集成平面光波导器件 - 光导器件概述_第1页
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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

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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