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1、第三章第三章 基于基于PLC技术的光网络器件技术的光网络器件张敏明：张敏明：mmz万助军：万助军：华中科技大学光电学院华中科技大学光电学院第三章 基于PLC技术的光网络器件3.1 PLC技术简介3.2 Y分支器3.3 定向耦合器3.4 多模干涉耦合器3.5 热光开关什么是PLC技术？PLC（Planar Lightwave Circuit，平平面面光光路路）在在平平面面衬衬底底材材料料上上制制作芯层作芯层/包层波导结构，并以波导构成各种回路或者功能器件。包层波导结构，并以波导构成各种回路或者功能器件。平面光波导材料平面光波导材料材料材料折射率折射率1550nm芯层芯层/包层包层折射率差折射率差
2、损耗损耗1550nm(dB/cm)耦合损耗耦合损耗(dB/端面端面)LiNbO32.200.5%0.51InP3.203%35SiO21.4504%0.050.25SOI3.570%0.10.5Polymer1.31.7035%0.10.1Glass1.4500.5%0.050.1铌酸锂波导铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为离子形成波导，波导结构为扩散型扩散型。InP波波导导以以InP为为称称底底和和下下包包层层，以以InGaAsP为为芯芯层层，以以InP或或者者InP/空空气气为为上上包包层层，波波导导结结构构为为掩埋脊形或者脊形掩埋脊形或
3、者脊形。二氧化硅波导二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形掩埋矩形。SOI波波导导是是在在SOI基基片片上上制制作作，称称底底、下下包包层层、芯芯层层和和上上包包层层材材料料分分别别为为Si、SiO2、Si和和空空气气，波导结构为波导结构为脊形脊形。聚合物波导聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为材料为芯层，波导结构为掩埋矩形掩埋矩形。玻璃波导玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为离子形成
4、波导，波导结构为扩散型扩散型。SiO2/Si光波导工艺1.采采用用火火焰焰水水解解法法（FHD）或或者者化化学学气气相相淀淀积积工工艺艺（CVD），在在硅硅片片上上生生长长一一层层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图（，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图（b）所示；）所示；2.采采用用FHD或或者者CVD工工艺艺，在在下下包包层层上上再再生生长长一一层层SiO2，作作为为波波导导芯芯层层，其其中中掺掺杂杂锗锗离子，获得需要的折射率差，如图（离子，获得需要的折射率差，如图（c）所示；）所示；3.通过退火硬化工艺，使前面生长的两层通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致
5、密均匀，如图（变得致密均匀，如图（d）所示；）所示；4.进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图（进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图（e）所示；）所示；5.采用反应离子刻蚀（采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图（）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图（f）所示；）所示；6.去去掉掉光光刻刻胶胶，采采用用FHD或或者者CVD工工艺艺，在在波波导导芯芯层层上上再再覆覆盖盖一一层层SiO2，其其中中掺掺杂杂磷磷、硼离子，作为波导上包层，如图（硼离子，作为波导上包层，如图（g）所示；）所示；7.通过退火硬化工艺，使上包层通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀
6、，如图（变得致密均匀，如图（h）所示。）所示。玻璃光波导工艺1.在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图（在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图（b）所示；）所示；2.进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图（进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图（c）所示；）所示；3.采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图（采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图（d）所示；）所示；4.将将做做好好掩掩模模的的玻玻璃璃基基片片放放入入含含Ag+-Na+离离子子的的混混合合溶溶液液中中，在在适适当当的的温温度度下下进进行行离离子子交交换换，如如图图（e）所所示示，
7、Ag+离离子子提提升升折折射射率率，得得到到如如图图（f）所所示示的的沟沟道道型型光波导；光波导；5.对对沟沟道道型型光光波波导导施施以以电电场场，将将Ag+离离子子驱驱向向玻玻璃璃基基片片深深处处，得得到到掩掩埋埋型型玻玻璃璃光光波导，如图（波导，如图（g）所示。）所示。第三章 基于PLC技术的光网络器件3.1 PLC技术简介3.2 Y分支器3.3 定向耦合器3.4 多模干涉耦合器3.5 热光开关Y分支器的工作原理辐射辐射辐射辐射奇模奇模1次模次模Y分支器的分光过程分支器的分光过程Y分支器的合光过程：同相位分支器的合光过程：同相位Y分支的合光过程：相位差为分支的合光过程：相位差为基模基模偶模
