集成平面光波導(dǎo)器件 - 光導(dǎo)器件概述

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Chapter

12:Optical

Tunable

DevicesOptical

Networks《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Devices

(Space

Tunable)Optical

Switches

MEMS

PLCs

(EO/TO/AO)

Optical

Tunable

Filter

(Wavelength

Tunable)

thin

film

filter

MEMS

PLCs

(Ring

Resonator,

MZI,

PhCs)VOA

(Power

Tunable)

MEMs

PLCs(Absorption/TO)

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches

Optical

Switch

is

a

switch

that

enablessignals

in

opticalfibers

or

integratedopticalcircuits

(IOCs)

to

be

selectively

switched

fromone

circuit

to

another.《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-SNCPSNCP:

Sub-networkConnection

Protection子網(wǎng)連接保護保護倒換功能：光開關(guān)通常用于網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)。當(dāng)光纖斷裂或其他傳輸故障發(fā)生sys1時，利用光開關(guān)實現(xiàn)信號迂回路由，從主路由切換到備用路由上。這種保護通常只需要最簡單的1×2光開關(guān)。wesys2

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-OXCOXC:optical

cross-connect，光交叉連接OXC主要應(yīng)用于骨干網(wǎng)，對不同子網(wǎng)的業(yè)務(wù)進行匯聚和交換。因此，需要對不同端口的業(yè)務(wù)交換，同時，光開關(guān)的使

用使OXC具有動態(tài)配置交換業(yè)務(wù)和支持保護倒換功能，在光層支持波長路由的配置和動態(tài)選路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分復(fù)用光骨干網(wǎng)上，要求光開關(guān)具有透明性、高速、大容量和多粒度交換的特點。《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-OADMOADM:

OpticalAdd-Drop

Multiplexer

光分插復(fù)用器OADM是光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備之一，通常用于城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)。實現(xiàn)OADM光信號上下路的具體方式很多，但大多數(shù)情況下

都應(yīng)用了光開關(guān)，主要是2×2光開關(guān)，來實現(xiàn)對密集波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中光信號的上下路功能。由于光開關(guān)的使用，使OADM能動態(tài)配置業(yè)務(wù)，增強了OADM節(jié)

點的靈活性，同時，使得OADM節(jié)點能支持保護倒換，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，節(jié)點將故障業(yè)務(wù)切換到備用路由中，增強了網(wǎng)絡(luò)的生存能力和網(wǎng)絡(luò)的保護和恢復(fù)能力。

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-Other

Applications

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能：使用簡單的1×N光開關(guān)可以將多纖聯(lián)系起來。當(dāng)需要監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)時，只需在遠端監(jiān)測點將多纖經(jīng)光開關(guān)連接到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀器上（如OTDR），通過光開關(guān)的動作，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測。光器件的測試：可以將多個待測光器件通過光纖連接，通過1×N光開關(guān)，可以通過監(jiān)測光開關(guān)的每個通道信號來測試器件。光傳感系統(tǒng):空分復(fù)用的光纖傳感系統(tǒng),節(jié)約解調(diào)系統(tǒng),降低成本?！都善矫婀獠▽?dǎo)器件》課程Optical

Switches

Important

parametersa.b.c.d.e.f.g.h.Number

of

portsSwitching

timeThe

insertion

lossThe

crosstalkPolarization-dependent

lossLatching

(maintaining

its

switch

state)Monitoring

capabilityReliability

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches自由空間光開關(guān)(微機械光開關(guān))移動光纖的光開關(guān)移動微鏡（微透鏡，微反射鏡）的光開關(guān)

定向耦合器型光開關(guān)

MZI型光開關(guān)

Y分支型光開關(guān)光開電光效應(yīng)光開關(guān)偏振旋轉(zhuǎn)型光開關(guān)SOA光門型光開關(guān)可調(diào)諧光開關(guān)光波導(dǎo)光開關(guān)關(guān)全反射型光開關(guān)MZI型光開關(guān)3dB定向耦合器型光開關(guān)熱光數(shù)字Y分支型光開關(guān)聲光開關(guān)聲光可調(diào)諧開關(guān)其它光開關(guān)熱光效應(yīng)光開關(guān)

聲光效應(yīng)光開關(guān)

液晶光開關(guān)《集成平面光波導(dǎo)器件》課程氣泡光開關(guān)全息光開關(guān)非線性光學(xué)環(huán)路光開關(guān)《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-Mechanical

工作原理：通過移動光纖將光直接耦合到輸出端或采用棱鏡、反

射鏡切換光路

特點：偏振無關(guān)，插入損耗低、串?dāng)_小、光學(xué)性能好，體積較大、

開關(guān)速度慢浙江大學(xué)光電系傳統(tǒng)機械光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖

