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亚毫米尺度双面金属包覆波导的特性 和应用研究 摘要 随着知识经济的到来，人们迫切要求掌握尽可能多的信息量，因 此对通信速率提出了更高的要求，光纤通信应运而生。在9 0 年代更 是得到了跳越式的发展。虽然近几年光纤通讯进入了阶段性的低谷， 但人们对它的热情依然未减，各种新想法、新概念层出不穷。近期， 自动交换光网络和光纤到户成为了研究热点。这些新想法、新概念的 实现都离不开各类光电子器件的支持。 当今的光电子器件百花齐放，有基于光纤的、有基于半导体的、 有基于光波导的，它们各有优缺点，适合于各种不同的场合。目前为 止，还没有哪一种技术有足够的优势来统一整个光电子器件领域。正 是这种百家争鸣的局面，促进着光通讯事业日新月异地发展。在本文 中，我们提出并研究了一类新型光电子器件基于双面金属包覆波 导的光电子器件。具体研究内容包括光调制器、滤波器和其它一些器 件的原理设计、性能优化和功能演示等。虽然离真正的实用化和商品 化还有一定的距离，但从器件基础研究和实现方法探索的角度考虑， 相信具有一定的现实意义。 首先，本文在一般介质平板波导的基础上提出了一种全新的波导 概念双面金属包覆波导。这种波导结构由导波层、上下金属包覆 层组成一t 层金属同时作为耦合层。根据双面金属包覆波导的导模有 效折射率范围比一般介质波导大得多，可以从零开始的特性，发展了 一种新的波导耦合技术自由空间耦合技术。与其他的波导耦合技 术，如棱镜耦合、光栅耦合等相比，结构简单，并有一些优良的特性。 我们从理论上推导、实验上验证了亚毫米尺度双面金属波导中的超高 阶导模具有偏振无关性，并对导波层的折射率、厚度以及入射光波长 非常灵敏的特性，为下一步的光电子器件研究提供了理论基础。 人们普遍认为金属作为波导覆盖层将对传输光能量产生强烈的 1 i i 吸收，导致波导的损耗较大，不利于制作实用型器件。但我们的研究 表明，在双面金属包覆波导中，金属可作为控制电极对波导层施加电 场作用。同时若避免波导传输型结构，采用反射型结构来控制导波光 的能量耦合效率，将能够很方便地对反射光的能量进行控制，并避免 了能量的传输损耗。理论表明，随着导波层厚度的增加，波导的传输 损耗也迅速下降。 根据超高阶导模对导波层折射率敏感的特性，我们提出了基于双 面金属波导结构的反射型电光调制器。该器件的结构简单，仅由上下 两层金属和导波层三部分组成。金属层既可作为包覆层又可作为电 极。制各工艺非常简单，加工要求也不高，因此成本相当低廉。与波 导传输型电光调制器相比，本方法制作的反射型电光调制器的插入损 耗很小，因为光强不需要经过传输，避免了传输损耗。在调制过程中 发生全反射，入射能量几乎能全部被反射，相对于波导传输型调制器 5 1 2 d b 的插入损耗有了很大的改善。由于器件基于反射原理工作， 工作区域局限于电极的大小，因而独立器件的尺寸可以很小。同时也 可以在一块晶体上集成很多个调制器，每一个调制器都具有自己独立 的电极和驱动信号源，以实现集成阵列式结构。双面金属波导结构的 电光调制器离实用化、商品化最大的障碍在于其调制深度还不够，目 前我们用l i n b 0 3 晶体作为导波层达到1 2 v 、1 3 3 的调制度。但随着 高电光系数晶体或薄膜材料的发展，器件的实用化已经提上日程。预 计，该器件会在接入网、无线光通信、大孔径激光调制方面得到应用。 另外，根据高阶导模对入射波长敏感的特性，我们提出了基于双 面金属包覆波导的光学滤波器应用。光学滤波器是光网络的一个关键 性器件之一，它在整个光通信系统中得到了广泛的应用，无论是在发 射端、接收端，还是传输过程中。本文详细介绍了基于亚毫米尺度双 面金属波导的梳状滤波器的工作原理，并进行了实验验证，对器件的 性能进行了测试和分析。该梳状滤波器的通道间隔达到1 0 0 g h z ，理论 上可达到5 0 g h z ，符合i t u 标准；通道隔离度大于1 2 d b ；最小插入损 耗小于0 2 d b ；中心波长、通道间隔可调谐范围大；并且具有偏振无 关性。该器件主要应用于多波长激光器系统中。此外，双面金属包覆 波导还可应用于窄带滤波器的研究。 除了在光电子器件中的应用外，双面金属包覆波导还可用于薄膜 参数测量领域。波导中导模的传播常数与导波层的厚度以及折射率密 切相关，因此可以利用自由空间耦合技术测量波导中导模的传播常 数，来同时求得导波层薄膜的折射率及厚度。由于双面金属波导的特 殊性质，还可以测量高折射率的材料，相比棱镜耦合系统大大拓宽了 测量范围。并且，这种新方法可以用于双折射材料的测量，测量精度 也相当高。由于采用金属作为包覆层，可以很方便的在导波层两侧施 加电压，因此也可测量材料的电光系数或者压电系数。预计这种方法 会在有机材料、聚合物和光学波导器件等领域中有广泛的应用价值。 总之，双面金属包覆波导及其自由空间耦合技术是一种全新的方 法，它为新型光电子器件的研发开辟了一条崭新的途径。 关键词：光波导；双面金属包覆；自由空间耦合；薄膜参数测量；电 光系数测量；电光调制器；梳状滤波器；强吸收衬底 眦s 田i g a t i o no fd o u b l em e t a ir c a l d d i n g o p t i c a l 姗g u d ew i t hs u b m l i m 匝t e r s c a l ea n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea r r i v a lo ft h ek n o w l e d g e - b a s e de c o n o m y ，p e o p l en e e da sm u c h i n f o r m a t i o na sp o s s i b l eu r g e n t l y ，w h i c hp u t sah i g h e rr e q u e s tt o w a