燕山大学里仁学 基于光子晶体光学特性的光开关系统设计文献综述

1、燕山大学本科毕业设计(论文文献综述课题名称:基于光子晶体光学特性的光开关系统设计学院(系:里仁学院电气工程系年级专业:10级测控技术与仪器学生姓名:指导教师:完成日期:2014-3-21一、课题国内外现状近年来,光开关的研究与开发采用了很多新技术、新机理和新材料,光开关的规模越来越大,已达到上千乘上千的端口数,切换速度不断提高。随着通信业和网络的发展,出现了多种光开关,主要有热光开关、液晶光开关、电光开关微机械光开关等。在常规的非线性材料中很难实现高效率的传输。但是利用光子晶体却能实现这一目标,在目前的研究中,主要是利用定向耦合波导在两个波导的耦合区域实现光的低损耗传输1,和利用光子晶体谐振腔

2、与波导之间的耦合关系实现快速光开关2。对于光子晶体光开关的研究,是光开关领域的一次新的技术革命,它很有可能为光开关的应用开拓出一片更为广阔的前景。新一代光开关是光交叉连接的核心器件,也是目前开发研究最为深入的无源光电子器件。其应用范围主要有:保护倒换功能;网络监视功能;光器件的测试功能;光信号的上下路功能;网络故障愈合功能。近几年,随着光传送网技术的发展,新型的光开关技术不断出现,矩阵光开关、热光开关、液晶光开关和微机械等光开关在器件技术和集成化方面都取得了很大的突破。未来的光开关对交换速度提出更高的要求(纳秒数量级。大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将在光网络发展中起到更为重要的作用3。

3、二、研究主要成果奥地利维也纳理工大学科学家只用一个铷原子,实现了光在两根玻璃纤维光缆之间的开关互换。这种单原子开关有望将量子现象用于信息与通讯技术。研究小组利用了一种“瓶子共振器”,瓶子凸出的玻璃表面可以捕获光,使光在其中循环传播4。光传输系统供应商MRV基于一定标准的定时和同步能力,通过增加先进的的特性更新了其光开关Carrier Ethernet 2.0,能够让光开关在基于3G的Carrier Ethernet 和4G/LTE移动回程应用中有更好的服务分配。尤其是光开关的OS940-MBH和OS906G-M-MBH模型,如今能够支持精密时间协议(PTP IEEE 1588v2和同步以太网(

4、SyncE。这些新的特性让光开头使用者在提供移动回程时,使用针对1-Gbps和10-Gbps Layer 2 Carrier Ethernet 2.0和IP服务聚合的确保的服务水平协议(SLA。MRV称,新的特点能让光开关服务支持全封装和混合芯片封装回程应用。使用新的光开关,用户将从3GPP的LTE和LTE-A慢慢发展,同步也就变得更具挑战性了。新的光开关模型能支持-40°C到+65°C的温度下在不受控制的温度环境下或者偏远信号塔下进行操作5。EXFOInc宣布与DiCon推出联合开发的MXS-9100矩阵光开关,该产品由EXFO独家供应。DiConFiberoptics的

5、MXS-9100MEMSMxN矩阵光开关针对EXFO的系统和软件控件进行了优化,可让任何M输入光纤完全无障碍地与任何N输出光纤相连6。荷兰特温特大学和法国纳米科学与低温工程研究所的科学家开发出了一种半导体平面微腔开关,实现了1.4THz的重复率开启和关闭操作,速率提高了350倍,研究人员在砷化镓和砷化铝层中构造了空腔,并使用1284.1 nm的探测光测量其谐振频率。实验中,研究小组使用两个由近红外钛宝石激光抽运的光参量放大器,将探测光束和触发光束射入微腔中。触发光束产生电克尔效应,在亚皮秒时间尺度上,改变了空腔材料的折射率。研究人员将触发光束的波长延长到2400nm,以减少空腔内的双光子吸收。

6、据估计,空腔只吸收了百万分之一的入射光。空腔存储时间大约为300fs,决定了开关速率的基本“速率限制”,这种现象不依赖于微腔的几何结构。除了超快片上光子调制,这种新型开关可能会应用于空腔量子电动力学的基础研究,并且,有可能大大提高未来通信系统甚至量子计算机的运行速率7。2012年,Fei等在填充了聚苯乙烯的半导体介质柱光子晶体中利用光子晶体波导与微腔的边耦合实现了全光开关,在80GW/cm2的抽运光下,微腔缺陷模迁移15nm8。2012年美国联合量子研究所的科学家最新研制出迄今能耗最低的一款全光开关。新开关能引导光束从一个方向到达另一个方向,整个过程只需耗费120 ps( 120 万亿分之一秒

7、,而且能耗仅为1×10-18J,其能耗仅为此前日本研制出的全光开关的1/5,是其他全光开关的1/1009。新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University, NTU的研究团队利用纳米级的光子晶体(photonic crystal,首度制造出操作范围为近红外的全光开关(all-optical switch,可望在通讯和消费性电子仪器中找到许多应用10。2007年,冯金顺等用非线性材料作为缺陷层引入光子晶体,对于位于缺陷态附近极窄频率范围内的入射光,通过光子晶体带隙中缺陷态的移动就可以改变其透射率,实现光开关的功能11。北京大学龚旗煌教授、胡小永副教授

8、和他们学生在可见-近红外波段实现微纳集成全光开关的基础上,进一步在光通讯波段实现了低功率、超快速光子晶体全光开关原型器件。论文通过将Bragg共振增强非线性光学效应与强量子局域效应相结合,制备出在光通讯波段具有三阶非线性光学系数和超快时间响应的复合材料,突破了介观光子学器件研究在材料方面所受的限制;利用该复合材料实现了低功率、超快速光子晶体全光开关器件原型:将阈值光功率降低了3个数量级,阈值光强从GW/cm2的量级降低到9MW/cm2,接近实用化的要求;同时保持了24.2ps的超快速时间响应和80%的高开关效率。在此基础上,他们还制备出多组分纳米复合材料,利用缺陷模式的耦合实现了皮秒时间响应的

