3. 基于PLC技术的光网络器件

第三章基于PLC技术的光网络器件张敏明：[e-mail]万助军：[e-mail]华中科技大学光电学院第三章基于PLC技术的光网络器件3.1PLC技术简介3.2Y分支器3.3定向耦合器3.4多模干涉耦合器3.5热光开关什么是PLC技术？PLC（PlanarLightwaveCircuit，平面光路）―在平面衬底材料上制作芯层/包层波导结构，并以波导构成各种回路或者功能器件。平面光波导材料平面光波导材料材料折射率@1550nm芯层/包层折射率差损耗@1550nm(dB/cm)耦合损耗(dB/端面)LiNbO32.20~0.5%0.51InP3.20~3%35SiO21.450~4%0.050.25SOI3.570%0.10.5Polymer1.3~1.70~35%0.10.1Glass1.450~0.5%0.050.1铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。SiO2/Si光波导工艺1.采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图（b）所示；2.采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图（c）所示；3.通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图（d）所示；4.进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图（e）所示；5.采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图（f）所示；6.去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导上包层，如图（g）所示；7.通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图（h）所示。玻璃光波导工艺1.在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图（b）所示；2.进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图（c）所示；3.采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图（d）所示；4.将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中，在适当的温度下进行离子交换，如图（e）所示，Ag+离子提升折射率，得到如图（f）所示的沟道型光波导；5.对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到掩埋型玻璃光波导，如图（g）所示。第三章基于PLC技术的光网络器件3.1PLC技术简介3.2Y分支器3.3定向耦合器3.4多模干涉耦合器3.5热光开关Y分支器的工作原理辐射辐射奇模1次模Y分支器的分光过程Y分支器的合光过程：同相位Y分支的合光过程：相位差为π基模偶模偶模基模Y分支器的仿真情况基于Y分支器的Mach-Zehnder干涉器两臂光程差为0辐射辐射两臂光程差为π相位控制器仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移0仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移π第三章基于PLC技术的光网络器件3.1PLC技术简介3.2Y分支器3.3定向耦合器3.4多模干涉耦合器3.5热光开关定向耦合器的工作原理耦合区域为5层光波导，最低阶的偶模和奇模具有几乎相等的传播常数，当二者相位差为0时，光能量约束在上面波导中；当二者相位差π时，光能量约束在下面波导中。适当控制波导长度即相位差，即可达到所需分光比。模耦合方程分析得到输出光场与输入光场之间的关系：)()()()(221121zBzAkkjdzzdBdzzdA两个同向传输模式之间的能量交换，以模耦合方程描述：)0()0()sin()cos()sin()sin()sin()cos()()(2112BAKzKjKzKzKKjKzKKjKzKjzezBzAzj两根对称直波导之间的耦合)0()0()cos()sin()sin()cos()()(BAKzKzjKzjKzezBzAzj200212exp1kdaK20222022020212knkn其中：两根对称直波导，传播常数相同，传输特性可简化如下：因此定向耦合器的传输特性可以用如下矩阵来描述：)cos()sin()sin()cos(jj两根非对称直波导之间的耦合zFTzFT2221sinsin1222K12112KF其中：因此两根非对称直波导之间不能达到100％的光耦合。两根非对称直波导的传播常数不同，得到两输出端口的透过率如下：仿真：两根对称直波导之间的光场耦合光场在两根波导之间来回切换仿真：50∶50的定向耦合器第三章基于PLC技术的光网络器件3.1PLC技术简介3.2Y分支器3.3定向耦合器3.4多模干涉耦合器3.5热光开关多模波导中的正交模式vvvinxEaxfxf)()0,()(eWvevdxxExfWa0*)()0,(2其中：在多模波导中传输的是一系列正交模式，波导中的任意光场均可表述为这些模式的叠加：多模波导中的自映像特性10)exp()(1),()(NqqqinoutjxxfCLxfxf各模式独立传输，在输出位置干涉叠加，考虑模式的奇偶特性，并作数学处理之后得到输出光场：上式表示输出光场为输入光场的多个映像，各个映像的位置和相位均不同。NqNqWNNqxqq112其中：多模干涉耦合器MMI（MultimodeInterference，多模干涉）耦合器―任意输入光场，在多模波导中激励起一系列正交模式，各模式独立传输一定长度之后重新干涉叠加，只要适当选择多模波导长度，就可以获得输入光场的一系列自映像，在自映像位置设置输出波导，即可制成MMI耦合器。2W/N2W/N2W/N2W/N2W/N2W/NaaL=3Lc/NN×N多模干涉耦合器1×N和2×N多模干涉耦合器W/2NW/NW/2NW/2W/NW/NW/2L=3Lc/4N1×N多模干涉耦合器W/N2W/NW/3W/3L=Lc/N2×N多模干涉耦合器2W/3N2W/3N仿真：1×2多模干涉耦合器仿真：2×2多模干涉耦合器仿真：1×4多模干涉耦合器仿真：4×4多模干涉耦合器第三章基于PLC技术的光网络器件3.1PLC技术简介3.2Y分支器3.3定向耦合器3.4多模干涉耦合器3.5热光开关基于Y分支器的数字型热光开关在对称型Y分支器中，光能量被平均分配到两臂中；而在非对称Y分支中，光能量主要传向折射率较大的一臂。在对称型Y分支的两臂旁制作电极，通过加热改变波导折射率，即得到非对称Y分支。一般采用热光系数较大的聚合物材料来制作这种热光开关，其热光系数为负，即在一臂加热，折射率降低，光能量传向另一臂。随着驱动功率的增加，被控制的光只会从一个端口输出，而不是在两个端口之间反复切换，因此被称为数字型光开关（DOS）。基于定向耦合器的BOA型热光开关BOA―BifurcationOpticalActive各区域模式特性和转化关系：单模波导―基模；Y分支―偶模和奇模（相当于五层波导）；双模波导―基模和一次模；双模波导中的基模和一次模具有相近的传播常数，因此第二个Y分支中偶模和基模的相位关系取决于双模波导的长度：当相位差为0时，光能量被约束在上面的单模波导中；当相位差为π时，光能量被约束在下面的单模波导中。在双模波导上制作加热电极，通过热光效应控制相位差，即可实现光路的切换。基模偶模奇模基模一次模偶模奇模基模等相位相位差取决于双模波导长度基于MMI耦合器的干涉型热光开关1121jjSMMI)2/sin()2/cos()2/cos()2/sin(swS2/exp002/expjjSMZ+由两个2×2MMI耦合器和一对MZ干涉臂构成，在干涉臂上制作加热电极，通过热光效应来切换光路。