r d st r a n s m i s s i o n s p e e d u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h ef i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p sq u i c k l y ， e s p e c i a l l yi n19 9 0 s a l t h o u g ht h ef i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt u r n e di n t ot r o u b l ei n p a s tf e wy e a r s ，p e o p l es t i l lp u tg r e a ta t t e n t i o no ni ta n dv a r i o u sn e wi d e a sa n d v i e w p o i n t sw e r ep r e s e n t e do n ea f t e ra n o t h e r ，r e c e n t l y ，a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e d o p t i c a ln e t w o r k ( a s o n ) a n df i b e rt ot h eh o m e ( f 1 v r h ) b e c a m es t u d yf o c u s e s t h er e a l i z a t i o no ft h e s en e wi d e a sc o u l d n tl e a v ew i t h o u tt h e s u p p o r t o f o p t i c - e l e c t r o n i cd e v i c e s c u r r e n t l y ，t h e r ea r ed i f f e r e n tk i n d so fo p t i c e l e c t r o n i cd e v i c e sb a s e do nv a r i o u s t e c h n i q u e s ，s u c ha st h eo p t i c a lf i b e rt e c h n i q u e ，t h es e m i c o n d u c t o ro n ea n di n t e g r a t e d o p t i c s t h e s ed e v i c e sh a v et h e i ro w na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，s u i t e d f o r d i f f e r e n ts i t u a t i o n s s of a r , t h e r ei sn o ta n y t e c h n i q u ew h i c hh a se n o r m o u sa d v a n t a g e o v e ro t h e r s i nt h i st h e s i s ，an e wt y p eo fo p t i c e l e c t r o n i cd e v i c e si si n t r o d u c e db a s e d o nd o u b l em e t a l c l a d d i n go p t i c a lw a v e g u i d e ，i n c l u d i n go p t i c a lm o d u l a t o r , o p t i c a l t u n a b l ef i l t e ra n ds oo n w ep r e s e n tt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h e ma n dd e m o n s t r a t e t h e mo ne x p e r i m e n t a l t h o u g ht h e r ei sal o to fw o r kn e e dt ob ed o n et or e a l i z et h e mi n p r a c t i c a lu s e ，t h i st e c h n i q u es t i l lh a si t sr e a l i s t i cm e a n i n ga sac r e a t i v em e t h o d ， a t f i r s t ，w ep r e s e n t an e wk i n do f o p t i c a lw a v e g u i d e ，n a m e d d o u b l e m e t a l c l a d d i n go p t i c a lw a v e g u i d e ( m c o w ) ，d e v e l o p i n gf r o mc o m m o nd i e l e c t r i c p l a n ew a v e g u i d e t h es t r u c t u r eo ft h i so p t i c a lw a v e g u i d ei sc o m p o s e do fg u i d i n g l a y e ra n dt w om e t a lf i l m s ，w h i c ha r eu s e da sc l a d d i n gl a y e r t h eu p p e rm e t a lf i l mi s a l s ou s e da sc o u p l i n gl a y