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1、Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,第三章,基于,PLC,技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件,張敏明：,mmz,萬助軍：,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,3.1 PLC,技術(shù)簡介,3.2 Y,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),什么是,PLC,技術(shù)？,PLC,（,Planar Lightwave Circuit,，平面光路）,在平面襯底材料上制作芯層,

2、/,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。,平面光波導(dǎo)材料,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,),LiNbO,3,2.2,00.5%,0.5,1,InP,3.2,03%,3,5,SiO,2,1.45,04%,0.05,0.25,SOI,3.5,70%,0.1,0.5,Polymer,1.31.7,035%,0.1,0.1,Glass,1.45,00.5%,0.05,0.1,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

3、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,。,SiO,2,/Si,光波導(dǎo)工藝,采用火焰水解法（,FHD,）或者化學(xué)氣相淀積

4、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（,

5、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。,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，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。,第三章 基于,PL

6、C,技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件,3.1 PLC,技術(shù)簡介,3.2 Y,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),Y,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,基模,偶模,偶模,基模,Y,分支器的仿真情況,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,相位控制器,仿真：,Mach-Zehnder,干涉器，相移,0,仿真：,Mach-Zehnder,干涉器，相移,第三章 基于,PLC,技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件,3.1 PLC,技術(shù)簡介,3.2 Y,分支器,

7、3.3,定向耦合器,3.4,多模干涉耦合器,3.5,熱光開關(guān),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,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。,模耦合方程分析,得到輸出光場與輸入光場之間的關(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：,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

8、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：,仿真：兩根對(duì)稱直波導(dǎo)之間的光場耦合,光場在兩根波導(dǎo)之間來回切換,仿真：,50,50,的定向耦合器,第三章 基于,PLC,技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件,3.1 PLC,技術(shù)簡介,3.2 Y,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),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)中的任意光場均可表述為這些模式的疊加：,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：,上式表示輸出光場為輸入光場的多個(gè)映像，各個(gè)映像的位置和相位均不同

9、。,其中：,多模干涉耦合器,MMI,（,Multimode Interference,，,多模干涉）耦合器,任意輸入光場，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/N,2W/N,2W/N,2W/N,2W/N,2W/N,a,a,L=3L,c,/N,N,N,多模干涉耦合器,1,N,和,2,N,多模干涉耦合器,W/2N,W/N,W/2N,W/2,W/N,W/N,W/2,L=3L,c,/4N,1,N,多模干涉耦合器,W/N,2W/N,W/3,W/3,L

10、=L,c,/N,2,N,多模干涉耦合器,2W/3N,2W/3N,仿真：,12,多模干涉耦合器,仿真：,22,多模干涉耦合器,仿真：,14,多模干涉耦合器,仿真：,44,多模干涉耦合器,第三章 基于,PLC,技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)器件,3.1 PLC,技術(shù)簡介,3.2 Y,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),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

11、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,）。,基于定向耦合器的,BOA,型熱光開關(guān),BOABifurcation Optical Active,各區(qū)域模式特性和轉(zhuǎn)化關(guān)系：,單模波導(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,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,奇模,基模,一次模,偶模,奇模,基模,等相位,相位差取決于雙模波導(dǎo)長度,基于,MMI,耦合器的干涉型熱光開關(guān),+,由兩個(gè),22 MMI,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。,謝謝！,