（光学工程专业论文）聚合物热光开关的控制及驱动电路设计.pdf

i | l l i 川f i f f | i i f f l l i | | i f f i i | | i | i i f 删 y 17 6 2 0 9 6 t h e d e s i g no fd r i v i n ga n dc o n t r o u i n g c i r c u i to ft h ep 0 1 y m e r i ct h e m o o p t i c s w i t c be s at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu h i v e r s 时 f o rt h ea c a d e m i cd e 舒e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y y m h a o f e n g - ， s u p e n 噎s e db vs u d e r v l s e db v p r o c u iy i p i n g s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g s o u t h e a s t u n i v e r s i 够 a p r i l2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期：塑! 望：墨! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 虢湃：群 捅要 摘要 随着光纤通讯系统的日益复杂化和对频宽、传输速率等要求的不断提高，光纤通讯系统开始向 着全光网络发展，而密集波分复用( d 1 a d m ) 技术已成为全光网络的最佳解决方案，全光网络的发 展已成为光纤通讯的主要发展方向，所以全光网络中的光开关已成为未来光开关发展的主流。 在光网络中，光开关可以实现光路的通断与切换，从而实现光网络中的路由选择、波长选择、 光分插复用( o a d m ) 、光交叉互联( o x c ) 、以及网路保护等功能。因而，作为全光网络的一个重 要组成部分，光开关器件除了满足在插入损耗、串扰、功耗、响应时间等各方面的要求外，还必须 与整个光网络协调一致的工作，这样就必须为光开关器件配备快捷、有效的驱动系统，从而使光开 关器件能够按照整个光网络的要求进行工作。本文在分析了聚合物热光光开关的工作特点的基础上， 为实验室所研制的各种光开关光器件研制了相应的驱动与控制电路系统。 本文以1 l 单元结构的马赫泽德干涉型热光开关的控制及驱动电路系统为起点进行研究，通 过分析光开关的工作特性，研制了相应的手动测试电路和驱动电路，实验证明，所设计的驱动电路 成功地实现了热光开关单元的驱动，该驱动电路速度快、结构简单且容易控制。在此基础上，为由 2 2 单元组成的六级级联光开关研制了基于c p l d 的驱动级控制电路系统，为由l 2 单元组成的l 3 2 光开关阵列设计了基于单片机和c p l d 的驱动及控制电路系统。 本文对所研制的电路系统进行了性能参数的测试和分析，并用所研制的电路系统对热光开关的 特性进行了测试，实验测得热光开关的开关时间为m s 级，而该电路系统能够满足聚合物热光开关的 驱动要求。 关键词：光通信、聚合物热光开关、开关阵列、控制及驱动电路、单片机、c p u ) 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也m eo p t i c a lc o m m u l l i c 撕o ns y s t e m si n c 把勰i n 酉yc o m p l e ) ，觚dt t i eb 锄d w i d n l t 啪s f e r 珀士e 蛐d 0 m c rf a c t o r sc o n s t a n t l yi m p r o v e ，f i m 研cc o m m u i l i c a l i o ns y s t e m st 0 、v a r da n - 0 p t i c a ln e t w o f i ( s ，l ed e n 辩 w a v e l e n g c hd i v i s i o nm u l t i p l e 虹n g ( d w d m ) t e c h n o l o 影h 嬲b e c o m e 廿l eb e s ts 0 l u t i o no fa l l o p t i c a ln e t w 0 咄 a l l - o p t i c a ln e t 、】l ，0 r i c sh 嬲b e c o m et l l em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o i l s ot l l e o p t i c a ls w i t c h e si i la l l o p t i c a ln e “v o r k sh a v eb e c o m et h e 内t u r em a i r l s t r e 锄o fo p t i c a ls w i t c h e s i no p t i c a jn e t w o f l ( s ，o p t i c a ls w i t c hc a ns w i t c ho rm