光波導器件研究的新進展

1、光波導技術課程論文題 目：光波導器件研究的最新進展 院 系 武漢光電國家實驗室 專業(yè)班級 碩士01 姓 名 張加凱 學 號 M201572516 2015年10月光波導器件研究的新進展摘要：如今，在這個計算機技術以及通信技術被迅猛發(fā)展的時代，光波導材料與器件作為光通信系統(tǒng)中的必不可少的組成部分，自然得到了人們越來越多的重視和發(fā)展，并且已經(jīng)廣泛的應用與現(xiàn)今的各種光通信系統(tǒng)中了。其中，光開關作為光網(wǎng)絡和數(shù)字光信息處理的核心器件，人們對其的研究可以追溯到上個世紀六十年代。由于新的技術不斷的涌現(xiàn)，使得光開關的集成化和規(guī)?；玫搅舜蟠蟮陌l(fā)展，本文將主要介紹光開關的發(fā)展現(xiàn)狀以及其研究的最新進展。關鍵字：光

2、網(wǎng)絡，機械光開關，電光開關，熱光開關，全光開關1. 光開關概述光開關是一種具有一個或多個可選的傳輸端口并且可以對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的光學器件。1.1光開關的典型應用光開關在光纖通信系統(tǒng)中的應用十分廣泛。它不僅可以用來保護，測試和監(jiān)控光網(wǎng)絡的實時通信情況。還能夠組成個復雜的光器件，例如光交叉連接器（OXC）和光分插復用器（OADM）來完成選擇不同波長的選擇以及復用功能。下面將詳細的介紹：（1）光開關的保護和檢測功能 當光通信網(wǎng)絡出現(xiàn)故障的時候，光開關能將報錯地點的光路切換到備用線路上，從而實現(xiàn)整個光網(wǎng)絡的保護功能。同理，當我用來檢測光網(wǎng)絡時，可以將檢測節(jié)點接入檢

3、測光路實現(xiàn)檢測的目的。（2）光交叉連接（OXC）光開關是組成光交叉連接（OXC）的基本單元。而由光開關陣列構成的OXC具有帶寬管理功能，同時也能對光網(wǎng)絡起到保護和恢復的作用。（3）光分插復用器（OADM）同樣，光分插復用器（OADM）也是又光開關陣列所構成，它可以在光網(wǎng)絡的某一節(jié)點上隨意復用或下載任意波長的光信號。這種強大的功能使其在光通信的復用系統(tǒng)中的應用十分的廣泛。1.2光開關的分類及其現(xiàn)狀如今的主要的光開關根據(jù)其工作原理可以分為機械光型開關，聲光型光開關，熱光型光開關，電光型光開關，全光開關。1.2.1機械型光開關傳統(tǒng)的機械光開關仍是目前應用的最為廣泛的光開關，它通過機械的方法將光纖移動

4、來產(chǎn)生開和關的功能，這種光開關損耗較低，串擾較少，而且還不受偏振和波長的影響，但是由于這種機械的控制方法限制了光開關的體積大小，使得其在器件集成方面受到很大的限制。而后來發(fā)展的微機電系統(tǒng)光開關（MEMS）雖然在尺寸方面優(yōu)化了許多，但是長期使用后機械部分的穩(wěn)定性使其在應用方面得到了限制。1.2.2聲光型光開關和熱光型光開關 聲光型光開關和熱光型光開關分別利用了光波導中的聲光效應和熱光效應改變特定波長的傳輸路徑從而實現(xiàn)“開關”的功能。其中，聲光型光開關由于受到波長對于損耗的影響，在應用方面產(chǎn)生限制。而熱光型光開關則會出現(xiàn)兩個輸出口之間存在明顯串擾的問題，下文也會提到這種串擾的解決方案。1.2.3電

5、光型光開關 電光型光開關則是利用了光波導材料中的電光效應，電吸收效應將光波導做成一個電光調(diào)制器件，通過調(diào)制光波的相位使其振幅也發(fā)生相應的變化，實現(xiàn)光開關的功能。這種開關響應速度快，損耗小，串擾低，并且還十分易于集成。但由于半導體中的載流子壽命的限制，開關時間通常在微秒或亞微秒級別。1.2.4全光開關 全光開關不同于上述光開關用電或熱驅(qū)動，全光開關直接由光驅(qū)動，由于光子之間無法直接相互作用，我們必須采用非線性光學的方法來實現(xiàn)對光的開關控制。然而，直至現(xiàn)在，人們?nèi)詿o法做出實用的全光開關，這方面所遇到的限制及困難將在下文提到。2.光開關的最新進展2.1熱光開關的最新進展 在1.2.2中，我已經(jīng)簡略地

6、介紹了熱光開關的工作原理以及其所受到的限制因素。在這里我將詳細的對其進行介紹。圖2.1 2X2熱光開關示意圖 圖2.1（a）是一個典型的2X2的熱光開關，它再輸入和輸出端分別有兩個50%的耦合器，中間則是由熱點極所構成的相移臂，圖（b）則是該熱點極的結構圖。當光從輸入端進入相移臂時，我們可以通過對熱電極的加熱，使得輸入光的相移產(chǎn)生一個的變化，使其從原本的輸出端口2 改為從輸出端口1輸出。從而實現(xiàn)了光開關的功能。由于在工藝上，我們很難實現(xiàn)兩個輸出端口的完全的分光，所以這種結構的熱光開關在輸出端會產(chǎn)生明顯的串擾。這對這一問題在2010年Shoji Y在OE上發(fā)表了論文，他介紹了一種級聯(lián)4個開關單元

