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文档简介
《集成平面光波导器件》课程Chapter
12:Optical
Tunable
DevicesOptical
Networks《集成平面光波导器件》课程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)
《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches
Optical
Switch
is
a
switch
that
enablessignals
in
opticalfibers
or
integratedopticalcircuits
(IOCs)
to
be
selectively
switched
fromone
circuit
to
another.《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-SNCPSNCP:
Sub-networkConnection
Protection子网连接保护保护倒换功能:光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生sys1时,利用光开关实现信号迂回路由,从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1×2光开关。wesys2
《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-OXCOXC:optical
cross-connect,光交叉连接OXC主要应用于骨干网,对不同子网的业务进行汇聚和交换。因此,需要对不同端口的业务交换,同时,光开关的使
用使OXC具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能,在光层支持波长路由的配置和动态选路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上,要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-OADMOADM:
OpticalAdd-Drop
Multiplexer
光分插复用器OADM是光网络关键设备之一,通常用于城域网和骨干网。实现OADM光信号上下路的具体方式很多,但大多数情况下
都应用了光开关,主要是2×2光开关,来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用,使OADM能动态配置业务,增强了OADM节
点的灵活性,同时,使得OADM节点能支持保护倒换,当网络出现故障时,节点将故障业务切换到备用路由中,增强了网络的生存能力和网络的保护和恢复能力。
《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-Other
Applications
网络监视功能:使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网络时,只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上(如OTDR),通过光开关的动作,可以实现网络在线监测。光器件的测试:可以将多个待测光器件通过光纤连接,通过1×N光开关,可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降低成本。《集成平面光波导器件》课程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
《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches自由空间光开关(微机械光开关)移动光纤的光开关移动微镜(微透镜,微反射镜)的光开关
定向耦合器型光开关
MZI型光开关
Y分支型光开关光开电光效应光开关偏振旋转型光开关SOA光门型光开关可调谐光开关光波导光开关关全反射型光开关MZI型光开关3dB定向耦合器型光开关热光数字Y分支型光开关声光开关声光可调谐开关其它光开关热光效应光开关
声光效应光开关
液晶光开关《集成平面光波导器件》课程气泡光开关全息光开关非线性光学环路光开关《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-Mechanical
工作原理:通过移动光纤将光直接耦合到输出端或采用棱镜、反
射镜切换光路
特点:偏振无关,插入损耗低、串扰小、光学性能好,体积较大、
开关速度慢浙江大学光电系传统机械光开关的结构示意图
第五章
集成光无源器件11《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-MechanicalV型槽定位导杆定位金属簧片定位压电陶瓷定位浙江大学光电系第五章
集成光无源器件12《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-
MEMS
(Micro
ElectroMechanical
systems)
工作原理:通过磁、静电效应移动或旋转微反射镜,利用这些
微镜片的二维或三维空间运动,将光直接反射到不同的输出端
特点:低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积小、
集成度高、开关速度快
I/O
Fibers
Imaging
Lenses
Reflector
MEMS
2-axis
Tilt
Mirrors
MEMS开关阵列图浙江大学光电系第五章
集成光无源器件13Optical
Switches-
MEMS《集成平面光波导器件》课程《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-
MEMS入射光沟渠
波导入射光微反射镜顶视图波导顶视图可升降悬臂通过光沟渠反射光微反射镜侧面图静电力V=0
侧面图V波导电极
硅衬底PLC波导(a)交叉连接状态电极硅衬底
PLC(a)平行连接状态可升降微反射镜MEMS光开关浙江大学光电系第五章
集成光无源器件15《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-
