有源马赫-曾德尔干涉仪，通常称为SOA-MZI（基于SOA的马赫-曾德尔干涉仪），是光信号处理领域中一种用途广泛的器件。其应用包括光开关、波长转换、数字逻辑功能、光信号再生等等。它是一种集成光学器件，其工作原理基于由一系列控制信号控制的波干涉现象。本文将阐述其基本工作原理，并提供一些商业应用实例。.
SOA-MZI 的基本结构和工作原理
图 1 展示了 SOA-MZI 的最一般结构。如图所示，它具有八个光输入/输出端口。这些端口通过一系列 1×2 和 2×2 光波导和耦合器相互连接，其中耦合器负责实现干涉特性。此外，两个主要分支包含两个工作在非线性模式下的半导体光放大器 (SOA)。目前有多种制造方法， 
包括单片制造和混合集成。在单片制造中，通常使用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 工艺在磷化铟 (InP) 衬底上制造 SOA-MZI，该工艺可生长器件的有源区和无源区。在混合集成中，先在二氧化硅衬底上构建包含光波导的平面光路，然后将 SOA 插入其中（图 2）。在后一种情况下，SOA 与波导之间的光对准和耦合至关重要。
在解释了其结构之后，我们现在将讨论SOA-MZI的基本工作原理。假设一个光数据信号施加到输入端口#2。在没有其他信号的情况下，该信号会在2×2输入耦合器中分束，依次经过干涉仪的两个主分支（穿过SOA），并在2×2输出耦合器中重新组合，从端口#7输出。这种现象的解释是，在十字形配置下，两个2×2耦合器都会对光信号引入90°的相位偏移 
，而在直角形配置下则不会引入任何相位偏移。因此，端口#6和#7输出的光信号所经历的相位偏移分别如图3和图4所示。也就是说，在没有其他信号的情况下，输入信号在端口#6处被抵消（0°和180°），而在端口#7处则相位叠加（90°和90°）。
现在假设一个控制信号通过端口#1输入。如果光功率足以通过交叉相位调制 (XPM) 的非线性过程，使通过 SOA1 的信号产生 180° 的相位偏移，则 SOA-MZI 的工作方式将发生反转。此时，信号将在端口 7 处被抵消（180° 和 180°），而在端口 6 处将同相叠加（270° 和 90°）。这样，即可实现脉冲控制光开关的功能（图 1）。因此，只需改变信号类型以及输入输出端口，即可基于此基本原理实现多种附加功能。
商业应用
如前所述，近年来，许多元件制造商在其产品目录中提供了基于 SOA-MZI 的光学器件。
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其中，我们可以重点介绍具有 
光信号再生功能的波长转换器。例如，图 5 展示了来自 CIP（集成光子学中心）的 2R 波长转换器和再生器的照片。该器件可处理 40 Gbit/s 的信号，波长范围为 1530 至 1565 nm。值得注意的是，它所需的开关能量很低。（
如图 5 和图 6 所示，所有制造商的器件都集成了光端口和电端口。电端口用于为 SOA 提供偏置电流，并控制其温度，因为封装内部包含热敏电阻和热电（珀尔帖）冷却器。）
其他应用
虽然SOA-MZI尚未完全进入商业市场，但其其他应用正在研究中，尤其是在光计算领域。具体而言，实验已证明这些器件可用于实现逻辑门和触发器功能。这些功能在数字电子学中广为人知，但在光子学中却并不普及。这主要是因为，迄今为止，光子学仍然缺乏与电子晶体管等效的器件。
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因此，构建光逻辑门需要采用其他 
技术，包括使用SOA-MZI。通过向SOA-MZI的光端口输入适当的数据信号，可以实现一系列基本逻辑功能：或（OR）、与（AND）、异或（XOR）和非（NOT）。
逻辑门的应用数不胜数，但其中一项尤为突出。异或（XOR）逻辑门可用于对数据字进行比较。这在光分组网络中至关重要。在光网络节点上，必须分析数据包头部才能将其路由到相应的输出端口。光异或逻辑门可以直接在光域中将这些头部与参考地址进行比较，而无需将数据包转换为电域。这带来了诸多优势，其中最主要的是缩短了数据包路由时间，从而提高了这些节点的处理容量，甚至可以达到Tbit/s级别。遗憾的是，我们还需要等待几年时间才能实现这一点，不过作为第一步，制造商的产品目录中已经出现了一些关于 SOA-MZI 执行“光逻辑”能力的说明。
弗朗西斯科·拉莫斯·帕斯夸尔，电信工程博士，
瓦伦西亚理工大学正教授。
