日本研發出光集成電路陣列助力長距離通信

特約撰稿人 | 宋向東

隨著網上新業務不斷涌現，特別是以iPhone為代表的智能手機和以iPad為代表的平板電腦等智能終端的出現，還有以IPTV為代表的網絡視頻的風行，使光纖傳輸網承載的數據量呈爆炸式增長，速率越來越高，傳輸設備也向光集成（光IC）方面發展，人們在不斷為減少光電轉換次數、減少設備體積和功耗、提高施工效率而努力。特別值得一提的是，目前光纖陣列已商品化，而成為光IC核心的光變換器陣列，也即將商用，特別值得關注。

光纖陣列（見圖1）是為讓光纖整齊排列在一起的器件，它是光通信中為了傳輸光信號而使用的核心器件之一。目前工廠已經做到了從光纖陣列母材V型槽的生產一致性，到靈活應對光纖陣列基板的各種技術要求（厚度、公差、間距等）。光纖陣列，是由數根到數十根等間隔（127μm或250μm）的光纖構成。光纖陣列已可大批量生產，產品種類包括1V光纖陣列、16V光纖陣列、48V光纖陣列（如圖2所示）等。其材料為光學玻璃（石英玻璃，高硼硅玻璃等），光纖排列定位精度達±0.3μm。

圖1 光纖陣列內部結構

圖2 48V光纖陣列

光耦合的技術難點

日本產業技術綜合研究所的納米設備中心，在NEC協助下，研發成功了光變換器陣列，它可與光纖陣列直接耦合，將光設備發展提高到一個新階段。

隨著智能手機的普及以及網絡視頻等寬帶業務的發展，網上數據通信量急增，使負責傳輸的大容量光纖通信網負荷加重。為了緩解這個矛盾，人們正在不斷努力去提高光纖通信網絡的傳輸速率，但隨著光信號控制設備（節點）數量的增加，這些節點功耗越來越大，已引起人們關注。降低光信號控制設備（節點）的功耗，已成為人們爭相研究的重點，這就是光IC誕生的基礎。但是在光IC實用化中，研發出多信道的光IC設備，并能順利實現同多根光纖進行光耦合是至關重要的。

在光IC內的光波導通道上，必需把能夠變換光束直徑大小與多根光纖耦合的光變換器（如圖3所示），裝載到光IC上。然而到目前為止的光變換器，還沒有具備能對光束直徑進行擴張/縮小的功能，以實現與標準的光纖直接進行光耦合，所以必須使用透鏡，讓光變換器與光纖進行耦合。因為采用此種方式耦合的光通道數量受限，同時又要耗費許多工時進行組裝，這一直是一個技術難題。

光變換器陣列促進光IC多通道化

光IC的光回路是由硅光波導構成，光束通過它的橫截面時，要求垂直度很高，通常要求度角偏差小于1μm。另一方面，通過標準光纖芯徑的光束直徑，被要求限制在10μm以內，這與光束直徑的差距達到了10 100倍，所以要產生低損耗的光耦合，就必須制造出能把光束直徑進行擴張/縮小的光變換器。

此外，為了減少反射損耗，應把光波導通路端耦合端面的折射率，轉換成與光纖折射率同等程度，在耦合端面上依據折射率差，對光束的反射進行抑制非常重要。所以現在必須滿足2個條件，即要設計出能對注入光信號(光束)進行縮小/擴大的光變換器，讓光纖和光IC直接進行光耦合。在制作的光變換器，因為它是由兩階段錐度結構的硅錐度和玻璃錐度構成，具有把雙向光束進行縮小/擴大的效果，它具有對高倍率光束進行縮小/擴大的功能，這是一階段錐形結構很難實現的。此外，光IC的光波導通路是由折射率比較大的硅（折射率3.5）構成，其折射率要在耦合端面上轉換成與玻璃光纖折射率（折射率1.5）同等程度，這樣發生的反射才能充分小。采用上述辦法，每個光纖連接處產生的光損耗就能小于1分貝。

圖3 光變換器結構

圖4 把制作的光變換器陣列（左）搭載到光IC上（右）

所謂光變換器陣列，就是把多個光變換器進行均勻分布的光變換器組（圖4左），據此能夠把光IC的輸入和輸出光信號進行多通道化。

依據新開發的光耦合技術，如像圖5右所示的那樣，不僅能直接同光纖陣列進行光耦合，還將實現高效率化，促進光IC多通道化。

圖5 新舊光IC的區別

在日本產業技術綜合研究所納米設備中心，不僅研發出了為長距離通信用的光變換器陣列，就是在比較短距離光互連網用的光變換器陣列，也在積極部署中。