e nt h er a n g e ro ft h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xi nm c o wi s - v l m u c hl a r g e rt h a nt h a ti nc o m m o nd i e l e c t r i cp l a n ew a v e g u i d e ，w h i c hb e g i n sf r o mz e r o a c c o r d i n gt ot h i sc h a r a c t e r , as oc a l l e df r e es p a c ec o u p l i n gt e c h n i q u ei sd e v e l o p e d ， c a l l e da sf r e es p a c ec o u p l i n g c o m p a r i n gw i t ho t h e rc o u p l i n gt e c h n i q u e s ，s u c ha s p r i s mc o u p l i n ga n dg r a t i n gc o u p l i n g ，t h i sm e t h o di sq u i t ee a s ya n dh a ss o m eg o o d c h a r a c t e r i s t i c s w ed e m o n s t r a t et h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yt h a tt h eu l t r a h i g h o r d e rm o d e si nm c o ww i t hs u b m i l l i m e t e rs c a l ea r ep o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n ta n d s e n s i t i v et ot h er e f r a c t i v ei n d e xa n dt h i c k n e s so ft h eg u i d i n gl a y e ra n dt h ei n c i d e n t w a v e l e n g t h t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ev e r yu s e f u li nt h er e s e a r c ho fo p t i c - e l e c t r o n i c d e v i c e s g e n e r a l l y , p e o p l eb e l i e v et h a tt h et r a n s m i s s i o nl o s s o ft h ew a v e g u i d ew i l lb e e x t r e m e l yl a r g ei fm e t a lf i l m sa r eu s e da sc l a d d i n gl a y e r s ，w h i c hi sb a df o rp r o d u c i n g u s e f u ld e v i c e s b u ti no u rr e s e a r c h ，t h et w om e t a lf i l m sa r eu s e da se l e c t r o d e st op u t e l e c t r i cf i e l do v e rt h eg u i d i n gl a y e r w ep r e f e rt ot h er e f l e c t i o nm a n n e rr a t h e rt h a n t r a n s m i s s i o nm a n n e r , s ot h et r a n s m i s s i o nl o s so fe n e r g yi sa v o i d e d i na d d i t i o n ，t h e t r a n s m i s s i o nl o s so ft h ew a v e g u i d es h a r p l yd e c l i n ew i t ht h e i n c r e a s i n go ft h e t h i c k n e s so f t h eg u i d i n gl a y e ri nt h e o r y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h eu l t r a - h i g ho r d e rm o d e sa r es e n s i t i v et ot h e r e f r a c t i v ei n d e xo fg u i d i n gl a y e r , an e wr e f l e c t i v ee l e c t r i c o p t i c a lm o d u l a t o rb a s e do n m c o ws t r u c t u r ei s p r e s e n t e d t h ec o n f i g u r a t i o n i s s i m p l e ，ag u i d i n gl a y e r s a n d w i c h e db e t w e e nu p p e ra n db o s o mm e t a lf i l m s t h em e t a lf i l m sc a nb et h e e l e c t r o d ea sw e l la st h ec l a d d i n