第五章

集成光無源器件11《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-MechanicalV型槽定位導(dǎo)桿定位金屬簧片定位壓電陶瓷定位浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無源器件12《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-

MEMS

(Micro

ElectroMechanical

systems)

工作原理：通過磁、靜電效應(yīng)移動或旋轉(zhuǎn)微反射鏡，利用這些

微鏡片的二維或三維空間運動，將光直接反射到不同的輸出端

特點：低損耗、低串?dāng)_、低偏振敏感性、高消光比、體積小、

集成度高、開關(guān)速度快

I/O

Fibers

Imaging

Lenses

Reflector

MEMS

2-axis

Tilt

Mirrors

MEMS開關(guān)陣列圖浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無源器件13Optical

Switches-

MEMS《集成平面光波導(dǎo)器件》課程《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-

MEMS入射光溝渠

波導(dǎo)入射光微反射鏡頂視圖波導(dǎo)頂視圖可升降懸臂通過光溝渠反射光微反射鏡側(cè)面圖靜電力V=0

側(cè)面圖V波導(dǎo)電極

硅襯底PLC波導(dǎo)（a）交叉連接狀態(tài)電極硅襯底

PLC（a）平行連接狀態(tài)可升降微反射鏡MEMS光開關(guān)浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無源器件15《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-

MEMS出射光取向1取向2微反射鏡

輸出光纖1入射光出射光光纖微反射鏡

輸出波導(dǎo)1輸入波導(dǎo)

輸出光纖2

鏡面旋轉(zhuǎn)軸襯底控制信號V入射光

輸出波導(dǎo)2硅襯底PLC控制信號

出射光可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開關(guān)可立臥微反射鏡MEMS光開關(guān)浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無源器件16Optical

Switches-MEMS《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-MEMS

機電光開關(guān)的優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單；

插入損耗低(<2dB)；

消光比高(>60dB)；

隔離度好（>45dB）；

而且不受偏振和波長的影響。

機電光開關(guān)的缺點：

×開關(guān)時間較長，一般為1ms-0.1ms數(shù)量級；

×開關(guān)結(jié)構(gòu)有移動部分，因而開關(guān)壽命有限和重復(fù)性較

差，有的還存在著回跳抖動等問題?！都善矫婀獠▽?dǎo)器件》課程Optical

Switches-PLCS相互作用

效應(yīng)現(xiàn)象功能典型的波導(dǎo)材料電場-光電光效應(yīng)折射率變化振幅/相位調(diào)制，光路切換，模變換Ti擴散LiNbO3聲波-光聲光效應(yīng)折射率變化偏振，衍射，

Ti擴散，

LiNbO3/As2S3模變換磁場-光熱-光磁光效應(yīng)熱光效應(yīng)偏振波面旋轉(zhuǎn)折射率變化非互易性振幅/相位調(diào)YIG膜普通材料制光-光非線性效應(yīng)感應(yīng)極化參量放大Ti擴散LiNbO319

Optical

Switches-EO

effect電光開關(guān)的原理一般是利用材料的電光效應(yīng)，在電場作用下改變材料的折射率和光的相位。

電光效應(yīng)：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3)，導(dǎo)致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化。折射率變化

n與外加電場E有著復(fù)雜的關(guān)系，可近似地認為

n與(r

E

+R

E

2)成正比。普科爾(Pockels)效應(yīng)：晶體折射率

與外加電場幅度成線形變化克爾(Kerr)效應(yīng)：晶體折射率與外

加電場幅度的平方成比例變化《集成平面光波導(dǎo)器件》課程電光開關(guān)/調(diào)制器主要利用普科爾(Pockels)效應(yīng).《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-EO

effect

電光效應(yīng)引起的折射率變化量，其大小取決于電光學(xué)常數(shù)和施加電場的強度e

zr33n3Ee

ne

3

z

no

r

13noEe1212-3在LiNbO3晶體中，r33是最大的電光學(xué)常數(shù)最大擊穿電場~10V/

m，此時△n=1.6

×10

+Ea--

控制信號V

t

共平面條形電極控制信號

V

t

偏振光輸入DCABtt輸出

輸出光LiNbO3Ti

-

LiNbO3

波導(dǎo)21(a)定向耦合器型光開關(guān)(b)

