3-基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件課件

第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件張敏明：mmz@萬助軍：zhujun.wan@華中科技大學(xué)光電學(xué)院第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件張敏明：mmz@hust.第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

32什么是PLC技術(shù)？PLC（PlanarLightwaveCircuit，平面光路）―在平面襯底材料上制作芯層/包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并以波導(dǎo)構(gòu)成各種回路或者功能器件。什么是PLC技術(shù)？PLC（PlanarLightwave3平面光波導(dǎo)材料平面光波導(dǎo)材料4平面光波導(dǎo)材料材料折射率@1550nm芯層/包層折射率差損耗@1550nm(dB/cm)耦合損耗(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鈮酸鋰波導(dǎo)是通過在鈮酸鋰晶體上擴(kuò)散Ti離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴(kuò)散型。InP波導(dǎo)以InP為稱底和下包層，以InGaAsP為芯層，以InP或者InP/空氣為上包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波導(dǎo)以硅片為稱底，以不同摻雜的SiO2材料為芯層和包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。SOI波導(dǎo)是在SOI基片上制作，稱底、下包層、芯層和上包層材料分別為Si、SiO2、Si和空氣，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊形。聚合物波導(dǎo)以硅片為稱底，以不同摻雜濃度的Polymer材料為芯層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。玻璃波導(dǎo)是通過在玻璃材料上擴(kuò)散Ag離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴(kuò)散型。平面光波導(dǎo)材料材料折射率芯層/包層損耗@1550nm耦合損耗5SiO2/Si光波導(dǎo)工藝采用火焰水解法（FHD）或者化學(xué)氣相淀積工藝（CVD），在硅片上生長一層SiO2，其中摻雜磷、硼離子，作為波導(dǎo)下包層，如圖（b）所示；采用FHD或者CVD工藝，在下包層上再生長一層SiO2，作為波導(dǎo)芯層，其中摻雜鍺離子，獲得需要的折射率差，如圖（c）所示；通過退火硬化工藝，使前面生長的兩層SiO2變得致密均勻，如圖（d）所示；進(jìn)行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護(hù)起來，如圖（e）所示；采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝，將非波導(dǎo)區(qū)域刻蝕掉，如圖（f）所示；去掉光刻膠，采用FHD或者CVD工藝，在波導(dǎo)芯層上再覆蓋一層SiO2，其中摻雜磷、硼離子，作為波導(dǎo)上包層，如圖（g）所示；通過退火硬化工藝，使上包層SiO2變得致密均勻，如圖（h）所示。SiO2/Si光波導(dǎo)工藝采用火焰水解法（FHD）或者化學(xué)氣相6玻璃光波導(dǎo)工藝在玻璃基片上濺射一層鋁，作為離子交換時(shí)的掩模層，如圖（b）所示；進(jìn)行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護(hù)起來，如圖（c）所示；采用化學(xué)腐蝕，將波導(dǎo)上部的鋁膜去掉，如圖（d）所示；將做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+離子的混合溶液中，在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行離子交換，如圖（e）所示，Ag+離子提升折射率，得到如圖（f）所示的溝道型光波導(dǎo)；對(duì)溝道型光波導(dǎo)施以電場(chǎng)，將Ag+離子驅(qū)向玻璃基片深處，得到掩埋型玻璃光波導(dǎo)，如圖（g）所示。玻璃光波導(dǎo)工藝在玻璃基片上濺射一層鋁，作為離子交換時(shí)的掩模層7第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

38Y分支器的工作原理輻射輻射奇模1次模Y分支器的分光過程Y分支器的合光過程：同相位Y分支的合光過程：相位差為π基模偶模偶?；分支器的工作原理輻射輻射奇模1次模Y分支器的分光過程Y分支9Y分支器的仿真情況Y分支器的仿真情況10基于Y分支器的Mach-Zehnder干涉器兩臂光程差為0輻射輻射兩臂光程差為π相位控制器基于Y分支器的Mach-Zehnder干涉器兩臂光程差為0輻11仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移0仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移012仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移π仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移π13第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