gl a y e r s t h ef a b r i c a t i o np r o c e s si sq u i t ee a s y , s ot h e c o s ti sc h e a p e r c o m p a r i n gw i t ht r a n s m i s s i o ne l e c t r o o p t i c a lm o d u l a t o r , t h ei n s e r t i o n l o s so ft h i sk i n do fm o d u l a t o ri ss m a l l ，b e c a u s et h el i g h ti sr e f l e c t e dt o t a l l y , w h i l e t h e r ei sa b o u t5 - 1 2 d bi n s e r t i o nl o s si nat r a n s m i s s i o no n e s i n c et h es i z eo ft h i s d e v i c ed e p e n d so nt h a to f t h ee l e c t r o d e s ，i tc o u l db ev e r ys m a l l s os e v e r a lm o d u l a t o r s ， e a c ho ft h e mw i t hi n d e p e n d e n te l e c t r o d e sa n dd r i v i n gs i g n a l ，c a nb ei n t e g r a t e do no n e c r y s t a lp l a t ei no r d e rt oa c c o m p l i s ha na r r a ys t r u c t u r e t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m t h a tp r e v e n t st h er e f l e c t i v ee l e c t r o o p t i c a lm o d u l a t o rb a s e do nm c o wb e i n ga c o m m e r c i a lp r o d u c ti si t sl o wm o d u l a t i o nd e p t h n o ww eo b t a i n1 3 _ 3 m o d u l a t i o n d e p t hw i t h 12 vv o l t a g ew h e na d o p t i n gl i n b 0 3c r y s t a la st h e g u i d i n gl a y e r 一1 一 n e v e r t h e l e s s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc r y s t a la n dt h i nf i l mw h i c hh a v eh i g h e l e c t r o o p t i cc o e f f i c i e n t ，t h ep r a c t i c a ld e v i c ew i l lb er e a l i z e ds o o n i nf o r e c a s t ，t h i s m o d u l a t o rw i l l g e t a g r e a ta p p l i c a t i o ni n a c c e s sn e t w o r k ，w i r e l e s s o p t i c a l c o m m u n i c a t i o na n db i ga p e r t u r el a s e rm o d u l a t i o n i na d d i t i o n ，w ep r e s e n ta na p p l i c a t i o no fm c o wo no p t i c a lf i l t e r , b e c a u s et h e u l t r a - h i g ho r d e rm o d e si nm c o w a r es e n s i t i v et ot h ei n c i d e n tw a v e l e n g t h o p t i c a l f i l t e ri sa k e yc o m p o n e n td e v i c ei no p t i c a ln e t w o r k ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ew h o l e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b o t hi nt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r i nt h i st h e s i s ，w e i n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fo p t i c a lc o m bf i l t e ，b a s e do nm c o ww i t hs u b m i l l i m e t e ri n d e t a i la n dd e m o n s t r a t ei to ne x p e r i m e n t t h ep e r f o r m a n c eo f t h i so p t i c a lc o m bf i l t e ri s t e s t e da n da n a