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1、第三章 基于PLC技术的光网络器件,张敏明：mmz万助军：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，平面光路）在平面衬底材料上制作芯层/包层波导结构，并以波导构成各种回路或者功能器件。,平面光波导材料,平面光波导材料,铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。二
2、氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。,SiO2/Si光波导工艺,采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图（b）所示；采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需
3、要的折射率差，如图（c）所示；通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图（d）所示；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；采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图（f）所示；去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导上包层，如图（g）所示；通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图（h）所示。,玻璃光波导工艺,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；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；采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图（
4、d）所示；将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中，在适当的温度下进行离子交换，如图（e）所示，Ag+离子提升折射率，得到如图（f）所示的沟道型光波导；对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到掩埋型玻璃光波导，如图（g）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,奇模,1次模,Y分支器的分光过程,Y分支器的合光过程：同相位,Y分支的合光过程：相位差为,基模,偶模,偶模,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
5、程差为0,两臂光程差为,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,耦合区域为5层光波导，最低阶的偶模和奇模具有几乎相等的传播常数，当二者相位差为0时，光能量约束在上面波导中；当二者相位差时，光能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。,模耦合方程分析,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：,两根对称直波导之间的
6、耦合,其中：,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：,两根非对称直波导之间的耦合,其中：,因此两根非对称直波导之间不能达到100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：,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,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：,在多模波导中传输的是一系列正交模式，波导中的任意光场均可表述为这些模式的叠加：,多模
7、波导中的自映像特性,各模式独立传输，在输出位置干涉叠加，考虑模式的奇偶特性，并作数学处理之后得到输出光场：,上式表示输出光场为输入光场的多个映像，各个映像的位置和相位均不同。,其中：,多模干涉耦合器,MMI（Multimode Interference，多模干涉）耦合器任意输入光场，在多模波导中激励起一系列正交模式，各模式独立传输一定长度之后重新干涉叠加，只要适当选择多模波导长度，就可以获得输入光场的一系列自映像，在自映像位置设置输出波导，即可制成MMI耦合器。,1N和2N多模干涉耦合器,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
8、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,在对称型Y分支器中，光能量被平均分配到两臂中；而在非对称Y分支中，光能量主要传向折射率较大的一臂。在对称型Y分支的两臂旁制作电极，通过加热改变波导折射率，即得到非对称Y分支。一般采用热光系数较大的聚合物材料来制作这种热光开关，其热光系数为负，即在一臂加热，折射率降低，光能量传向另一臂。随着驱动功率的增加，被控制的光只会从一个端口输出，而不是在两个端口之间反复切换，因此被称为数字型光开关（DOS）。,基于定向耦合器的BOA型热光开关,BO
9、ABifurcation Optical Active各区域模式特性和转化关系：单模波导基模；Y分支偶模和奇模（相当于五层波导）；双模波导基模和一次模；双模波导中的基模和一次模具有相近的传播常数，因此第二个Y分支中偶模和基模的相位关系取决于双模波导的长度：当相位差为0时，光能量被约束在上面的单模波导中；当相位差为时，光能量被约束在下面的单模波导中。在双模波导上制作加热电极，通过热光效应控制相位差，即可实现光路的切换。,基模,偶模奇模,基模一次模,偶模奇模,基模,等相位,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,+,由两个22 MMI耦合器和一对MZ干涉臂构成，在干涉臂上制作加热电极，通过热光效应来切换光路。,谢谢！,