314定向耦合器的工作原理耦合區(qū)域?yàn)?層光波導(dǎo)，最低階的偶模和奇模具有幾乎相等的傳播常數(shù)，當(dāng)二者相位差為0時(shí)，光能量約束在上面波導(dǎo)中；當(dāng)二者相位差π時(shí)，光能量約束在下面波導(dǎo)中。適當(dāng)控制波導(dǎo)長度即相位差，即可達(dá)到所需分光比。定向耦合器的工作原理耦合區(qū)域?yàn)?層光波導(dǎo)，最低階的偶模和奇模15模耦合方程分析得到輸出光場(chǎng)與輸入光場(chǎng)之間的關(guān)系：兩個(gè)同向傳輸模式之間的能量交換，以模耦合方程描述：模耦合方程分析得到輸出光場(chǎng)與輸入光場(chǎng)之間的關(guān)系：兩個(gè)同向傳輸16兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的耦合其中：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)，傳播常數(shù)相同，傳輸特性可簡(jiǎn)化如下：因此定向耦合器的傳輸特性可以用如下矩陣來描述：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的耦合其中：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)，傳播常數(shù)相同，17兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)之間的耦合其中：因此兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)之間不能達(dá)到100％的光耦合。兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)的傳播常數(shù)不同，得到兩輸出端口的透過率如下：兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)之間的耦合其中：因此兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)之間不能18仿真：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的光場(chǎng)耦合光場(chǎng)在兩根波導(dǎo)之間來回切換仿真：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的光場(chǎng)耦合光場(chǎng)在兩根波導(dǎo)之間來回切換19仿真：50∶50的定向耦合器仿真：50∶50的定向耦合器20第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

321多模波導(dǎo)中的正交模式其中：在多模波導(dǎo)中傳輸?shù)氖且幌盗姓荒Ｊ?，波?dǎo)中的任意光場(chǎng)均可表述為這些模式的疊加：多模波導(dǎo)中的正交模式其中：在多模波導(dǎo)中傳輸?shù)氖且幌盗姓荒Ｊ?2多模波導(dǎo)中的自映像特性各模式獨(dú)立傳輸，在輸出位置干涉疊加，考慮模式的奇偶特性，并作數(shù)學(xué)處理之后得到輸出光場(chǎng)：上式表示輸出光場(chǎng)為輸入光場(chǎng)的多個(gè)映像，各個(gè)映像的位置和相位均不同。其中：多模波導(dǎo)中的自映像特性各模式獨(dú)立傳輸，在輸出位置干涉疊加，考23多模干涉耦合器MMI（MultimodeInterference，多模干涉）耦合器―任意輸入光場(chǎng)，在多模波導(dǎo)中激勵(lì)起一系列正交模式，各模式獨(dú)立傳輸一定長度之后重新干涉疊加，只要適當(dāng)選擇多模波導(dǎo)長度，就可以獲得輸入光場(chǎng)的一系列自映像，在自映像位置設(shè)置輸出波導(dǎo)，即可制成MMI耦合器。2W/N2W/N2W/N2W/N2W/N2W/NaaL=3Lc/NN×N多模干涉耦合器多模干涉耦合器MMI（MultimodeInterfere241×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/3N1×N和2×N多模干涉耦合器W/2NW/NW/2NW/2W/25仿真：1×2多模干涉耦合器仿真：1×2多模干涉耦合器26仿真：2×2多模干涉耦合器仿真：2×2多模干涉耦合器27仿真：1×4多模干涉耦合器仿真：1×4多模干涉耦合器28仿真：4×4多模干涉耦合器仿真：4×4多模干涉耦合器29第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