l y z e d t h e c b a n n e ls p a c ei s10 0 g h zi ne x p e r i m e n t ，w h i c hi su pt ot h e i t us t a n d a r d ，a n di tc o u l db e5 0 g h zi n t h e o r y i na d d i t i o n i te x h i b i t s t h e p e r f o r m a n c e sw i t hg r e a t e rt h a n1 2 d b ，l e s st h a n0 2 d bi n s e r t i o nl o s s ，w i d et u n a b l e r a n g eo fc e n t r a lw a v e l e n g t ha n dc h a n n e ls p a c e ，a n dp o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n t t h i s o p t i c a lf i l t e ri sm a i n l yu s e di nm u l t i w a v e l e n g t hl a s e rs y s t e m b e s i d e so fa p p l i c a t i o n i no p t i c a lc o m bf i l t e r , m c o wc a na l s ob eu s e da san a r r o wb a n df i l t e r i na d d i t i o nt ot h ea p p l i c a t i o ni nt h eo p t i c e l e c t r o n i cd e v i c e s ，m c o wc a nb eu s e d i nt h em e a s u r e m e n to ft h i nf i l mp a r a m e t e r s a sw ek n o w n ，t h ep r o p a g a t i o nc o n s t a n t s o fg u i d e dm o d e si no p t i c a lw a v e g u i d ea r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h er e f r a c t i v ei n d e xa n d t h i c k n e s so ft h eg u i d i n gl a y e r s oi t i s p o s s i b l et os i m u l t a n e o u s l ym e a s u r et h e r e f r a c t i v ei n d e xa n dt h i c k n e s so ft h i nf i l mb ye m p l o y i n gt h ep r o p a g a t i o nc o n s t a n t s d e t e r m i n e dw i t ht h ef r e es p a c ec o u p l i n gt e c h n i q u e b e c a u s eo ff r e eo fp r i s mi n c o u p l i n g ，i ti sp o s s i b l et om e a s u r et h eh i g hr e f r a c t i v ei n d e xm a t e r i a l ，c o m p a r e dw i t h p r i s mc o u p l i n g t h i sm e t h o di sa l s oe f f e c t i v et ot h eb i r e f r i n g e n tm a t e r i a l s i n c et h e o p t i c a lw a v e g u i d ei sm e t a l - c l a d d i n g ，i ti sc o n v e n i e n tt om e a s u r et h ee l e c t r o o p t i ca n d p i e z o e l e c t r i cc o e f f i c i e n t sb ya p p l y i n gv o l t a g eo v e rt h ew a v e g u i d e b e c a u s eo ft h e s e m e r i t s ，t h i st e c h n i q u ew i l lh a v eg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u ei np a r a m e t e r sm e a s u r e m e n to f o r g a n i cm a t e r i a l ，p o l y m e rm a dt h eo p t i c a lw a v e g u i d e i nc o n c l u s i o n ，t h ed o u b l em e t a l - c l a d d i n go p t i c a lw a v e g u i d ew i t hs u b m i l l i m e t e r s c a l ea n di t sf r e es p a c ec o u p l i n gt e c h n i q u ea r em a n i f e s t e dt ob ev e r yi m p o r t a n t ，an e w v i l l w a yt od e v