日本研发出光集成电路阵列助力长距离通信

6/11/2012,随着网上新业务不断涌现，特别是以iPhone为代表的智能手机和以iPad为代表的平板电脑等智能终端的出现，还有以IPTV为代表的网络视频的风行，使光纤传输网承载的数据量呈爆炸式增长，速率越来越高，传输设备也向光集成(光IC)方面发展，人们在不断为减少光电转换次数、减少设备体积和功耗、提高施工效率而努力。特别值得一提的是，目前光纤阵列已商品化，而成为光IC核心的光变换器阵列，也即将商用，特别值得关注。



　　光纤阵列(见图1)是为让光纤整齐排列在一起的器件，它是光通信中为了传输光信号而使用的核心器件之一。目前工厂已经做到了从光纤阵列母材V型槽的生产一致性，到灵活应对光纤阵列基板的各种技术要求(厚度、公差、间距等)。光纤阵列，是由数根到数十根等间隔(127μm或250μm)的光纤构成。光纤阵列已可大批量生产，产品种类包括1V光纤阵列、16V光纤阵列、48V光纤阵列(如图2所示)等。其材料为光学玻璃(石英玻璃，高硼硅玻璃等)，光纤排列定位精度达±0.3μm。

　　光耦合的技术难点

　　日本产业技术综合研究所的纳米设备中心，在NEC协助下，研发成功了光变换器阵列，它可与光纤阵列直接耦合，将光设备发展提高到一个新阶段。

　　随着智能手机的普及以及网络视频等宽带业务的发展，网上数据通信量急增，使负责传输的大容量光纤通信网负荷加重。为了缓解这个矛盾，人们正在不断努力去提高光纤通信网络的传输速率，但随着光信号控制设备(节点)数量的增加，这些节点功耗越来越大，已引起人们关注。降低光信号控制设备(节点)的功耗，已成为人们争相研究的重点，这就是光IC诞生的基础。但是在光IC实用化中，研发出多信道的光IC设备，并能顺利实现同多根光纤进行光耦合是至关重要的。

　　在光IC内的光波导通道上，必需把能够变换光束直径大小与多根光纤耦合的光变换器(如图3所示)，装载到光IC上。然而到目前为止的光变换器，还没有具备能对光束直径进行扩张/缩小的功能，以实现与标准的光纤直接进行光耦合，所以必须使用透镜，让光变换器与光纤进行耦合。因为采用此种方式耦合的光通道数量受限，同时又要耗费许多工时进行组装，这一直是一个技术难题。



　　光变换器阵列促进光IC多通道化

　　光IC的光回路是由硅光波导构成，光束通过它的横截面时，要求垂直度很高，通常要求度角偏差小于1μm。另一方面，通过标准光纤芯径的光束直径，被要求限制在10μm以内，这与光束直径的差距达到了10?100倍，所以要产生低损耗的光耦合，就必须制造出能把光束直径进行扩张/缩小的光变换器。

　　此外，为了减少反射损耗，应把光波导通路端耦合端面的折射率，转换成与光纤折射率同等程度，在耦合端面上依据折射率差，对光束的反射进行抑制非常重要。所以现在必须满足2个条件，即要设计出能对注入光信号(光束)进行缩小/扩大的光变换器，让光纤和光IC直接进行光耦合。在制作的光变换器，因为它是由两阶段锥度结构的硅锥度和玻璃锥度构成，具有把双向光束进行缩小/扩大的效果，它具有对高倍率光束进行缩小/扩大的功能，这是一阶段锥形结构很难实现的。此外，光IC的光波导通路是由折射率比较大的硅(折射率3.5)构成，其折射率要在耦合端面上转换成与玻璃光纤折射率(折射率1.5)同等程度，这样发生的反射才能充分小。采用上述办法，每个光纤连接处产生的光损耗就能小于1分贝。　　

　　所谓光变换器阵列，就是把多个光变换器进行均匀分布的光变换器组(图4左)，据此能够把光IC的输入和输出光信号进行多通道化。



　　依据新开发的光耦合技术，如像图5右所示的那样，不仅能直接同光纤阵列进行光耦合，还将实现高效率化，促进光IC多通道化。

　　在日本产业技术综合研究所纳米设备中心，不仅研发出了为长距离通信用的光变换器阵列，就是在比较短距离光互连网用的光变换器阵列，也在积极部署中。