330基于Y分支器的數(shù)字型熱光開關(guān)在對(duì)稱型Y分支器中，光能量被平均分配到兩臂中；而在非對(duì)稱Y分支中，光能量主要傳向折射率較大的一臂。在對(duì)稱型Y分支的兩臂旁制作電極，通過加熱改變波導(dǎo)折射率，即得到非對(duì)稱Y分支。一般采用熱光系數(shù)較大的聚合物材料來制作這種熱光開關(guān)，其熱光系數(shù)為負(fù)，即在一臂加熱，折射率降低，光能量傳向另一臂。隨著驅(qū)動(dòng)功率的增加，被控制的光只會(huì)從一個(gè)端口輸出，而不是在兩個(gè)端口之間反復(fù)切換，因此被稱為數(shù)字型光開關(guān)（DOS）?；赮分支器的數(shù)字型熱光開關(guān)在對(duì)稱型Y分支器中，光能量被平均31基于定向耦合器的BOA型熱光開關(guān)BOA―BifurcationOpticalActive各區(qū)域模式特性和轉(zhuǎn)化關(guān)系：?jiǎn)文２▽?dǎo)―基模；Y分支―偶模和奇模（相當(dāng)于五層波導(dǎo)）；雙模波導(dǎo)―基模和一次模；雙模波導(dǎo)中的基模和一次模具有相近的傳播常數(shù)，因此第二個(gè)Y分支中偶模和基模的相位關(guān)系取決于雙模波導(dǎo)的長度：當(dāng)相位差為0時(shí)，光能量被約束在上面的單模波導(dǎo)中；當(dāng)相位差為π時(shí)，光能量被約束在下面的單模波導(dǎo)中。在雙模波導(dǎo)上制作加熱電極，通過熱光效應(yīng)控制相位差，即可實(shí)現(xiàn)光路的切換。基模偶模奇?；Ｒ淮文Ｅ寄Ｆ婺；５认辔幌辔徊钊Q于雙模波導(dǎo)長度基于定向耦合器的BOA型熱光開關(guān)BOA―Bifurcatio32基于MMI耦合器的干涉型熱光開關(guān)+由兩個(gè)2×2MMI耦合器和一對(duì)MZ干涉臂構(gòu)成，在干涉臂上制作加熱電極，通過熱光效應(yīng)來切換光路?；贛MI耦合器的干涉型熱光開關(guān)+由兩個(gè)2×2MMI耦合器33謝謝！謝謝！第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件張敏明：mmz@萬助軍：zhujun.wan@華中科技大學(xué)光電學(xué)院第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件張敏明：mmz@hust.第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

336什么是PLC技術(shù)？PLC（PlanarLightwaveCircuit，平面光路）―在平面襯底材料上制作芯層/包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并以波導(dǎo)構(gòu)成各種回路或者功能器件。什么是PLC技術(shù)？PLC（PlanarLightwave37平面光波導(dǎo)材料平面光波導(dǎo)材料38平面光波導(dǎo)材料材料折射率@1550nm芯層/包層折射率差損耗@1550nm(dB/cm)耦合損耗(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鈮酸鋰波導(dǎo)是通過在鈮酸鋰晶體上擴(kuò)散Ti離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴(kuò)散型。InP波導(dǎo)以InP為稱底和下包層，以InGaAsP為芯層，以InP或者InP/空氣為上包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波導(dǎo)以硅片為稱底，以不同摻雜的SiO2材料為芯層和包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。SOI波導(dǎo)是在SOI基片上制作，稱底、下包層、芯層和上包層材料分別為Si、SiO2、Si和空氣，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊形。聚合物波導(dǎo)以硅片為稱底，以不同摻雜濃度的Polymer材料為芯層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。玻璃波導(dǎo)是通過在玻璃材料上擴(kuò)散Ag離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴(kuò)散型。平面光波導(dǎo)材料材料折射率芯層/包層損耗@1550nm耦合損耗39SiO2/Si光波導(dǎo)工藝采用火焰水解法（FHD）或者化學(xué)氣相淀積工藝（CVD），在硅片上生長一層SiO2，其中摻雜磷、硼離子，作為波導(dǎo)下包層，如圖（b）所示；采用FHD或者CVD工藝，在下包層上再生長一層SiO2，作為波導(dǎo)芯層，其中摻雜鍺離子，獲得需要的折射率差，如圖（c）所示；通過退火硬化工藝，使前面生長的兩層SiO2變得致密均勻，如圖（d）所示；進(jìn)行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護(hù)起來，如圖（e）所示；采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝，將非波導(dǎo)區(qū)域刻蝕掉，如圖（f）所示；去掉光刻膠，采用FHD或者CVD工藝，在波導(dǎo)芯層上再覆蓋一層SiO2，其中摻雜磷、硼離子，作為波導(dǎo)上包層，如圖（g）所示；通過退火硬化工藝，使上包層SiO2變得致密均勻，如圖（h）所示。SiO2/Si光波導(dǎo)工藝采用火焰水解法（FHD）或者化學(xué)氣相40玻璃光波導(dǎo)工藝在玻璃基片上濺射一層鋁，作為離子交換時(shí)的掩模層，如圖（b）所示；進(jìn)行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護(hù)起來，如圖（c）所示；采用化學(xué)腐蝕，將波導(dǎo)上部的鋁膜去掉，如圖（d）所示；將做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+離子的混合溶液中，在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行離子交換，如圖（e）所示，Ag+離子提升折射率，得到如圖（f）所示的溝道型光波導(dǎo)；對(duì)溝道型光波導(dǎo)施以電場(chǎng)，將Ag+離子驅(qū)向玻璃基片深處，得到掩埋型玻璃光波導(dǎo)，如圖（g）所示。玻璃光波導(dǎo)工藝在玻璃基片上濺射一層鋁，作為離子交換時(shí)的掩模層41第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