e l o pm a n yk i n d so fo p t i c e l e c t r o n i cd e v i c e si so p e n e dw i t ht h e s et w o t e c h n i q u e s k e y w o r d ：o p t i c a lw a v e g u i d e ，d o u b l em e t a l - c l a d d i n g o p t i c a lw a v e g u i d e ， f r e e - s p a c ec o u p l i n g ，p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n to ft h i nf i l m ，m e a s u r e m e n to f e l e c t r o o p t i cc o e f f i c i e n t ，e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r , o p t i c a lc o m bf i l t e r , s t r o n g a b s o r p t i v es u b s t r a t e x 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：傻沟埠 日期：6 年弓月即日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：敲：沟峄指导教师签名：曾庄咎 日期：妒6 年弓月矽日日期：矽年罗月矽日 第一章综述 第一章综述 1 1 光通信概述 自古以来，通信就是人们的基本需求之一，这种需求引起人们开始发明能将 信息从一个地方传到另一个遥远地方的通信系统。至今为止，已有多种形式的通 信系统出现，每一种新的通信方式出现的原动力都是来源于改进传输的可靠性、 提高信息传输速率或增加中继站的距离。随着知识时代的到来，人们迫切要求获 得更多更快的信息，因而通信系统必须不断提供更大容量、更高速度的传输能力。 和微波相比，光具有高得多的频率，采用光作为载波来传输信息具有非常大的潜 力，光通信也就成为了现代社会最重要的通信手段。 光波也是一种电磁波，其波长在微米量级，频率为1 0 “量级。其频率比常用 的微波高1 0 1 0 5 量级，因此理论上的通信容量也是微波通信的1 1 0 6 倍。实 际上，在1 9 世纪末就有人尝试用光信号传送话音，但是，由于当时的光源相干 性很差；光波在大气中传播受气候影响严重，很难获得长距离的稳定通信，这成 为光通信领域的两大难题。能够真正实现光通信，得益于2 0 世纪爱因斯坦、肖 洛和唐斯的“光受激辐射理论”、1 9 6 0 年梅曼发明第一台激光器“卅、1 9 6 6 年理 论上证明了“光导纤维长距离传输光波的可能性”、1 9 7 0 年拉制成功低损耗通 信用光纤州。从此，光通信所面l 临的两大难题都解决了，随即迎来了光通信发 展的高峰期。9 0 年代，光通信开始大规模应用，在通信历史上引起了划时代的 变化。 光纤具有低损耗( o 2 o 3 d b 公里) 、通信容量大( 5 0 t h z 每芯光纤) 、 抗干扰能力强、保密性好以及原材料丰富的特点。这些特点使大容量、长距离跨 洋通信成为可能。而真正实现大容量、长距离通信还得依靠另外两项重要的技术 密集波分复用( d w d m ) 嘲和光纤放大器( e d f a ) 删技术。没有1 9 9 0 年发明 的掺铒光纤放大器，就没有今天的d w d m 系统，也就不可能充分利用光纤巨大的 通信带宽。仅靠时分复用技术( t d m ) 提高通信容量来克服受限于电子器件的瓶 颈效应，还很难使单芯光纤的通信容量提高到l o g b it s 以上。 从d w d m 系统的传输距离来看，根据国内关于w d m 系统的行业标准，可以把 长途光纤传输系统分为常规长距离传输系统l h ( l o n g h a u l ) 、亚超长距离传输系统 e l h ( e n h a n c e d l o n g h a u l ) 、超长传输系统u l h ( u l t r a - l o n gh a u l ) 。对于传输距离 小于1 0 0 0 k m 的w d m 系统称为常规长距离传输系统，传输距离在1 0 0 0 2 0 0 0 k m 第一章综述 的w d m 系统称为亚超长传输( e l h ) 系统，传输距离大于2 0 0 0 k m 的w d m 系统称为 超长距离传输( u l h ) 系统。国内各个厂商对于u l h 技术也进行了大量的研究， 中兴、烽火等公司在国家8 6 3 计划的资助下，已经完成了u l h 试验系统的研究和 搭建。中兴公司研发的大容量、超长距离传输u l h d w d m 系统容量可升级达到 1 6 0 l o g b i t s ，波长范围覆盖c + l 波段，可在g 6 5 2 光纤的环路平台上实现超 过5 0 0 0 k m 的无电中继传输。烽火公司研发的超长距离传输系统覆盖c + l 波段， 系统容量可升级达到1 6 0 xl o g b i t s ，直线传输距离可以达到3 0 4 0 k m 。国外设备 制造商也在前几年开始了u l h w d m 系统的研发，朗讯公司开发的l a m b d a x t r e m e 超长距离光传输系统据报道能够将1 2 8 条l o g b i t s 光信号传送至4 0 0 0 k m ，中间 无需放大器。对于6 4 条4 0 g b i t s 的光信号，传输距离可达1 0 0 0 k m 。同时a l c a t e l 、 c i e n a 、c o r v i s 、n o r t e l 等公司也有了商用化产品，但总的来说应用还不多。 光通信作为目前为止传输层唯一的有效传输手段，其发展并不是一帆风顺的 过程，也经历了一个由高峰到低谷的过程。