7、的解決方案，使得直通態(tài)的串擾降低到了最低-50dB,交叉態(tài)串擾最低-30dB。而該系統(tǒng)也存在功耗高的問題。下圖則為該級聯(lián)光開關：圖2.2 級聯(lián)式2X2熱光開關示意圖為了解決功耗高的問題，2011年Qing Fang 等人成功研制了將加熱臂懸空的熱光開關設計，這樣就大大的降低了懸空臂上的熱量流失，成功的使得功耗降低。這種熱光開關的功耗僅為0.49nW，響應時間可以達到266us。下圖就是這種將加熱臂虛空的系統(tǒng)的實物圖?？梢杂上聢D的右上角看出，這里的加熱臂是懸空的且兩邊都有溝槽，從而更進一步的節(jié)省了能量。圖2.3懸浮式加熱臂的熱光開關2.2電光開關的研究進展電光開關利用電光效應，通過電場的改變使得

8、材料中的折射率發(fā)生相應的變化，從而可以十分方便的對光在材料中傳播的振幅及方向進行有效的控制，達到光開關的作用。如今的電光開關主要分為兩類：一是基于MZI結構的電光調(diào)制器，其二是數(shù)字型電光開關。圖2.4 MMI-MZI型電光開關上圖為日本富士-施樂公司報道的一種基于MMI結構的2X2電光開關，開關時間僅為6ns。大大的減少了電光開關的響應時間。近年來，半導體材料的數(shù)字型光開關引起了人們的廣泛關注，這是一種用半導體技術構造出來的光開關，通過偏置電流改變載流子濃度，從而使得半導體材料的折射率發(fā)生變化，實現(xiàn)光開關的功能。而硅作為一種良好的半導體材料更是在光電開關這方面?zhèn)涫懿毮?，其原因在于硅材料的等離子

9、色散效應十分的明顯，當載流子濃度變化為1018cm-3時，硅材料的折射率的變化量級已經(jīng)達到了-10-3。而在2011年，Y.Enami等人更是在AIP Advances上發(fā)表了一種新的電光材料，這種開關的結構是在兩個聚合物定向耦合波導簡單相互作用區(qū)間內(nèi)，填入聚合物與溶膠-凝膠的二氧化硅。這樣的結構實現(xiàn)了160pm/V的超高光電系數(shù)，使得電光開關的反應速度進一步加快。其結構圖如下：圖2.5 聚合物與溶膠-凝膠二氧化硅混合波導定向耦合電光開關在2007年，Y.Enami等人更是合成了一種新型的非線性材料，并與2013年對這種材料進行改進從而使其電光系數(shù)達到了220pm/V。他們通過采用聚合物/二氧

10、化鈦的多層夾縫波導結構，取代了高參雜的Si作為電極的結構，成功的改善了帶寬，并且使得插入損耗改善到了13.9dB/cm。2.3全光開關的研究進展 全光開關的原理主要依據(jù)的是半導體材料中的光致折射率效應。這種效應通常由半導體材料中的非線性效應或是光致相變原理等。現(xiàn)今，全光開關的實現(xiàn)方法有以下幾種：（1）非線性光纖光柵非線性光柵有很多種，我們就拿非線性布拉格光柵（FBG）舉例，當泵浦光入射到FBG上時，由于kerr效應導致光纖纖芯的折射率變化，使其反射的光譜發(fā)生偏移，這種偏移會隨著泵浦光的功率而變化，當入射光的波長正好在反射光譜的中心波長的時候，反射光此時最強，透射光相應的最弱，從而實現(xiàn)了光的開關

11、。（2）非線性干涉儀這一類光開關可以根據(jù)光強的變化分為以下三種：強度單路開關、強度空間開關和強度時間開關。而在用非線性干涉儀實現(xiàn)光開關這一領域中，研究的最多的就是空間開關。其原理是入射的強光會使得材料的折射率發(fā)生變化，從而使得兩束傳輸光之間的相位變化，兩者相互干涉會相互加強會相消，這樣就實現(xiàn)了光開關的功能。下圖則為這一類型的幾種全光開關。圖2.6幾種基于非線性干涉儀的全光開關（3）光子晶體波導 光子晶體全光開關的原理如下，當泵浦光入射到光子晶體中，會使得晶體帶隙發(fā)生移動，是探測光波長從帶隙外移動到帶隙內(nèi)；或引起缺陷態(tài)的移動，導致探測光的波長從缺陷態(tài)內(nèi)移動到缺陷態(tài)外。 在2011年的光學快報上，陳鶴鳴和王國棟曾經(jīng)提出一宗基于缺陷模遷移的光子晶體全光開關。這種結構的光子晶體開關消光達到了35dB，閾值為5GW/cm2，響應時間可以達到34.6ps 。下圖則為點、線混合缺陷光子晶體的結構。圖2.7 點、線混合缺陷光子晶體的結構3.結論