CMI推動平面光路器件的發(fā)展

多年來，器件設計人員始終致力于開發(fā)出能用于平面光路（PLC）的定向耦合器（DC）和馬赫-曾德干涉儀（MZI）。利用這些器件和各種波導整形方法，便可制造出1×2和2×2光開關(guān)、可變光衰減器（VOA）和光分接器（tap）。雖然使用DC和MZI已經(jīng)能夠生產(chǎn)出商用產(chǎn)品，但是它們還需要克服許多困難，PLC技術(shù)才能真正在市場上獲得成功。
受控模式相互作用（CMI）開關(guān)技術(shù)的許多重要光學性能超越了DC和MZI技術(shù)。此外，在任何生產(chǎn)環(huán)境中，強壯的CMI器件對制造誤差不敏感、成品率更高，因此表現(xiàn)更出色。CMI技術(shù)能很好地滿足PLC的要求，能以低價為PLC生產(chǎn)出高性能的部件。

　　MZI工作原理

　　MZI開關(guān)的工作原理如下：將一束光分裂為兩個光束，使之分別進入兩個波導，然后在其中一束光上附加一定的相位偏移，最后再將兩束光合在一起（圖1）。通過改變MZI兩臂上的相位偏移，可以在MZI的輸出部分實現(xiàn)對光束的干涉控制。這種機制決定了光開關(guān)的效率。但是，正如其他基于光干涉原理的器件一樣，MZI對波長變化和任何影響光路的因素都非常敏感。



　　在硅基氧化硅PLC開關(guān)中，最常用的分波、合波器件是DC。相移器通常是位于MZI一個波導臂上的加熱器。它可以通過熱-光效應來改變光束的相位。根據(jù)兩臂上的相位差的不同，輸入光將從光開關(guān)的不同輸出端口輸出。

　　MZI用作光信號開關(guān)器件和VOA時，由于幾個難題的影響，在制造上有些難度，也限制了其通信性能。例如，在所需的波長范圍內(nèi)和兩個偏振方向上，MZI很難實現(xiàn)精確的相移和分光比。由于存在光的雙折射（在不同偏振方向上相速度不同），所以，相移對偏振非常敏感。此外，DC的分光比受波導幾何形狀、折射率、波長的強烈影響（呈指數(shù)規(guī)律），而且所有這些因素都隨制造誤差而變化。

　　相移和分光比對生產(chǎn)條件的變化過于敏感使得MZI光開關(guān)的制造難度很大。前者要求MZI兩臂上的參數(shù)差異足夠小，而后者對DC部分的精確度和可重復性要求很高。

　　MZI光開關(guān)的串擾水平取決于兩臂之間的相差和分光比。即使精心挑選出最好的MZI光開關(guān)，在所需波長范圍內(nèi)，其串擾的典型值仍然很難達到-20dB。光開關(guān)的級聯(lián)可以降低串擾值，但是需要使用大量光開關(guān)，這又會受產(chǎn)量問題的制約。用于分光的DC要求兩個平行波導之間的距離僅為幾個微米。DC部分的精度和MZI兩臂的一致性都是關(guān)鍵的參數(shù)。由于MZI光開關(guān)對生產(chǎn)條件非常敏感，所以即使用最新的晶片制造設備也很難制造。

　　MZI光開關(guān)的“開”狀態(tài)是通過改變光開關(guān)中MZI兩臂上兩束光的相位差來實現(xiàn)的。所需要的相位差可以通過加熱器實現(xiàn)，它的功耗非常小。然而，為了補償制造過程產(chǎn)生的相位差，當光開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)時，也需要消耗能量。因此，由多個光開關(guān)組成的MZI光開關(guān)矩陣的功耗就較大，而且校準非常復雜。此外，由于MZI是基于光干涉原理的，而雙折射的存在將引起偏振相關(guān)損耗（PDL），因此它不適合用作VOA。

　　CMI工作原理

　　CMI光開關(guān)的物理原理和ZMI光開關(guān)完全不同。CMI光開關(guān)不是基于干涉原理，而是根據(jù)波導內(nèi)不同階模式之間的光學特性不同而進行工作的。CMI光開關(guān)可以在標準的PLC制造環(huán)境和平臺（例如硅基氧化硅、絕緣硅和磷化銦）上生產(chǎn)。其組成模塊包括模分復用器和動態(tài)模式轉(zhuǎn)換器。
　　模式復用器以多模波導為基礎。它們能以很低的串擾和PDL實現(xiàn)高階模式在波導中的上下路。這種器件的設計思路和WDM有些類似，不同的是它是對不同的模式進行操作，而不是對不同的波長進行操作。模式之間的高隔離度不是靠干涉實現(xiàn)的，而是根據(jù)不同模式的不同光學特性來實現(xiàn)的。通過相對簡單的掩膜結(jié)構(gòu)，就可以將這些模式區(qū)分開來。與MZI光開關(guān)中使用的DC器件相比，它更強壯。

