日本研發(fā)出光集成電路陣列助力長(zhǎng)距離通信

特約撰稿人 | 宋向東

隨著網(wǎng)上新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，特別是以iPhone為代表的智能手機(jī)和以iPad為代表的平板電腦等智能終端的出現(xiàn)，還有以IPTV為代表的網(wǎng)絡(luò)視頻的風(fēng)行，使光纖傳輸網(wǎng)承載的數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長(zhǎng)，速率越來越高，傳輸設(shè)備也向光集成（光IC）方面發(fā)展，人們?cè)诓粩酁闇p少光電轉(zhuǎn)換次數(shù)、減少設(shè)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(guān)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(hào)而使用的核心器件之一。目前工廠已經(jīng)做到了從光纖陣列母材V型槽的生產(chǎn)一致性，到靈活應(yīng)對(duì)光纖陣列基板的各種技術(shù)要求（厚度、公差、間距等）。光纖陣列，是由數(shù)根到數(shù)十根等間隔（127μm或250μm）的光纖構(gòu)成。光纖陣列已可大批量生產(chǎn)，產(chǎn)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(xué)玻璃（石英玻璃，高硼硅玻璃等），光纖排列定位精度達(dá)±0.3μm。

圖1 光纖陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 48V光纖陣列

光耦合的技術(shù)難點(diǎn)

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的納米設(shè)備中心，在NEC協(xié)助下，研發(fā)成功了光變換器陣列，它可與光纖陣列直接耦合，將光設(shè)備發(fā)展提高到一個(gè)新階段。

隨著智能手機(jī)的普及以及網(wǎng)絡(luò)視頻等寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，網(wǎng)上數(shù)據(jù)通信量急增，使負(fù)責(zé)傳輸?shù)拇笕萘抗饫w通信網(wǎng)負(fù)荷加重。為了緩解這個(gè)矛盾，人們正在不斷努力去提高光纖通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，但隨著光信號(hào)控制設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）數(shù)量的增加，這些節(jié)點(diǎn)功耗越來越大，已引起人們關(guān)注。降低光信號(hào)控制設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）的功耗，已成為人們爭(zhēng)相研究的重點(diǎn)，這就是光IC誕生的基礎(chǔ)。但是在光IC實(shí)用化中，研發(fā)出多信道的光IC設(shè)備，并能順利實(shí)現(xiàn)同多根光纖進(jìn)行光耦合是至關(guān)重要的。

在光IC內(nèi)的光波導(dǎo)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(duì)光束直徑進(jìn)行擴(kuò)張/縮小的功能，以實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)的光纖直接進(jìn)行光耦合，所以必須使用透鏡，讓光變換器與光纖進(jìn)行耦合。因?yàn)椴捎么朔N方式耦合的光通道數(shù)量受限，同時(shí)又要耗費(fèi)許多工時(shí)進(jìn)行組裝，這一直是一個(gè)技術(shù)難題。

光變換器陣列促進(jìn)光IC多通道化

光IC的光回路是由硅光波導(dǎo)構(gòu)成，光束通過它的橫截面時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)光纖芯徑的光束直徑，被要求限制在10μm以內(nèi)，這與光束直徑的差距達(dá)到了10 100倍，所以要產(chǎn)生低損耗的光耦合，就必須制造出能把光束直徑進(jìn)行擴(kuò)張/縮小的光變換器。

此外，為了減少反射損耗，應(yīng)把光波導(dǎo)通路端耦合端面的折射率，轉(zhuǎn)換成與光纖折射率同等程度，在耦合端面上依據(jù)折射率差，對(duì)光束的反射進(jìn)行抑制非常重要。所以現(xiàn)在必須滿足2個(gè)條件，即要設(shè)計(jì)出能對(duì)注入光信號(hào)(光束)進(jìn)行縮小/擴(kuò)大的光變換器，讓光纖和光IC直接進(jìn)行光耦合。在制作的光變換器，因?yàn)樗怯蓛呻A段錐度結(jié)構(gòu)的硅錐度和玻璃錐度構(gòu)成，具有把雙向光束進(jìn)行縮小/擴(kuò)大的效果，它具有對(duì)高倍率光束進(jìn)行縮小/擴(kuò)大的功能，這是一階段錐形結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)的。此外，光IC的光波導(dǎo)通路是由折射率比較大的硅（折射率3.5）構(gòu)成，其折射率要在耦合端面上轉(zhuǎn)換成與玻璃光纖折射率（折射率1.5）同等程度，這樣發(fā)生的反射才能充分小。采用上述辦法，每個(gè)光纖連接處產(chǎn)生的光損耗就能小于1分貝。

圖3 光變換器結(jié)構(gòu)

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(gè)光變換器進(jìn)行均勻分布的光變換器組（圖4左），據(jù)此能夠把光IC的輸入和輸出光信號(hào)進(jìn)行多通道化。

依據(jù)新開發(fā)的光耦合技術(shù)，如像圖5右所示的那樣，不僅能直接同光纖陣列進(jìn)行光耦合，還將實(shí)現(xiàn)高效率化，促進(jìn)光IC多通道化。

圖5 新舊光IC的區(qū)別

在日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所納米設(shè)備中心，不僅研發(fā)出了為長(zhǎng)距離通信用的光變換器陣列，就是在比較短距離光互連網(wǎng)用的光變換器陣列，也在積極部署中。