MEMS出射光取向1取向2微反射镜
输出光纤1入射光出射光光纤微反射镜
输出波导1输入波导
输出光纤2
镜面旋转轴衬底控制信号V入射光
输出波导2硅衬底PLC控制信号
出射光可旋转微反射镜MEMS光开关可立卧微反射镜MEMS光开关浙江大学光电系第五章
集成光无源器件16Optical
Switches-MEMS《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-MEMS
机电光开关的优点:
结构简单;
插入损耗低(<2dB);
消光比高(>60dB);
隔离度好(>45dB);
而且不受偏振和波长的影响。
机电光开关的缺点:
×开关时间较长,一般为1ms-0.1ms数量级;
×开关结构有移动部分,因而开关寿命有限和重复性较
差,有的还存在着回跳抖动等问题。《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-PLCS相互作用
效应现象功能典型的波导材料电场-光电光效应折射率变化振幅/相位调制,光路切换,模变换Ti扩散LiNbO3声波-光声光效应折射率变化偏振,衍射,
Ti扩散,
LiNbO3/As2S3模变换磁场-光热-光磁光效应热光效应偏振波面旋转折射率变化非互易性振幅/相位调YIG膜普通材料制光-光非线性效应感应极化参量放大Ti扩散LiNbO319
Optical
Switches-EO
effect电光开关的原理一般是利用材料的电光效应,在电场作用下改变材料的折射率和光的相位。
电光效应:电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3),导致晶体折射率发生变化,引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化
n与外加电场E有着复杂的关系,可近似地认为
n与(r
E
+R
E
2)成正比。普科尔(Pockels)效应:晶体折射率
与外加电场幅度成线形变化克尔(Kerr)效应:晶体折射率与外
加电场幅度的平方成比例变化《集成平面光波导器件》课程电光开关/调制器主要利用普科尔(Pockels)效应.《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-EO
effect
电光效应引起的折射率变化量,其大小取决于电光学常数和施加电场的强度e
zr33n3Ee
ne
3
z
no
r
13noEe1212-3在LiNbO3晶体中,r33是最大的电光学常数最大击穿电场~10V/
m,此时△n=1.6
×10
+Ea--
控制信号V
t
共平面条形电极控制信号
V
t
偏振光输入DCABtt输出
输出光LiNbO3Ti
-
LiNbO3
波导21(a)定向耦合器型光开关(b)
M-Z干涉仪型光开关PA
Optical
Switches-Directional
Coupler
x
耦合波导
nA
nBA
d
BnsBA光输入
PA
0
PB
L0
PA
L0
zPB
L0
/PA
0
100%
3
/
L0
βxEzPB
z
L0
EA
EBnA
=nB
>nszE
0两个沿z方向紧密耦合波导的顶视图,
光场从A开始,逐渐耦合进B波导,在z=L0处所有的光已转移到B波导光波通过距离L后,从波导A到波导B的传输功率比值与相位失配的关系,由外加的电压V控制22《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-Directional
CouplerTi
-
LiNbO3
波导光纤调制信号
V
t
输出-AB电极L0-dV
t
电极EaA
+BLiNbO3nAnB光输入LiNbO3耦合波导
在定向耦合器的两个波导上设置电极,并施加电压,耦合器的两个波导内产生大小相等,方向相反的电场一个传播常数增加,一个传播常数减小23
0,
2v
1
(v
0,1,2,...)
L
L
(v
1,2,...)2v
《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-Directional
Coupler直通态z=0z=
L
+耦合区
LLc2
2
Lc
波导
1
波导
2
V=0,
交叉态输出:V=V0,直通态输出:
L
-
3电光定向耦合器的响应曲线
2
24
交叉态即
3
时,实现开关功能
LcOptical
Switches-MZI由两个3dB耦合器DC1,DC2及带有电极的两个干涉臂L1,L2构成252
2
n3
VL
0
0d
《集成平面光波导器件》课程
Optical
Switches-MZI
EO波导臂上产生的折射率变化
1
3
1
3
V
2
2
d
对于对称型M-Z干涉仪,L1=L2=L,两臂的相位差为
(2
n)L
令
=
时的电压为半波电压
2n3
L浙江大学光电系
V
V
第五章
集成光无源器件26
A
1e
i2
l
e
i
1
i(e
i
1)
Optical
Switches-MZI
EO设①端输入光的振幅为A1,从③、④端输出的信号的振幅为A3、A4,利用耦合器的传输方程,可得
12
A3
A4
③、④端的透过率为
sin
(
)
2V
2V
不加电压时,V=0,T3=0,T4=1;加半波电压V
时,T3=1,T4=0,实现了开关作
用。
27
P
2
P
P
cos2
2
2
nL
a
TL设
0B
2aL
T
T
P
PP
4
1cos
P
3
1sin
L对
0
0.8
8《集成平面光波导器件》课程321Optical
Switches-MZI
TO
P
1sin
2
Cr薄膜加热器
A
4
0
0
3
2
T0
2
2
加热W薄膜薄膜(a)
俯视图
2
T0
2
T0
1.0B波导
A波导相输出功
0.6率
Si衬底(b)
截面图00.51.000.40.2浙江大学光电系第五章
集成光无源器件28
热驱动功率(W)(c)2x2热电光开关响应曲线Optical
Switches-MZI
TO《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches-MZI
TOIEEE
Photon.Tech.Lett.,
21(1),
2009《集成平面光波导器件》课程
Optical
Switches-Y-branch
TO
对于Y分支,不加热时,主臂的有效折