9、低功率光子晶体全光开关器件原型12中国科学院物理研究所光物理实验室/北京凝聚态物理国家实验室(筹张道中和李志远研究员领导的研究团队2008年利用脉宽为6飞秒的脉冲激光驱动聚苯乙烯非线性光子晶体的带隙移动,实现了响应速度为10飞秒的光开关。2011年提出了双路波导-双共振腔的方案,通过控制微腔的共振频率和泵浦光的功率,可实现各种全光逻辑门器件13三、发展趋势:光子晶体具有光子禁带和光子局域的特性,光子晶体最基本的特征是具有光子带隙,频率落在禁带内的光不能通过14.在完整的光子晶体中去除单个介电柱,则形成了点陷模(Pointmode,若点陷模连续分布则形成线缺陷(Line defect,那么此时原

10、来在完整光子晶体禁带中的光可以沿着线缺陷传播,形成光子晶体波导15由线缺陷形成的光子晶体波导能控制电磁波在光学电路中的传输,这不同于常规的介质波导管16光子晶体波导具有小尺寸的特性,其尺寸可以是波长的数量级,这使得光子晶体波导更适用于光学集成器件的设计17在光子晶体的概念提出之前,一维光子晶体的研究就已经进行了。其制造工艺上已经不存在太大的困难,随着光子晶体概念的引入其研究已经进入了一个崭新的阶段。目前研究的热点主要集中在二维光子晶体的设计上,不断的有人提出基于二维光子晶体的器件结构,以及制造出基于二维光子晶体的器件。在充分考虑到设计和制造能力上二维光子晶体的发展尤为迅速。三维光子晶体的研究目

11、前看来还处于起步的阶段,不过随着三维光子晶体制造技术的突破,三维光子晶体的研究也将逐步成为研究的热点。对于我们所关注的领域,目前发展的目标就是不断完善整个基于光子晶体器件这个体系,实现从光的产生、传输、处理和存储等一系列功能,在此基础上对单个功能器件的性能不断的优化,使得光子晶体器件在光子集成领域有所发展。在光子晶体的发展过程中,可以借鉴半导体发展的过程,时刻与半导体对比发现其相通之处和不同点各自的优点和不足。四、存在问题目前世界上光子晶体光开关在选择材料、透射率、响应时间和能量损耗上都有了比较成熟的理论研究以及一定阶段的实验探索,而且光子晶体光开关在光通信上的优点使它一旦推出市场必定会掀起一

12、场划时代的革命。但是就目前来说,在很多关键技术问题上,包括理论问题以及实验证明上还没有解决。首先,在利用各种形式作为缺陷时,需要具有相当高的实验制备条件,由于制备条件非常高,能够开展实验研究的科研机构以及高校不多,因而限制了在实验中发现以及证明光开关现象的发展,目前许多研究还停留在理论模拟上,限制了光子晶体光开关的向前发展;其次,实践制作的光子晶体光开关的缺陷模的控制模式、品质因数、透射率、响应时间和能量损耗上都很难达到,因而很难推广性的批量性的生产。五、主要参考文献1Ahmed Sharkawy,Shouuan Shi and Dennis W.Prather.Electro-optical

13、 switching using coupled photonic crystal waveguides.OPTICS EXPRESS 1048-1059.2Takasumi Tanabe,Masaya Notomi,et al.All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities. APPLIED PHYSICS LETTERS 87,151112(2005.3 游善红、葛文萍、黄俊上海交通大学光纤技术研究所全光通信网络中的光电子器件发展趋势概述电子工程专辑4 常丽君.科学家研制

14、出单原子光开关系统N科技日报2013-11-30 (25 佚名.MRV为光开关增加了先进的定时和同步性OL讯石光通讯咨询网2013-06-266 佚名. EXFO宣布推出与DiCon联合开发的MXS-9100矩阵光开关OL自动化新闻网 2013-03-16 7 Santucci S C. Proprié té s dynamiques de l'eau et de la solution LiCl-6H2O, é etudié es par diffusion iné lastique du rayonnement synchrotro

15、n et de la lumiè re visibleD. UniversitéJoseph-Fourier-Grenoble I, 2010. 8 Jian-Wei Z, Jing-Qiu L, Zhong-Zhu L, et al. Tunable two-dimensional photonic crystal cavity all-optical switching infiltrated with liquid-crystalJ. 2013. 9 佚名. 美国科学家研制出迄今为止能耗最低的全光开关 N 农业工程 技术(新能源产业 2012(5 10 佚名. 超快光

16、子晶体全光开关登场OL 光电新闻网 2006-12-27 11 Katouf R,KomikadoT,Itoh M,et al.Ultra 一 fast oPtieal switches using l 一 D Polylneric Photoni ccrystalsJ.Photonies and Nanostructures 一 Fundamentalsa nd APPlications.,2007,3(2:116 一 119 12 龚旗煌, 胡小永. 超快速光子晶体全光开关研究J. 北京大学学报: 自然科学版, 2006, 42(1: 11-17. 13 Alex. 非线性光子晶体超 快光开 关最 新进展 OL OFweek 激光网 2014-02-27 14.Yablonovitch E Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronicsJ 1987 15.Wu H Z Realization of ultracompact directional coupler based on photonic crystal waveguides J-量子电子学报 2009(04 16.Yu T B.Wang M H.Jiang X Q C