CMI推動(dòng)平面光路器件的發(fā)展

多年來(lái)，器件設(shè)計(jì)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(dǎo)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(chǎng)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(xué)性能超越了DC和MZI技術(shù)。此外，在任何生產(chǎn)環(huán)境中，強(qiáng)壯的CMI器件對(duì)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(jià)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(gè)光束，使之分別進(jìn)入兩個(gè)波導(dǎo)，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(guò)改變MZI兩臂上的相位偏移，可以在MZI的輸出部分實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的干涉控制。這種機(jī)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(duì)波長(zhǎng)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(gè)波導(dǎo)臂上的加熱器。它可以通過(guò)熱-光效應(yīng)來(lái)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(hào)開關(guān)器件和VOA時(shí)，由于幾個(gè)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(zhǎng)范圍內(nèi)和兩個(gè)偏振方向上，MZI很難實(shí)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(duì)偏振非常敏感。此外，DC的分光比受波導(dǎo)幾何形狀、折射率、波長(zhǎng)的強(qiáng)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(duì)生產(chǎn)條件的變化過(guò)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(duì)DC部分的精確度和可重復(fù)性要求很高。

　　MZI光開關(guān)的串?dāng)_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(zhǎng)范圍內(nèi)，其串?dāng)_的典型值仍然很難達(dá)到-20dB。光開關(guān)的級(jí)聯(lián)可以降低串?dāng)_值，但是需要使用大量光開關(guān)，這又會(huì)受產(chǎn)量問(wèn)題的制約。用于分光的DC要求兩個(gè)平行波導(dǎo)之間的距離僅為幾個(gè)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(duì)生產(chǎn)條件非常敏感，所以即使用最新的晶片制造設(shè)備也很難制造。

　　MZI光開關(guān)的“開”狀態(tài)是通過(guò)改變光開關(guān)中MZI兩臂上兩束光的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所需要的相位差可以通過(guò)加熱器實(shí)現(xiàn)，它的功耗非常小。然而，為了補(bǔ)償制造過(guò)程產(chǎn)生的相位差，當(dāng)光開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，也需要消耗能量。因此，由多個(gè)光開關(guān)組成的MZI光開關(guān)矩陣的功耗就較大，而且校準(zhǔn)非常復(fù)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(dǎo)內(nèi)不同階模式之間的光學(xué)特性不同而進(jìn)行工作的。CMI光開關(guān)可以在標(biāo)準(zhǔn)的PLC制造環(huán)境和平臺(tái)（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(fù)用器和動(dòng)態(tài)模式轉(zhuǎn)換器。
　　模式復(fù)用器以多模波導(dǎo)為基礎(chǔ)。它們能以很低的串?dāng)_和PDL實(shí)現(xiàn)高階模式在波導(dǎo)中的上下路。這種器件的設(shè)計(jì)思路和WDM有些類似，不同的是它是對(duì)不同的模式進(jìn)行操作，而不是對(duì)不同的波長(zhǎng)進(jìn)行操作。模式之間的高隔離度不是靠干涉實(shí)現(xiàn)的，而是根據(jù)不同模式的不同光學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的掩膜結(jié)構(gòu)，就可以將這些模式區(qū)分開來(lái)。與MZI光開關(guān)中使用的DC器件相比，它更強(qiáng)壯。

　　從某種意義上說(shuō)，CMI模式上/下路器件是一個(gè)復(fù)用器，它可以在一個(gè)波導(dǎo)和另一個(gè)波導(dǎo)之間實(shí)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?dāng)_的模式相互作用隔離開。這是由于不同模式在波導(dǎo)中的傳播路徑不同。如圖2所示，第一個(gè)波導(dǎo)的零階模式（在圖中用0in表示）通過(guò)第一條路徑和本波導(dǎo)的零階模式0out相連。第一個(gè)波導(dǎo)的一階模式1in通過(guò)第二條路徑和第二個(gè)波導(dǎo)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?dāng)_的是第三條路徑。第一個(gè)波導(dǎo)的零階模式0in通過(guò)第三條路徑和第二個(gè)波導(dǎo)的零階模式0‘out相連。因此復(fù)用器在損耗方面的效率與其在串?dāng)_方面的效率無(wú)關(guān)。這種特性可以使模式上/下路器件具有較低的串?dāng)_水平，而且也能容忍生產(chǎn)條件的較大變化。此外，由于串?dāng)_對(duì)耦合系數(shù)和相位差具有較大容忍度，因此可以降低對(duì)生產(chǎn)工藝的要求。與DC器件相比，CMI器件的串?dāng)_水平降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且?guī)缀跖c波長(zhǎng)和偏振無(wú)關(guān)。

　　CMI光開關(guān)的另一個(gè)組成模塊是動(dòng)態(tài)模式轉(zhuǎn)換器件。該器件對(duì)多模波導(dǎo)進(jìn)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(gè)無(wú)源器件。光束可以直接通過(guò)它而不發(fā)生任何變化。此時(shí)，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(duì)稱的，因此它對(duì)波長(zhǎng)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(guò)熱-光效應(yīng)可以改變器件的折射率，從而完成模式轉(zhuǎn)換。此時(shí)，進(jìn)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(guò)集成上述兩種組成模塊，就可以構(gòu)成一個(gè)開關(guān)。通過(guò)集成兩個(gè)帶有模式轉(zhuǎn)換器的模式上/下路器件，就可以構(gòu)成一個(gè)2×2光開關(guān)（圖3）。CMI 2×2光開關(guān)的功耗非常低（50mW量級(jí)），而且在“關(guān)”狀態(tài)無(wú)功耗。



　　圖4顯示了CMI光開關(guān)在1530-1610nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)平坦的低串?dāng)_水平，及其對(duì)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(wú)功耗，熱管理將更加簡(jiǎn)單，電子控制部分將更加簡(jiǎn)捷。這種器件的簡(jiǎn)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(shí)用、高性價(jià)比的替代品。



　　圖5所示為波導(dǎo)間隔的變化對(duì)串?dāng)_值的影響。對(duì)比兩個(gè)等效的2×2光開關(guān)，其中一個(gè)采用MZI，另一個(gè)采用CMI。可以看出，MZI光開關(guān)的串?dāng)_水平和間隔參數(shù)關(guān)系非常密切。在當(dāng)前典型的技術(shù)條件下，制造誤差僅能達(dá)到±0.5祄，而基于DC的MZI光開關(guān)對(duì)加工設(shè)備的質(zhì)量和生產(chǎn)條件非常敏感。對(duì)于CMI光開關(guān)，即使在波導(dǎo)間隔與設(shè)計(jì)值偏差達(dá)到±2祄的情況下，信道隔離度仍然保持較高的水平。而這個(gè)偏差是PLC制造誤差典型值的四倍。因此，CMI器件對(duì)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(xué)性能都超過(guò)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(biāo)準(zhǔn)的PLC生產(chǎn)環(huán)境和平臺(tái)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(jià)比的器件，占領(lǐng)MZI器件留下的市場(chǎng)空間。

Myo Ohn：Optun公司市場(chǎng)和業(yè)務(wù)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(xué)光通信中心
譯自Lightwave 04年2月30頁(yè)《Controlled-mode interaction boosts PLC device designs》