a k eo 舶f fl i g h tw a yi i i 也eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n m t w o r k si no r d e rt oa c h i e v er o u t i r 培i no p t i c a ln e t w o r k s ，w a v e l e n 舀hs e l e c t i o i l ，o p t i c a la d d - d r o p m u l t i p l e x i n g ( o a d m ) ，o p t i c a lc r o s s - c o 衄e c t e d ( o x c ) ，a n dn e t w o r kp r o t e c t i o nf e a ：t u r e ss u c h 笛t h u s ，m e o p t i c a ls w i t c l l ，a st l l e - 姗p o r t 锄tc o m p o n e n to ft h ea l l o p t i c a ln e t 、) l ，0 f i 【，i i la d d i t i o nm e e tt 1 1 em s e r t i o nl o s s ， c r o s s t a l i ( ，p o w e rc o n s 啪p t i o i l ，r e s p o n s et i m ea n do t h e rr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s om u s tb ec o o r d i n a t 酣w i t ht h e e n t i r eo p t i c a ln e t 、) 旧r kw o f i ( ，s ot h a to p t i c a ls w i t c hs h o u l dh a v ea c o r r e s p o n d i n gf 如t ，e 伍c i e n td r i v es y s t e m w h i c hc a nm a k et h es w i t c hw o r ki na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e i t t so ft h ee n t i r eo p t i c a jn e t 、 ，o r k b 笛e d o nt h e 锄a l y s i so ft h ec h 矾拟e r i s t i c so ft h ep o l y m e rt h e m o - o p t i cs w i t c l l w ed e s i g nm ed r i v i n ga i l d c o m r o l l i n gs y s t e m sf o ro p t i c a ls w i t c h e so fo u r l a b o r a t o i nt h i sp 印e r m ed r i v i n g 锄dc o n 仃o l l i n gs y s t e mo flx1m a c h - z e l l n d e ri n t e 疵r e n c e ( m z i ) t h e 册。一o p t i cs w i t c h 舔as t a n i n gp o i n tf o rr e s e a r c l i w ed e v e l o p e dt h ec o r r e s p o n d i n gm a l l u a lt e s tc i r c u i ta n d d r i v e rc i r c m tb ya n a l y z n gt h e 、v o 越n gc h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a ls w i t c h e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ed r i v e c i r c u i tc a ns u c c e s s 如l l yd r i v et h eu i l i to ft h et h e n n o - o p t i cs w i t c i l ，a i l dm ed r i v e rc i r c u i th 雒t 1 1 ef e a t u r e so f h i g hs p e e d ，s i m p l es t n l c t u r e 锄de a s yt 0c o m r 0 1 i na d d i t i o n ，、ed e s i g n e dt h ed r i v i n ga r l dc o n t r o l l i n g s y s t e mf o rs 政c a s c a d e do p t i c a ls w i t c hw h i c hi sc o m p o s e db yt h e2 2m z iu n “b 雒e d0 nc p l d ，甜证t h e d r i v i n ga l l dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fl 