光波导器件研究的新进展

光波导技术课程论文题目：光波导器件研究的最新进展院系武汉光电国家实验室专业班级硕士01姓名张加凯学号M2015725162015年10月光波导器件研究的新进展摘要：如今，在这个计算机技术以及通信技术被迅猛发展的时代，光波导材料与器件作为光通信系统中的必不可少的组成部分，自然得到了人们越来越多的重视和发展，并且已经广泛的应用与现今的各种光通信系统中了。其中，光开关作为光网络和数字光信息处理的核心器件，人们对其的研究可以追溯到上个世纪六十年代。由于新的技术不断的涌现，使得光开关的集成化和规模化得到了大大的发展，本文将主要介绍光开关的发展现状以及其研究的最新进展。关键字：光网络，机械光开关，电光开关，热光开关，全光开关1.光开关概述光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口并且可以对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。1.1光开关的典型应用光开关在光纤通信系统中的应用十分广泛。它不仅可以用来保护，测试和监控光网络的实时通信情况。还能够组成个复杂的光器件，例如光交叉连接器（OXC）和光分插复用器（OADM）来完成选择不同波长的选择以及复用功能。下面将详细的介绍：（1）光开关的保护和检测功能当光通信网络出现故障的时候，光开关能将报错地点的光路切换到备用线路上，从而实现整个光网络的保护功能。同理，当我用来检测光网络时，可以将检测节点接入检测光路实现检测的目的。（2）光交叉连接（OXC）光开关是组成光交叉连接（OXC）的基本单元。而由光开关阵列构成的OXC具有带宽管理功能，同时也能对光网络起到保护和恢复的作用。（3）光分插复用器（OADM）同样，光分插复用器（OADM）也是又光开关阵列所构成，它可以在光网络的某一节点上随意复用或下载任意波长的光信号。这种强大的功能使其在光通信的复用系统中的应用十分的广泛。1.2光开关的分类及其现状如今的主要的光开关根据其工作原理可以分为机械光型开关，声光型光开关，热光型光开关，电光型光开关，全光开关。1.2.1机械型光开关传统的机械光开关仍是目前应用的最为广泛的光开关，它通过机械的方法将光纤移动来产生开和关的功能，这种光开关损耗较低，串扰较少，而且还不受偏振和波长的影响，但是由于这种机械的控制方法限制了光开关的体积大小，使得其在器件集成方面受到很大的限制。而后来发展的微机电系统光开关（MEMS）虽然在尺寸方面优化了许多，但是长期使用后机械部分的稳定性使其在应用方面得到了限制。1.2.2声光型光开关和热光型光开关声光型光开关和热光型光开关分别利用了光波导中的声光效应和热光效应改变特定波长的传输路径从而实现“开关”的功能。其中，声光型光开关由于受到波长对于损耗的影响，在应用方面产生限制。而热光型光开关则会出现两个输出口之间存在明显串扰的问题，下文也会提到这种串扰的解决方案。1.2.3电光型光开关电光型光开关则是利用了光波导材料中的电光效应，电吸收效应将光波导做成一个电光调制器件，通过调制光波的相位使其振幅也发生相应的变化，实现光开关的功能。这种开关响应速度快，损耗小，串扰低，并且还十分易于集成。但由于半导体中的载流子寿命的限制，开关时间通常在微秒或亚微秒级别。1.2.4全光开关全光开关不同于上述光开关用电或热驱动，全光开关直接由光驱动，由于光子之间无法直接相互作用，我们必须采用非线性光学的方法来实现对光的开关控制。然而，直至现在，人们仍无法做出实用的全光开关，这方面所遇到的限制及困难将在下文提到。2.光开关的最新进展2.1热光开关的最新进展在1.2.2中，我已经简略地介绍了热光开关的工作原理以及其所受到的限制因素。在这里我将详细的对其进行介绍。图2.12X2热光开关示意图图2.1（a）是一个典型的2X2的热光开关，它再输入和输出端分别有两个50%的耦合器，中间则是由热点极所构成的相移臂，图（b）则是该热点极的结构图。当光从输入端进入相移臂时，我们可以通过对热电极的加热，使得输入光的相移产生一个π的变化，使其从原本的输出端口2改为从输出端口1输出。从而实现了光开关的功能。由于在工艺上，我们很难实现两个输出端口的完全的分光，所以这种结构的热光开关在输出端会产生明显的串扰。