光波通信

作者：Myo Ohn，Ilya Vorobeichik 译者：陈利兵

多年来，器件设计人员始终致力于开发出能用于平面光路（PLC）的定向耦合器（DC）和马赫-曾德干涉仪（MZI）。利用这些器件和各种波导整形方法，便可制造出1×2和2×2光开关、可变光衰减器（VOA）和光分接器（tap）。虽然使用DC和MZI已经能够生产出商用产品，但是它们还需要克服许多困难，PLC技术才能真正在市场上获得成功。

受控模式相互作用（CMI）开关技术的许多重要光学性能超越了DC和MZI技术。此外，在任何生产环境中，强壮的CMI器件对制造误差不敏感、成品率更高，因此表现更出色。CMI技术能很好地满足PLC的要求，能以低价为PLC生产出高性能的部件。

MZI工作原理

MZI开关的工作原理如下：将一束光分裂为两个光束，使之分别进入两个波导，然后在其中一束光上附加一定的相位偏移，最后再将两束光合在一起（图1）。通过改变MZI两臂上的相位偏移，可以在MZI的输出部分实现对光束的干涉控制。这种机制决定了光开关的效率。但是，正如其他基于光干涉原理的器件一样，MZI对波长变化和任何影响光路的因素都非常敏感。

在硅基氧化硅PLC开关中，最常用的分波、合波器件是DC。相移器通常是位于MZI一个波导臂上的加热器。它可以通过热-光效应来改变光束的相位。根据两臂上的相位差的不同，输入光将从光开关的不同输出端口输出。

MZI用作光信号开关器件和VOA时，由于几个难题的影响，在制造上有些难度，也限制了其通信性能。例如，在所需的波长范围内和两个偏振方向上，MZI很难实现精确的相移和分光比。由于存在光的双折射（在不同偏振方向上相速度不同），所以，相移对偏振非常敏感。此外，DC的分光比受波导几何形状、折射率、波长的强烈影响（呈指数规律），而且所有这些因素都随制造误差而变化。

相移和分光比对生产条件的变化过于敏感使得MZI光开关的制造难度很大。前者要求MZI两臂上的参数差异足够小，而后者对DC部分的精确度和可重复性要求很高。

MZI光开关的串扰水平取决于两臂之间的相差和分光比。即使精心挑选出最好的MZI光开关，在所需波长范围内，其串扰的典型值仍然很难达到-20dB。光开关的级联可以降低串扰值，但是需要使用大量光开关，这又会受产量问题的制约。用于分光的DC要求两个平行波导之间的距离仅为几个微米。DC部分的精度和MZI两臂的一致性都是关键的参数。由于MZI光开关对生产条件非常敏感，所以即使用最新的晶片制造设备也很难制造。

MZI光开关的“开”状态是通过改变光开关中MZI两臂上两束光的相位差来实现的。所需要的相位差可以通过加热器实现，它的功耗非常小。然而，为了补偿制造过程产生的相位差，当光开关处于“关”状态时，也需要消耗能量。因此，由多个光开关组成的MZI光开关矩阵的功耗就较大，而且校准非常复杂。此外，由于MZI是基于光干涉原理的，而双折射的存在将引起偏振相关损耗（PDL），因此它不适合用作VOA。

CMI工作原理

CMI光开关的物理原理和ZMI光开关完全不同。CMI光开关不是基于干涉原理，而是根据波导内不同阶模式之间的光学特性不同而进行工作的。CMI光开关可以在标准的PLC制造环境和平台（例如硅基氧化硅、绝缘硅和磷化铟）上生产。其组成模块包括模分复用器和动态模式转换器。

模式复用器以多模波导为基础。它们能以很低的串扰和PDL实现高阶模式在波导中的上下路。这种器件的设计思路和WDM有些类似，不同的是它是对不同的模式进行操作，而不是对不同的波长进行操作。模式之间的高隔离度不是靠干涉实现的，而是根据不同模式的不同光学特性来实现的。通过相对简单的掩膜结构，就可以将这些模式区分开来。与MZI光开关中使用的DC器件相比，它更强壮。

从某种意义上说，CMI模式上/下路器件是一个复用器，它可以在一个波导和另一个波导之间实现光波的上下路。CMI模式上/下路器件可以将造成损耗的模式相互作用与造成串扰的模式相互作用隔离开。这是由于不同模式在波导中的传播路径不同。如图2所示，第一个波导的零阶模式（在图中用0in表示）通过第一条路径和本波导的零阶模式0out相连。第一个波导的一阶模式1in通过第二条路径和第二个波导的零阶模式0‘out相连。

在这些路径上，仅仅存在损耗。而造成串扰的是第三条路径。第一个波导的零阶模式0in通过第三条路径和第二个波导的零阶模式0‘out相连。因此复用器在损耗方面的效率与其在串扰方面的效率无关。这种特性可以使模式上/下路器件具有较低的串扰水平，而且也能容忍生产条件的较大变化。此外，由于串扰对耦合系数和相位差具有较大容忍度，因此可以降低对生产工艺的要求。与DC器件相比，CMI器件的串扰水平降低了几个数量级，而且几乎与波长和偏振无关。

CMI光开关的另一个组成模块是动态模式转换器件。该器件对多模波导进行操作，它有两种工作模式。在“关”状态下，模式转换器是一个无源器件。光束可以直接通过它而不发生任何变化。此时，模式的阶数没有改变，而且插入损耗非常低。模式转换器的结构是完全对称的，因此它对波长的依赖性很小，而且可以提供较大的带宽。在“开”状态下，通过热-光效应可以改变器件的折射率，从而完成模式转换。此时，进入模式转换器的光束的模式发生了变化（通常是从零阶模式变为一阶模式）。

光开关

通过集成上述两种组成模块，就可以构成一个开关。通过集成两个带有模式转换器的模式上/下路器件，就可以构成一个2×2光开关（图3）。CMI 2×2光开关的功耗非常低（50mW量级），而且在“关”状态无功耗。

图4显示了CMI光开关在1530-1610nm波长范围内平坦的低串扰水平，及其对温度的不敏感性。因此它可以工作在C波段和L波段。此外，由于“关”状态下无功耗，热管理将更加简单，电子控制部分将更加简捷。这种器件的简单特性使PLC上能集成更多的光开关，成为分立光开关的实用、高性价比的替代品。

图5所示为波导间隔的变化对串扰值的影响。对比两个等效的2×2光开关，其中一个采用MZI，另一个采用CMI。可以看出，MZI光开关的串扰水平和间隔参数关系非常密切。在当前典型的技术条件下，制造误差仅能达到±0.5祄，而基于DC的MZI光开关对加工设备的质量和生产条件非常敏感。对于CMI光开关，即使在波导间隔与设计值偏差达到±2祄的情况下，信道隔离度仍然保持较高的水平。而这个偏差是PLC制造误差典型值的四倍。因此，CMI器件对制造误差具有较大容忍度，晶片的成品率将大大提高。

CMI器件的许多重要光学性能都超过了MZI器件。在任何生产条件下，CMI器件受制造误差的影响小，成品率更高；在相同生产条件下比MZI器件性能更优越。此外，CMI器件可以在任何标准的PLC生产环境和平台中生产。因此，CMI技术能很好地满足PLC的要求。CMI技术将提供高性能、高性价比的器件，占领MZI器件留下的市场空间。

Myo Ohn：Optun公司市场和业务发展部副总裁；Ilya Vorobeichik：Optun公司创始人和技术主管。

陈利兵：北京邮电大学光通信中心

译自Lightwave 04年2月30页《Controlled-mode interaction boosts PLC device designs》

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