M-Z干涉儀型光開關(guān)PA

Optical

Switches-Directional

Coupler

x

耦合波導(dǎo)

nA

nBA

d

BnsBA光輸入

PA

0

PB

L0

PA

L0

zPB

L0

/PA

0

100%

3

/

L0

βxEzPB

z

L0

EA

EBnA

=nB

>nszE

0兩個沿z方向緊密耦合波導(dǎo)的頂視圖，

光場從A開始，逐漸耦合進B波導(dǎo)，在z=L0處所有的光已轉(zhuǎn)移到B波導(dǎo)光波通過距離L后，從波導(dǎo)A到波導(dǎo)B的傳輸功率比值與相位失配的關(guān)系，由外加的電壓V控制22《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-Directional

CouplerTi

-

LiNbO3

波導(dǎo)光纖調(diào)制信號

V

t

輸出-AB電極L0-dV

t

電極EaA

+BLiNbO3nAnB光輸入LiNbO3耦合波導(dǎo)

在定向耦合器的兩個波導(dǎo)上設(shè)置電極，并施加電壓，耦合器的兩個波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生大小相等，方向相反的電場一個傳播常數(shù)增加，一個傳播常數(shù)減小23

0,

2v

1

(v

0,1,2,...)

L

L

(v

1,2,...)2v

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-Directional

Coupler直通態(tài)z=0z=

L

+耦合區(qū)

LLc2

2

Lc

波導(dǎo)

1

波導(dǎo)

2

V=0,

交叉態(tài)輸出：V=V0,直通態(tài)輸出：

L

-

3電光定向耦合器的響應(yīng)曲線

2

24

交叉態(tài)即

3

時，實現(xiàn)開關(guān)功能

LcOptical

Switches-MZI由兩個3dB耦合器DC1，DC2及帶有電極的兩個干涉臂L1，L2構(gòu)成252

2

n3

VL

0

0d

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程

Optical

Switches-MZI

EO波導(dǎo)臂上產(chǎn)生的折射率變化

1

3

1

3

V

2

2

d

對于對稱型M-Z干涉儀，L1=L2=L，兩臂的相位差為

（2

n）L

令

＝

時的電壓為半波電壓

2n3

L浙江大學(xué)光電系

V

V

第五章

集成光無源器件26

A

1e

i2

l

e

i

1

i(e

i

1)

Optical

Switches-MZI

EO設(shè)①端輸入光的振幅為A1,從③、④端輸出的信號的振幅為A3、A4,利用耦合器的傳輸方程，可得

12

A3

A4

③、④端的透過率為

sin

(

)

2V

2V

不加電壓時，V=0，T3=0，T4=1；加半波電壓V

時，T3=1,T4=0，實現(xiàn)了開關(guān)作

用。

27

P

2

P

P

cos2

2

2

nL

a

TL設(shè)

0B

2aL

T

T

P

PP

4

1cos

P

3

1sin

L對

0

0.8

8《集成平面光波導(dǎo)器件》課程321Optical

Switches-MZI

TO

P

1sin

2

Cr薄膜加熱器

A

4

0

0

3

2

T0

2

2

加熱W薄膜薄膜(a)

俯視圖

2

T0

2

T0

1.0B波導(dǎo)

A波導(dǎo)相輸出功

0.6率

Si襯底(b)

截面圖00.51.000.40.2浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無源器件28

熱驅(qū)動功率（W）（c）2x2熱電光開關(guān)響應(yīng)曲線Optical

Switches-MZI

TO《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches-MZI

TOIEEE

Photon.Tech.Lett.,

21(1),

2009《集成平面光波導(dǎo)器件》課程

Optical

Switches-Y-branch

TO

對于Y分支，不加熱時，主臂的有效折

射率大于支臂，光從主臂通過，當(dāng)對支

臂加熱時，其折射率增大，光束從支臂

通過

對于X分支，不加熱時，主臂的有效折

射率大于支臂，光束1，2分別通過支臂

和主臂，當(dāng)對支臂加熱時，其折射率增

大，光束1，2實現(xiàn)通路交換數(shù)字式：當(dāng)輸入電壓變化時，輸出光強呈階躍特性31Optical

Switches-TIR

EO32Optical

Switches-TIR

bubble

工作原理：利用了氣泡（鏡面）對光反射的原理，當(dāng)入射光照入并要求交換時，一個熱敏硅片會在液體中產(chǎn)生一個氣泡，氣泡將光從入射波導(dǎo)全反射到輸出波導(dǎo)特點：開關(guān)速度為ms量級，插損低、串?dāng)_小，具有較好的可擴展性噴墨氣泡熱光開關(guān)模塊33Optical

Switches-AO

工作原理：利用聲光效應(yīng)，即聲波在某些介質(zhì)中傳播時，該介質(zhì)會產(chǎn)生與聲波信號相應(yīng)的、隨時間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期性變化，形成等效的位相光柵，其光柵常數(shù)等于聲波波長，因而能提供一種方便地控制光的強度、頻率和傳播方向的手段聲光開關(guān)原理示意圖34Optical

Switches《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Switches《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filters《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

FiltersOptical

Tunable

Filters

=

Optical

Filters

(Thin

Film,

Bragg

Grating,

MZI,

MRR,

etc.)