3 2o p t i c a ls w i t c h 、v h i c hi sc o m p o s e db yt l l el 2m z iu n i tb a s e do n c p l d 锄d m c u t h ed e s i g no ft h ed r i v i i l g 锄dc o n t r o l l i r 唔s y s t e m sa r ei l l 仃o d u c e di i ld e t a i l ，锄dt h ep a r a m e t e r so ft h e c i r c u i t sa r et e s t e d 锄d 锄a l y z e d ，i l la d d i t i o mt h eo p t i c a ls w i t c h i n gc h 孤a c t e r i s t i c so ft h es w i t c h e sh a v eb e e n t e s t e db yt h ec i r c u i ts y s t e m s mt l l i sp 印e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o 、v sm es w t c ht i m eo ft h e 廿1 e n n o - 0 p t i cs w i t c h e si sm s ，锄dm ec i r c u i ts y s t e mc 孤m e e tt h ep o l y m e r l e 珊o o p t i cs w i t c hd r i v i n g r e q u i r e m e n _ t s 1 ( e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，p o l y m e r i ct i l e r m o o p t i cs w i t c h ，s w i t c hm a 仃i ) 【，荫v i n g 锄dc o n t r o l l i n g c i r c u i t ，m c u ，c p l d i i 目录 目录 摘要1 a b s t 雠t 。i i 目j j 乏- i i l 第一章绪论l 1 1 前言- l 1 2 光通讯产业简介l 1 3 各类光开关介绍4 1 3 1 机械式光开关4 1 3 2 非机械式光开关4 1 4 课题来源、目的与本论文的主要研究内容6 第二章有机聚合物热光开关器件8 2 1 热光开关的调制原理8 2 1 1 热光效应8 2 1 2 热传导及热场分析9 2 2 波导型热光开关介绍1 0 2 3 光开关的主要性能参数及特性指标1 4 2 3 1 光开关器件的参数定义1 4 2 3 2 光开关阵列的主要性能参数1 5 2 3 3 热光开关的主要特性指标1 6 2 4 光开关测试系统16 2 4 1 光纤波导耦合方式与对准模型1 6 2 4 2 光开关的静态工作特性测试系统装置，1 7 2 4 3 光开关的动态工作特性测试系统装置1 9 2 5 本章小结1 9 第三章聚合物热光开关单元芯片驱动与控制电路的设计2 0 3 1 马赫泽德干涉型( m z i ) 热光开关器件的原理2 0 3 2 马赫泽德干涉型热光开关器件的驱动系统2 2 3 2 1 器件的制作2 2 3 2 2 测试及驱动系统的设计与制作2 7 i 东南大学硕士学位论文 3 2 3 测试结果 3 3 本章小结。 第四章聚合物热光开关阵列的控制及驱动电路设计。 4 1 热光开关阵列的驱动及控制系统设计方案 4 2 六级级联热光开关的驱动及控制系统设计方案 4 2 1c p l d 器件的特点与选取 4 2 2 可编程器件的开发环境介绍 4 2 3 驱动及控制系统介绍 4 3l 3 2 热光开关的驱动及控制系统设计方案 4 3 1 1 3 2 热光开关的驱动及控制系统硬件设计 4 3 2 系统主要芯片介绍 4 3 3 系统的软件设计4 8 4 3 4 分析与结论4 9 4 4 本章小结4 9 第五章驱动及控制电路p c b 板的设计5 0 5 1p c b 的设计流程5 0 5 2p c b 设计时的布局5 l 5 3p c b 设计时的布线方法5 l 5 4 电源线、地线的处理5 2 5 5p c b 设计完整规则5 3 5 6 本章小结5 5 第六章总结与展望。5 6 6 1 全文总结5 6 6 2 未来展望5 6 致谢5 7 参考文献5 8 附录6 l 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 3 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 1 9 6 6 年，有“光纤之父”美誉的英籍华裔科学家高锟和另一位科学家q a h o c k i 姗发表了“运 用玻璃纤维可作为光波导媒介的理论基础”【l 】，至此，近代光纤通讯发展起来了，经过几年的发展， 1 9 7 0 年，美国康宁( c o n l i i l g ) 公司成功制造出了第一根低损耗石英光纤( 2 0 d b 缅) 【2 】，这也正式 开启了光纤通讯发展的大门。光纤相比传统的铜线电缆，有质量轻、体积小、频宽大、传输容量大、 损耗小、中继距离长、抗电磁波干扰性能好、信号串音( c r o s s 砌l k ) 小、保密性高等优势，因而以 光纤维基础的光网络便成了网络发展的最佳选择。 