和畸变,单个开关单元的消光比提高了1 dB。3.研制出基于MZI开关芯片的光交换节点设备,主要由光交换芯片模块、驱动电路组、控制模块以及输入输出接口等组成。为了实现网络业务请求,针对重排无阻塞型的Benes交换网络,提出并实现了基于光开关性能的改进环路路由算法,可保证交换节点在光开关单元性能劣化或有少量开关损坏情况下仍能正常工作。搭建了一个由四个边缘节点和一个核心节点组成的光交换实验验证系统,并在华为技术有限公司的智能光网络中进行了系统测试。第三方检验机构的测试结果表明,送检的16×16光交换集成芯片系统的插入损耗范围为21.09 dB~32.93 dB,串扰小于-8.96 dB,有效地支撑了相关科研项目的顺利结题。4.为了验证光交换设备的大容量传输能力,提出了用辅助环产生局部色散跳变的方法获得单个孤子状态的光频率梳,这种方法只需要以固定速度单向扫描泵浦频率就能获得单个孤子,确定性高达98.7%,并利用光梳作为光源搭建了WDM传输系统,光信噪比平均劣化了4.4 dB,理论上讲光交换芯片每端口的传输容量可超过1.5 Tb/s。其次,由于硅波导中存在着由自由载流子引起的特殊非线性效应,为了扩大光交换芯片的规模,研究了EDFA的芯片互连方案,并提出了减小系统光信噪比(OSNR)性能劣化的方法,用16×16开关芯片构建了64×64光交换矩阵,所得64×64矩阵的OSNR和接收机灵敏度比16×16开关芯片分别提高了0.6dB和0.2 dB。