射率大于支臂,光从主臂通过,当对支
臂加热时,其折射率增大,光束从支臂
通过
对于X分支,不加热时,主臂的有效折
射率大于支臂,光束1,2分别通过支臂
和主臂,当对支臂加热时,其折射率增
大,光束1,2实现通路交换数字式:当输入电压变化时,输出光强呈阶跃特性31Optical
Switches-TIR
EO32Optical
Switches-TIR
bubble
工作原理:利用了气泡(镜面)对光反射的原理,当入射光照入并要求交换时,一个热敏硅片会在液体中产生一个气泡,气泡将光从入射波导全反射到输出波导特点:开关速度为ms量级,插损低、串扰小,具有较好的可扩展性喷墨气泡热光开关模块33Optical
Switches-AO
工作原理:利用声光效应,即声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期性变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数等于声波波长,因而能提供一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段声光开关原理示意图34Optical
Switches《集成平面光波导器件》课程Optical
Switches《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filters《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
FiltersOptical
Tunable
Filters
=
Optical
Filters
(Thin
Film,
Bragg
Grating,
MZI,
MRR,
etc.)
+
Tuning
Effect
(EO,
TO,
AO,
etc.)
《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filters《集成平面光波导器件》课程39Optical
Tunable
Filters-MEMS《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filters-MEMS《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filters-FP《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filters-FP《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filters-MEMS《集成平面光波导器件》课程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
《集成平面光波导器件》课程2013/10/2345Optical
Tunable
Filter-MRR《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filter-MRR+LCT.
Cai,
et
al.,
Appl.
Phys.
Lett.
97,121109
2010
《集成平面光波导器件》课程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《集成平面光波导器件》课程2013/10/2348
FSR
1FSRTf
腔1f
腔2f
级联腔Optical
Tunable
Filter-MRRR1=
10
um
and
R2=
12
umthe
filter
wavelength
can
be
tuned
to
coverone
FSR
of
47
nm《集成平面光波导器件》课程2013/10/2349Optical
Tunable
Filter-MRR《集成平面光波导器件》课程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:《集成平面光波导器件》课程
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
《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filter-MZI
Wavelengthshiftvs.Power•••Power
is
applied
to
the
top
armsFiltering
band
redshiftsTuning
efficiency
0.17
nm/mW《集成平面光波导器件》课程Optical
Tunable
Filter-PhC《集成平面光波导器件》课程IEEE
Photon.Tech.Lett.
16(6),
2004.Variable
Optical
Attenuator
(VOA)《集成平面光波导器件》课程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《集成平面光波导器件》课程VOA-Neutral
Density
Filters步进式可调光衰减器(0,10,
20,30,40,50dB衰减片可选)连续可调光衰减器(步进衰减片+0-15dB连续可调光衰减片)平移式可调光衰减器(连续可调光衰减片)《集成平面光波导器件》课程VOA-
MEMS《集成平面光波导器件》课程VOA-
MEMS
Cornel
Marxer,
PTL,
VOL.
11,
1999《集成平面光波导器件》课程VOA-
MEMS《集成平面光波导器件》课程Chengkuo
Lee,
Microsyst
Technol,2007VOA-
MEMS《集成平面光波导器件》课程VOA-
MEMSKeiji
Isamoto,
JQE
VOL.10.
2004
《集成平面光波导器件》课程VOA-PLCs
MEMS
VOA
Advantage:
large
bandwidth,
low
PDL,
PML,low
power
PLC
VOA:
small
size,
low
cost,
system(MUX/DEMUXVOA,
ROADM
VOA)《集成平面光波导器件》课程VOA-Single
waveguide
based
on
EO
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