随着网络经济的兴起，网络使用者急剧增加，而且人们对于网络频宽的需求也在提高，这样迫 使光通讯产业快速蓬勃地发展起来。于是，许多网络公司及光通讯相关产业的公司，对于网络投入 大量资金研发。然而，全球网际网络于2 0 0 0 年中却开始产生泡沫化，市场对于光通讯的需求急剧下 滑，迫使光通讯厂商开始进入并购整合的阶段。经过几年的沉积与公司并购整合后，2 0 0 4 年后已呈 现缓步正向成长的趋势，甚至于2 0 0 6 年全球光通讯产业复苏的脚步更加快速。 另一方面，光纤局域网( o p t i c a ll a n ) 以及光纤到家( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 等资讯领域 的应用市场，加速了光通讯产业的复生，如美国的光纤到户( f i b e rt 0t 1 1 ep r e m i s e s ，f ”限) 与日本 的光纤到家( f t t h ) 、韩国的u b i q u i t o u sk o r e a ( u k o r e a ) 或称( b r o a d b a n dc o n v e q 聆n c en e 柳o r k ， b c n ) 、台湾的数位台湾计划( e 1 a i w 觚) 、欧盟的e e u r o p e 等宽频网络计划的需求，都可为光通讯产 业的市场提供了成长的动力。 1 2 光通讯产业简介 光通讯产业可以分为光纤光缆、光主动元件、光被动元件及光通讯设备与系统等( 来源于 p h o t o n i c si n d u s 舡y 锄dt e c h n o l o 斟d e v e l o p m e n t a s s o c i a t i o n ，p i d a ) 。其中，光纤光缆为最基本的光信 号传输材料，光纤( f i b e r ) 为玻璃、塑胶等材料抽丝而成的光传输媒介，光纤内层包含一根极细的 轴心( c o r e ) ，轴心外圈再包覆一层包覆层( c l a d d i l l g ) ，包覆层外再包围一层保护层( j a c k e t ) ，用于 防止外力损害光纤的包覆层及轴心，起到保护的作用。由于包覆层的折射率比轴心小，因此，光波 可以在光纤内以全反射的方式传输信号。此外，光纤具有质量轻、制造材料来源丰富等特点，在传 输讯号上，更有大频宽、抗电磁波干扰、讯号串音小及保密性高等优越的传输性能。 光纤可大致分为单模光纤、多模光纤以及其他特殊光纤等几种类型【3 】。其中，单模光纤只传输 一个模态，适应于大容量长距离的光纤通讯，多模光纤则可同时传输多个模态，但传输损耗大，因 l 东南大学硕士学位论文 此，适用于局域网络。 光缆( f i b e rc a b l e ) 则是将光纤集结后加上缓冲层、防水层、包覆层以及支撑结构等结构构成的， 已达到原有光纤的传输特性，便于施工及保护光纤。 光主动元件包括光源( l i g h t - e m i t t i n gd i o d e 几舔e rd i o d e ，l e d l d ) 、光放大器( o p 6 c a l 锄p l i f i e r ) 、 检光器( p h o t 0 d e t e c t o r ) 、光调制器( m o d u l a t o r ) 等；光被动元件则包括光隔绝器( o p t i c a li s o l a t o r ) 、 连接器( c o 册e c t o r ) 、耦合器( c o u p l e r ) 、光开关( o p t i c a ls w i t c h ) 、光衰减器( o p t i c a la n e n u a t o r ) 等元件。 在光传输网络方面，以密集波分复用( d e 船ew a v e l e n g t l ld i v i s i o nm u l t i p l e 虹n g ，d w d m ) 【4 】 最受瞩目，密集波分复用是在同一条光纤内，同时传输多个不同波长的光信号，以倍增光纤传输容 量所开发的分工技术。所以密集波分复用为基础的光纤通讯系统，可以将光纤的传输容量增加数十 倍到百倍以上，是扩增光纤骨干网络频宽的最佳方法，所以密集波分复用已成为现代宽频网络中不 可或缺的重要技术。如果将光通讯网络比为一条道路，则密集波分复用可说是增加道路宽度( 即网 络频宽) 的重要技术，而资料流量则比为车流量。但是，如果不能将增加出来的路宽与车流量做适 当的调度，则极有可能产生有些车道塞车，有些车道毫无车流的窘境。所以，如何调节车流就成了 另一个关键的课题。 图1 1 为密集波分复用的基本结构，多个不同波长的光信号，由发射端( t r a n s m i 牡e r ) 传送， 并经由复用器耦合至光纤传输，在利用光开关进行光信号的切换连接( 即调节车流) ，及掺铒光纤放 大器( e r b i u md o p e d 硒e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 将光信号的功率放大，以避免光信号的过度衰减，无法 进行长距离的传输，接着用上传埠( a d dp o n ) 与下传埠( d r o pp o r t ) 来提供特定波长的拮取或上传 信号，最后，由解复用器将光信号分解出多个不同波长的光信号，并传输至接收端( r e c e i v e r ) 输出。 