8、偶模偶模偶模基模基模Y分支器的仿真情况基于Y分支器的Mach-Zehnder干涉器两臂光程差为两臂光程差为0辐射辐射两臂光程差为两臂光程差为相位控制器相位控制器仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移0仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移第三章 基于PLC技术的光网络器件3.1 PLC技术简介3.2 Y分支器3.3 定向耦合器3.4 多模干涉耦合器3.5 热光开关定向耦合器的工作原理耦耦合合区区域域为为5层层光光波波导导，最最低低阶阶的的偶偶模模和和奇奇模模具具有有几几乎乎相相等等的的传传播播常常数数，当当二二者者相相位位差差为为0时时，光光能能量量约约束束在在上上面面波波导导中中；当
9、当二二者者相相位位差差时时，光光能能量量约束在下面波导中。适当控制波导长度即相位差，即可达到所需分光比。约束在下面波导中。适当控制波导长度即相位差，即可达到所需分光比。模耦合方程分析得到输出光场与输入光场之间的关系：得到输出光场与输入光场之间的关系：两个同向传输模式之间的能量交换，以模耦合方程描述：两个同向传输模式之间的能量交换，以模耦合方程描述：两根对称直波导之间的耦合其中：其中：两根对称直波导，传播常数相同，传输特性可简化如下：两根对称直波导，传播常数相同，传输特性可简化如下：因此定向耦合器的传输特性可以用如下矩阵来描述：因此定向耦合器的传输特性可以用如下矩阵来描述：两根非对称直波导之间的
10、耦合其中：其中：因此两根非对称直波导之间不能达到因此两根非对称直波导之间不能达到100的光耦合。的光耦合。两根非对称直波导的传播常数不同，得到两输出端口的透过率如下：两根非对称直波导的传播常数不同，得到两输出端口的透过率如下：仿真：两根对称直波导之间的光场耦合光场在两根波导之间来回切换光场在两根波导之间来回切换仿真：5050的定向耦合器第三章 基于PLC技术的光网络器件3.1 PLC技术简介3.2 Y分支器3.3 定向耦合器3.4 多模干涉耦合器3.5 热光开关多模波导中的正交模式其中：其中：在在多多模模波波导导中中传传输输的的是是一一系系列列正正交交模模式式，波波导导中中的的任任意意光光场场
11、均均可可表表述述为为这这些模式的叠加：些模式的叠加：多模波导中的自映像特性各各模模式式独独立立传传输输，在在输输出出位位置置干干涉涉叠叠加加，考考虑虑模模式式的的奇奇偶偶特特性性，并并作作数学处理之后得到输出光场：数学处理之后得到输出光场：上上式式表表示示输输出出光光场场为为输输入入光光场场的的多多个个映映像像，各各个个映映像像的的位位置置和和相相位位均均不同。不同。其中：其中：多模干涉耦合器MMI（Multimode Interference，多多模模干干涉涉）耦耦合合器器任任意意输输入入光光场场，在在多多模模波波导导中中激激励励起起一一系系列列正正交交模模式式，各各模模式式独独立立传传输输
12、一一定定长长度度之之后后重重新新干干涉涉叠叠加加，只只要要适适当当选选择择多多模模波波导导长长度度，就就可可以以获获得得输输入入光光场场的的一一系系列列自自映映像像，在在自自映映像像位置设置输出波导，即可制成位置设置输出波导，即可制成MMI耦合器。耦合器。2W/N2W/N2W/N2W/N2W/N2W/NaaL=3Lc/NNN多模干涉耦合器多模干涉耦合器1N和2N多模干涉耦合器W/2NW/NW/2NW/2W/NW/NW/2L=3Lc/4N1N多模干涉耦合器多模干涉耦合器W/N2W/NW/3W/3L=Lc/N2N多模干涉耦合器多模干涉耦合器2W/3N2W/3N仿真：12多模干涉耦合器仿真：22多模
13、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技术的光网络器件3.1 PLC技术简介3.2 Y分支器3.3 定向耦合器3.4 多模干涉耦合器3.5 热光开关基于Y分支器的数字型热光开关在在对对称称型型Y分分支支器器中中，光光能能量量被被平平均均分分配配到到两两臂臂中中；而而在在非非对对称称Y分分支支中中，光光能能量量主主要要传传向向折折射射率率较较大的一臂。大的一臂。在在对对称称型型Y分分支支的的两两臂臂旁旁制制作作电电极极，通通过过加加热热改改变变波波导导折折射射率率，即即得到非对称得到非对称Y分支。分支。一一般般采采用用热热光光系系数数较较大大的的聚聚合合物物
14、材材料料来来制制作作这这种种热热光光开开关关，其其热热光光系系数数为为负负，即即在在一一臂臂加加热热，折折射射率率降低，光能量传向另一臂。降低，光能量传向另一臂。随随着着驱驱动动功功率率的的增增加加，被被控控制制的的光光只只会会从从一一个个端端口口输输出出，而而不不是是在在两两个个端端口口之之间间反反复复切切换换，因因此此被被称称为数字型光开关（为数字型光开关（DOS）。）。基于定向耦合器的BOA型热光开关BOABifurcation Optical Active各区域模式特性和转化关系：各区域模式特性和转化关系：单模波导单模波导基模；基模；Y分分支支偶偶模模和和奇奇模模（相相当当于于五五层波
15、导）层波导）；双模波导双模波导基模和一次模；基模和一次模；双双模模波波导导中中的的基基模模和和一一次次模模具具有有相相近近的的传传播播常常数数，因因此此第第二二个个Y分分支支中中偶偶模模和和基基模模的的相相位位关关系系取取决于双模波导的长度：决于双模波导的长度：当当相相位位差差为为0时时，光光能能量量被被约约束束在上面的单模波导中；在上面的单模波导中；当当相相位位差差为为时时，光光能能量量被被约约束束在下面的单模波导中。在下面的单模波导中。在在双双模模波波导导上上制制作作加加热热电电极极，通通过过热热光光效效应应控控制制相相位位差差，即即可可实现光路的切换。实现光路的切换。基模基模偶模偶模奇模奇模基模基模一次模一次模偶模偶模奇模奇模基模基模等相位等相位相位差取决于双模波导长度相位差取决于双模波导长度基于MMI耦合器的干涉型热光开关+由由两两个个22 MMI耦耦合合器器和和一一对对MZ干干涉涉臂臂构构成成，在在干干涉涉臂臂上上制制作作加加热热电电极极，通通过过热热光效应来切换光路。光效应来切换光路。