这对这一问题在2010年ShojiY在OE上发表了论文，他介绍了一种级联4个开关单元的解决方案，使得直通态的串扰降低到了最低-50dB,交叉态串扰最低-30dB。而该系统也存在功耗高的问题。下图则为该级联光开关：图2.2级联式2X2热光开关示意图为了解决功耗高的问题，2011年QingFang等人成功研制了将加热臂悬空的热光开关设计，这样就大大的降低了悬空臂上的热量流失，成功的使得功耗降低。这种热光开关的功耗仅为0.49nW，响应时间可以达到266us。下图就是这种将加热臂虚空的系统的实物图。可以由下图的右上角看出，这里的加热臂是悬空的且两边都有沟槽，从而更进一步的节省了能量。图2.3悬浮式加热臂的热光开关2.2电光开关的研究进展电光开关利用电光效应，通过电场的改变使得材料中的折射率发生相应的变化，从而可以十分方便的对光在材料中传播的振幅及方向进行有效的控制，达到光开关的作用。如今的电光开关主要分为两类：一是基于MZI结构的电光调制器，其二是数字型电光开关。图2.4MMI-MZI型电光开关上图为日本富士-施乐公司报道的一种基于MMI结构的2X2电光开关，开关时间仅为6ns。大大的减少了电光开关的响应时间。近年来，半导体材料的数字型光开关引起了人们的广泛关注，这是一种用半导体技术构造出来的光开关，通过偏置电流改变载流子浓度，从而使得半导体材料的折射率发生变化，实现光开关的功能。而硅作为一种良好的半导体材料更是在光电开关这方面备受瞩目，其原因在于硅材料的等离子色散效应十分的明显，当载流子浓度变化为10^18cm^-3时，硅材料的折射率的变化量级已经达到了-10^-3。而在2011年，Y.Enami等人更是在AIPAdvances上发表了一种新的电光材料，这种开关的结构是在两个聚合物定向耦合波导简单相互作用区间内，填入聚合物与溶胶-凝胶的二氧化硅。这样的结构实现了160pm/V的超高光电系数，使得电光开关的反应速度进一步加快。其结构图如下：图2.5聚合物与溶胶-凝胶二氧化硅混合波导定向耦合电光开关在2007年，Y.Enami等人更是合成了一种新型的非线性材料，并与2013年对这种材料进行改进从而使其电光系数达到了220pm/V。他们通过采用聚合物/二氧化钛的多层夹缝波导结构，取代了高参杂的Si作为电极的结构，成功的改善了带宽，并且使得插入损耗改善到了13.9dB/cm。2.3全光开关的研究进展全光开关的原理主要依据的是半导体材料中的光致折射率效应。这种效应通常由半导体材料中的非线性效应或是光致相变原理等。现今，全光开关的实现方法有以下几种：（1）非线性光纤光栅非线性光栅有很多种，我们就拿非线性布拉格光栅（FBG）举例，当泵浦光入射到FBG上时，由于kerr效应导致光纤纤芯的折射率变化，使其反射的光谱发生偏移，这种偏移会随着泵浦光的功率而变化，当入射光的波长正好在反射光谱的中心波长的时候，反射光此时最强，透射光相应的最弱，从而实现了光的开关。（2）非线性干涉仪这一类光开关可以根据光强的变化分为以下三种：强度单路开关、强度空间开关和强度时间开关。而在用非线性干涉仪实现光开关这一领域中，研究的最多的就是空间开关。其原理是入射的强光会使得材料的折射率发生变化，从而使得两束传输光之间的相位变化，两者相互干涉会相互加强会相消，这样就实现了光开关的功能。下图则为这一类型的几种全光开关。图2.6几种基于非线性干涉仪的全光开关（3）光子晶体波导光子晶体全光开关的原理如下，当泵浦光入射到光子晶体中，会使得晶体带隙发生移动，是探测光波长从带隙外移动到带隙内；或引起缺陷态的移动，导致探测光的波长从缺陷态内移动到缺陷态外。在2011年的光学快报上，陈鹤鸣和王国栋曾经提出一宗基于缺陷模迁移的光子晶体全光开关。这种结构的光子晶体开关消光达到了35dB，阈值为5GW/cm^2，响应时间可以达到34.6ps。下图则为点、线混合缺陷光子晶体的结构。图2.7点、线混合缺陷光子晶体的结构3.结论随着如今的通信系统朝着超高速、超容量的方向发展，光网络已经成为了一种已经覆盖了全世界的通信系统。而光网络的生存能力，保护能力和恢复能力便成为了网络的关键。光开关作为一种基本的光网络器件，它对光层的保护和恢复起到了关键的作用。同时，随着IP用户的大量增重，数据开始进行的大量交换，这对光开关的速度提出了更高的要求。所以，我们更应该重视光开关这一器件的研发工作。