+

Tuning

Effect

(EO,

TO,

AO,

etc.)

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filters《集成平面光波導(dǎo)器件》課程39Optical

Tunable

Filters-MEMS《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filters-MEMS《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filters-FP《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filters-FP《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filters-MEMS《集成平面光波導(dǎo)器件》課程E

2

r1

r2ae

i

t1

2

t

ae

2R(

)

Optical

Tunable

Filter-MRR

E4

r

it

E3

it

r1Through:

Drop:1

(

)

E

1

1

rr2ae

i

i

E5

E1

1

rr2aei

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程2013/10/2345Optical

Tunable

Filter-MRR《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filter-MRR+LCT.

Cai,

et

al.,

Appl.

Phys.

Lett.

97,121109

2010

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程FSR2Optical

Tunable

Filter-MRR

FSR

extended

=

m1FSR1=

m2FSR2To

get

the

maximum

FSR

expansion

and

maximum

suppressionof

the

interstitial

peaks:

m2

=

m1

?1

Tunable

Vernier

Microring

Optical

Filters

Using

p-i-p

Resistor-Based

Micro-Heaters《集成平面光波導(dǎo)器件》課程2013/10/2348

FSR

1FSRTf

腔1f

腔2f

級聯(lián)腔Optical

Tunable

Filter-MRRR1=

10

um

and

R2=

12

umthe

filter

wavelength

can

be

tuned

to

coverone

FSR

of

47

nm《集成平面光波導(dǎo)器件》課程2013/10/2349Optical

Tunable

Filter-MRR《集成平面光波導(dǎo)器件》課程2013/10/23502

neff1

neff

2

T

T

TInput

BarCrossOptical

Tunable

Filter-MZI

W1,

L1

W2,

L2Asymmetric

MZI:2

neff

1L1

nneff

2L2

Phase

difference:

filter

central

wavelength

L1

L2

TTemperature-induced

phasedifference:

Athermal

condition:《集成平面光波導(dǎo)器件》課程

0Bar

Optical

Tunable

Filter-MZI

Microscope

image

of

the

lattice

filterInputW1

=

350

nm,

L1

=

106.44

μm

W2

=

500

nm,

L2

=

100

μm

Crossgap

=250

nm

?

10

cascaded

MZIs

?

standard

CMOS

fabrication

process

?

inverse

tapers

with

a

tip

width

of

180

nm

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filter-MZI

Wavelengthshiftvs.Power???Power

is

applied

to

the

top

armsFiltering

band

redshiftsTuning

efficiency

0.17

nm/mW《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Optical

Tunable

Filter-PhC《集成平面光波導(dǎo)器件》課程IEEE

Photon.Tech.Lett.

16(6),

2004.Variable

Optical

Attenuator

(VOA)《集成平面光波導(dǎo)器件》課程al

atten

opticanuatorVOA

Fixed

optical

attenuator

and

variable

optical

attenuator(VOA)

VOA

With

moving

parts

(MEMS

VOA

)

Distributed

VOA

and

integrated-VOA

VOA

without

moving

parts

(PLC

VOA)

MUX/DEMUX

VOA,

ROADM

VOA《集成平面光波導(dǎo)器件》課程VOA-Neutral

Density

Filters步進式可調(diào)光衰減器（0,10,

20,30,40,50dB衰減片可選）連續(xù)可調(diào)光衰減器（步進衰減片+0-15dB連續(xù)可調(diào)光衰減片）平移式可調(diào)光衰減器（連續(xù)可調(diào)光衰減片）《集成平面光波導(dǎo)器件》課程VOA-

MEMS《集成平面光波導(dǎo)器件》課程VOA-

MEMS

Cornel

Marxer,

PTL,

VOL.

11,

1999《集成平面光波導(dǎo)器件》課程VOA-

MEMS《集成平面光波導(dǎo)器件》課程Chengkuo

Lee,

Microsyst

Technol,2007VOA-

MEMS《集成平面光波導(dǎo)器件》課程VOA-

MEMSKeiji

Isamoto,

JQE

VOL.10.

2004

《集成平面光波導(dǎo)器件》課程VOA-PLCs

MEMS

VOA

Advantage:

large

bandwidth,

low

PDL,

PML,low

power

PLC

VOA:

small

size,

low

cost,

system(MUX/DEMUXVOA,

ROADM

VOA)《集成平面光波導(dǎo)器件》課程VOA-Single

waveguide

based

on

EO