342Y分支器的工作原理輻射輻射奇模1次模Y分支器的分光過程Y分支器的合光過程：同相位Y分支的合光過程：相位差為π基模偶模偶?；分支器的工作原理輻射輻射奇模1次模Y分支器的分光過程Y分支43Y分支器的仿真情況Y分支器的仿真情況44基于Y分支器的Mach-Zehnder干涉器兩臂光程差為0輻射輻射兩臂光程差為π相位控制器基于Y分支器的Mach-Zehnder干涉器兩臂光程差為0輻45仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移0仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移046仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移π仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移π47第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

348定向耦合器的工作原理耦合區(qū)域?yàn)?層光波導(dǎo)，最低階的偶模和奇模具有幾乎相等的傳播常數(shù)，當(dāng)二者相位差為0時(shí)，光能量約束在上面波導(dǎo)中；當(dāng)二者相位差π時(shí)，光能量約束在下面波導(dǎo)中。適當(dāng)控制波導(dǎo)長度即相位差，即可達(dá)到所需分光比。定向耦合器的工作原理耦合區(qū)域?yàn)?層光波導(dǎo)，最低階的偶模和奇模49模耦合方程分析得到輸出光場(chǎng)與輸入光場(chǎng)之間的關(guān)系：兩個(gè)同向傳輸模式之間的能量交換，以模耦合方程描述：模耦合方程分析得到輸出光場(chǎng)與輸入光場(chǎng)之間的關(guān)系：兩個(gè)同向傳輸50兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的耦合其中：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)，傳播常數(shù)相同，傳輸特性可簡(jiǎn)化如下：因此定向耦合器的傳輸特性可以用如下矩陣來描述：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的耦合其中：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)，傳播常數(shù)相同，51兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)之間的耦合其中：因此兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)之間不能達(dá)到100％的光耦合。兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)的傳播常數(shù)不同，得到兩輸出端口的透過率如下：兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)之間的耦合其中：因此兩根非對(duì)稱直波導(dǎo)之間不能52仿真：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的光場(chǎng)耦合光場(chǎng)在兩根波導(dǎo)之間來回切換仿真：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的光場(chǎng)耦合光場(chǎng)在兩根波導(dǎo)之間來回切換53仿真：50∶50的定向耦合器仿真：50∶50的定向耦合器54第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

3.2Y分支器

3.3定向耦合器

3.4多模干涉耦合器

3.5熱光開關(guān)第三章基于PLC技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件3.1PLC技術(shù)簡(jiǎn)介

355多模波導(dǎo)中的正交模式其中：在多模波導(dǎo)中傳輸?shù)氖且幌盗姓荒Ｊ?，波?dǎo)中的任意光場(chǎng)均可表述為這些模式的疊加：多模波導(dǎo)中的正交模式其中：在多模波導(dǎo)中傳輸?shù)氖且幌盗姓荒Ｊ?6多模波導(dǎo)中的自映像特性各模式獨(dú)立傳輸，在輸出位置干涉疊加，考慮模式的奇偶特性，并作數(shù)學(xué)處理之后得到輸出光場(chǎng)：上式表示輸出光場(chǎng)為輸入光場(chǎng)的多個(gè)映像，各個(gè)映像的位置和相位均不同。其中：多模波導(dǎo)中的自映像特性各模式獨(dú)立傳輸，在輸出位置干涉疊加，考57多模干涉耦合器MMI（MultimodeInterference，多模干涉）耦合器―任意輸入光場(chǎng)，在多模波導(dǎo)中激勵(lì)起一系列正交模式，各模式獨(dú)立傳輸一定長度之后重新干涉疊加，只要適當(dāng)選擇多模波導(dǎo)長度，就可以獲得輸入光場(chǎng)的一系列自映像，在自映像位置設(shè)置輸出波導(dǎo)，即可制成MMI耦合器。2W/N2W/N2W/N2W/N2W/N2W/NaaL=3Lc/NN×N多模干涉耦合器多模干涉耦合器MMI（MultimodeInterfere581×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/3N1×N和2×N多模干涉耦合器W/2NW/NW/2NW/2W/59仿真：1×2多模干涉耦合器仿真：1×2多模干涉耦合器60仿真：2×2多模干涉耦合器仿真：2×2多模干涉耦合器61仿真：1×4多模干涉耦合器