事实上，通过在市场经济的潮流中接 受洗礼，在应用中得到发展，人们对光通信的认识也发生了很大的变化。上个世 纪末，是光通信发展最为辉煌的时期，当时的人们对光通信的理解仅仅局限于追 求超高速，大容量，于是乎，1 0 g 、4 0 g 、8 0 g 甚至1 6 0 g 的超高速率都被研制出 来，并部分投入到商用。当时，在一次光网络研讨会上，某运营商的一位专家尖 锐地提出：“这种不顾实际网络情况，一味追求超大容量的做法会让光通信走入 胡同。”打个很形象的比方，光网络好比一条宽阔的马路，各种业务就像马路上 所跑的车辆，如果只追求马路的宽广，而忽视了车的质量的话，那么后果是很严 重的，但遗憾的是，这位专家的话，在当时并没有得到业内人士的共识。 进入2 1 世纪以后，光通信的利润急剧下降，光纤的价格甚至比普通铜线的 价格还要底。根据当时中国联通基础网络部的调查，联通骨干网络上的光纤容量 的使用率还不到2 0 9 6 ，即使考虑所有业务均使用1 + 1 专有保护的方式，那么使用 率最大也才是4 0 9 6 ，也就是说偌大的联通网络，才使用了不到一半的资源，这简 直就是莫大的浪费。 随后的几年，整个通信行业进入到了一个前所未有的低谷，光通信的发展也 不可避免地受到了巨大的冲击，一时间，许多光通信的大公司依靠自己以前攒下 来的强大实力，还能撑一段时间，而很多小公司却没有那么雄厚的实力，要么转 型，要么破产。 第一章综述 在各个公司因为市场萎靡而一蹶不振的时候，很多光通信的专家也纷纷反思 自己在前几年光通信发展中的错误思想，很多入已经意识到了单纯地追求大容 量、高速度已经不可能再让光通信重现辉煌，对于光通信的未来，我们必须要以 一种新的角度去看待。经过几年的蛰伏，以及整个通信行业渐渐的复苏，最近几 年，光通信的发展呈现了以下几个发展趋势： 首先，光通信研究的重点已经从大容量、超高速转变为实现智能化、自动化。 自动交换光网络( a s o n ) 就是在这个大背景下产生的。a s o n 网络的最大优点就 是改变了以往光网络复杂、冗余的入工连接指配，取代为简单、便利的自动电路 配置。在以前，两地之间拉一条2 m 的电路，往往需要耗费几天的时间，在人力、 物力和财力上都是一个巨大的浪费。但是，在a s o n 网络中，可以实现任意两地 之闻电路的自动指配，并且给予业务很好的生存性，一旦业务发生故障，在短时 间内，就可以进行保护和恢复。a s o n 的引入，可以说是光通信发展历史的里程 碑，它改变了很多学者研究光通信的思路。 其次光网络的边缘化也是光通信发展的另一个趋势。长久以来，光网络都是 作为整个通信体系中的最底层传输层。但是，随着通信行业的迅速发展，城 域网、按入网也越来越希望引入光网络，于是，光网络的发展从核心网正在向边 缘网络发展。为了改变城域网中业务类型多、传输速度慢的缺点，人们开发了多 业务传输平台( i l s t p ) 在接入网中，光纤到户( f t t h ) 也逐渐开始广泛应用， 取代了原有的双绞线上网方式( x d l s ) ，以谋求更大的带宽。 目前m l 在国际市场已经开始德到较大规模的商用，并呈现出良好的发展 前景，f t n i 建设在许多国家已经具有相当规模。日本是全球f t t h 发展最为成功 的国家，2 0 0 2 年1 月日本f 刑用户数仅为i 2 万户，2 0 0 3 年7 月达到5 3 i 万 户，2 0 0 4 年8 月底已飞增至1 6 0 万户，占宽带接入总数的10 9 6 ；日本计划到2 0 0 5 年发展n t h 用户5 8 0 万。日本政府预测，到2 0 0 7 年，日本的f t _ t h 用户将增加 到7 7 3 万户。 虽然与世界上其他国家相比，我国f t t h 产业进展相对缓慢，但已开始展现 出良好的发展前景。我国电信运营商对发展f t t h 的兴趣越来越浓，目前我国不 少地方如武汉、杭州、上海等都已经纷纷开展了f t t h 试点，到2 0 0 6 年，武汉的 f t t h 用户将有可能达到l 万户以上。另外，为了成功举办奥运会。北京奥运会组 委会已经宣布，2 0 0 8 年前将投资6 6 亿美元扩展和升级电信网络，届时北京将完 第一章综述 全可能实现光纤到户。 我国f 竹h 潜在市场需求旺盛：随着我国商业大客户对网络带宽、稳定性需 求越来越高和我国积极发展i p t v ( 网络电视) 等业务需要，a d s l 等现有的接入方 式的带宽已经不能满足需要，如远程工作、远程学习、视频点播( v o d ) 、数字电 视( s d t v ) 等视频业务均要求7 m b i t s 以上的带宽，而高清晰度数字电视( h d t v ) 则需要2 0 m b i t s 的带宽，因此f t t h 在我国将有极大的发展空间。 我国未来的f t t h 产业市场规模巨大，据中国电信权威人士推测，如果未来 我国f t t h 用户数量如果按1 亿计算，那么通讯设备和终端的市场规模将达1 5 0 0 亿元( 1 5 0 0 元户) ，电信运营业收入( 假设a p r u 值为1 2 5 元) 每年近1 5 0 0 亿元， 连带的辐射作用( 对器件、芯片、光纤光缆、材料、业务应用的拉动) 每年有5 0 0 至1 0 0 0 亿元，总计每年拉动市场2 0 0 0 至2 8 0 0 亿元。总之，在未来1 0 年内我国 f t t h 市场总规模将有可能超过1 0 0 0 0 亿。 综上所述，自动交换光网络( a s o n ) 和光纤到户( f t t h ) 将是未来光通信发 展的两个重要方向。光通信经过了前几年的低谷以后，现在正处于一个艰难的上 升阶段，很多学者也纷纷看好未来几年内光通信的发展，因为他们认为光通信现 在正在遵循一条正确的道路在发展。 1 2 光纤通信中的光电子器件 上一节简要介绍了光通信的发展历史和现状。我们知道光通信的飞速发展离 不开光电子器件的支持，本文的研究内容是双面金属包覆波导的特性以及在光电 子器件中的应用，具