　　從某種意義上說，CMI模式上/下路器件是一個復用器，它可以在一個波導和另一個波導之間實現(xiàn)光波的上下路。CMI模式上/下路器件可以將造成損耗的模式相互作用與造成串擾的模式相互作用隔離開。這是由于不同模式在波導中的傳播路徑不同。如圖2所示，第一個波導的零階模式（在圖中用0in表示）通過第一條路徑和本波導的零階模式0out相連。第一個波導的一階模式1in通過第二條路徑和第二個波導的零階模式0‘out相連。



　　在這些路徑上，僅僅存在損耗。而造成串擾的是第三條路徑。第一個波導的零階模式0in通過第三條路徑和第二個波導的零階模式0‘out相連。因此復用器在損耗方面的效率與其在串擾方面的效率無關(guān)。這種特性可以使模式上/下路器件具有較低的串擾水平，而且也能容忍生產(chǎn)條件的較大變化。此外，由于串擾對耦合系數(shù)和相位差具有較大容忍度，因此可以降低對生產(chǎn)工藝的要求。與DC器件相比，CMI器件的串擾水平降低了幾個數(shù)量級，而且?guī)缀跖c波長和偏振無關(guān)。

　　CMI光開關(guān)的另一個組成模塊是動態(tài)模式轉(zhuǎn)換器件。該器件對多模波導進行操作，它有兩種工作模式。在“關(guān)”狀態(tài)下，模式轉(zhuǎn)換器是一個無源器件。光束可以直接通過它而不發(fā)生任何變化。此時，模式的階數(shù)沒有改變，而且插入損耗非常低。模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)是完全對稱的，因此它對波長的依賴性很小，而且可以提供較大的帶寬。在“開”狀態(tài)下，通過熱-光效應可以改變器件的折射率，從而完成模式轉(zhuǎn)換。此時，進入模式轉(zhuǎn)換器的光束的模式發(fā)生了變化（通常是從零階模式變?yōu)橐浑A模式）。

　　光開關(guān)

　　通過集成上述兩種組成模塊，就可以構(gòu)成一個開關(guān)。通過集成兩個帶有模式轉(zhuǎn)換器的模式上/下路器件，就可以構(gòu)成一個2×2光開關(guān)（圖3）。CMI 2×2光開關(guān)的功耗非常低（50mW量級），而且在“關(guān)”狀態(tài)無功耗。



　　圖4顯示了CMI光開關(guān)在1530-1610nm波長范圍內(nèi)平坦的低串擾水平，及其對溫度的不敏感性。因此它可以工作在C波段和L波段。此外，由于“關(guān)”狀態(tài)下無功耗，熱管理將更加簡單，電子控制部分將更加簡捷。這種器件的簡單特性使PLC上能集成更多的光開關(guān)，成為分立光開關(guān)的實用、高性價比的替代品。



　　圖5所示為波導間隔的變化對串擾值的影響。對比兩個等效的2×2光開關(guān)，其中一個采用MZI，另一個采用CMI�？梢钥闯�，MZI光開關(guān)的串擾水平和間隔參數(shù)關(guān)系非常密切。在當前典型的技術(shù)條件下，制造誤差僅能達到±0.5祄，而基于DC的MZI光開關(guān)對加工設備的質(zhì)量和生產(chǎn)條件非常敏感。對于CMI光開關(guān)，即使在波導間隔與設計值偏差達到±2祄的情況下，信道隔離度仍然保持較高的水平。而這個偏差是PLC制造誤差典型值的四倍。因此，CMI器件對制造誤差具有較大容忍度，晶片的成品率將大大提高。



　　CMI器件的許多重要光學性能都超過了MZI器件。在任何生產(chǎn)條件下，CMI器件受制造誤差的影響小，成品率更高；在相同生產(chǎn)條件下比MZI器件性能更優(yōu)越。此外，CMI器件可以在任何標準的PLC生產(chǎn)環(huán)境和平臺中生產(chǎn)。因此，CMI技術(shù)能很好地滿足PLC的要求。CMI技術(shù)將提供高性能、高性價比的器件，占領(lǐng)MZI器件留下的市場空間。

Myo Ohn：Optun公司市場和業(yè)務發(fā)展部副總裁；Ilya Vorobeichik：Optun公司創(chuàng)始人和技術(shù)主管。
陳利兵：北京郵電大學光通信中心
譯自Lightwave 04年2月30頁《Controlled-mode interaction boosts PLC device designs》