币翟嗍黻窟fr e o e h ，e r 图1 1 密集波分复用的基本结构 随着光纤通讯网路系统的日益复杂化，且频宽需求、传输速率等因素的不断提高，目前光纤网 路系统向着全光网络( a l l o p t i c a ln e 细o r k ) 发展【4 ，5 】，全光网络是指信号传输与切换皆在光域( o p t i c a l d o m a i l l ) 中进行，而不需要进行光电光( o e o ) 的转换过程，传统的光电光转换，因为需要进 2 第一章绪论 行光信号与电信号的转换过程，所以会导致插入损耗( i i l s e r t i o nl o s s ) 和串扰的增加，造成频宽渐渐 的不敷使用，因此，全光网络的发展已成为光纤通讯的主要发展方向，同时全光网络中的光开关已 成为未来光开关发展的主流。 光开关在现代光纤通讯网络系统中扮演着切换光信号的重要角色，即：光开关拥有将信号由输 入端切换至特定输出端的功能，这样就达到光分插复用( o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x e r ，o a d m ) 、光 交叉互联( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ，o x c ) 、以及网路保护( n e “v o r kp 玎0 t e c t i o n ) 等功能。所以，在众 多光元件中，光开关是一个引人注目的焦点，且是一个不可或缺的元件，其主要应用如下【6 1 0 】： 1 ) 光分插复用( o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x e r ，o a d m ) 设备 o a d m 是全光网络的重要技术，主要针对s d h 和a t m 信道的上下话路。在骨干网络传输系统 中，2 0 的业务在中间节点通过o a d m 实现上下路，其结构也是由解复用、复用和交换单元组成，在 应用中主要用于环形的城域网中，实现单波长或多波长从光路上的自由上下。由于光开关的使用， o a d m 可以在网络的某个节点从d w d m 信号中选出并卸下一个波长，然后在原波长上加入一个新 的信号继续向下一个节点传输，从而可以实现任意波长的动态上下，使o a d m 能动态配置业务，增 加了o a d m 节点的灵活性和网络的负载管理功能，同时，使得o a d m 节点能支持保护，当网络出 现故障时，节点将故障信道切换到备用路由中，增强了网络的生存能力和网络的保护和恢复能力。 2 ) 光交叉互联( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ，o x c ) 设备 o x c 是w d m 网的网络节点设备，将光信号从输入端连接到输出端，其实际上是在m n 的光纤 输入输出矩阵之间提供连接的动态交换板。通过对光信号进行交叉连接，o x c 能够在矩阵结构中提 供无阻塞的一到多连接，从而实现灵活的管理光传输网络。 o x c 是、粕m 的各个组成部分中最复杂的节点，它主要由开关矩阵组成。它不仅应具备网络间 的信息耦合功能，还应具备光分插复用功能。在光网络中，具有智能功能的光交叉连接技术是面向 业务的光网络成功的关键，并且在新一代光网络中也扮演着重要角色。光层上的动态光路径管理、 光网络故障保护、恢复以及业务扩展都与其息息相关。此外，网络的可重构性，自愈能力及网络的 可扩展性等均须通过o x c 节点来实现。所以o x c 是实现实用化w d m 网的核心器件。而光开关器 件则是o x c 中的关键器件，尤其是无需光电电光转换的全光交叉互连的器件，其技术水平直接决定 着光通讯网络的性能。 o x c 对光开关器件的要求主要有：低插损( 1 0 d b 以下) 、低串扰( 5 0d b 以下) 、低开关时 间( m s 量级) 以及无阻塞运作。同其它光开关相比，热光光开关由于有可能得到很大的交换规模， 而且具有良好的性能，因此很可能成为解决制约o x c 交换数量的突破口。 3 ) 全光网络中的网路保护( n 咖o r kp r o t e c t i o n ) 当光纤断裂或传输发生故障时，就可以通过光开关来改变信息的传输路径，实现对信息的保护。 3 东南大学硕士学位论文 这需要光开关的工作速度为m s 级，在未来的光分组交换网中，光开关则可能必须支持m 级的开关速 度。 4 ) 网络监视及测试 在通讯系统中，通过光开关可以将多个网络单元( 光纤、器件或是其它子系统) 连接起来，通 过光开关的切换实现对多个单元的监视和测试，从而简化了系统，提高了系统效率。 1 3 各类光开关介绍 由于光开关在光通讯领域中具有举足轻重的地位，国内外主要研究机构及大的公司一直都在持 续开展相关的研究工作。根据工作原理的不同，光开关主要分为机械式与非机械式，机械式光开关 以光纤或光学元件的移动来改变光路，一般有移动光纤型、移动准直器型、移动反射镜型、移动棱 镜型等；非机械式光开关没有机械移动的部分，主要利用介质的电光、热光、磁光、声光效应等特 性来改变介质的折射率或其他特性，使光路发生改变，各种光开关的简略说明如下： 1 3 1 机械式光开关 1 1 1 5 1 传统的机械式光开关 机械式光开关是利用机械动力零件，如步进马达( s t e p p i n gm o t o r ) 、压电制动器( p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r ) 、继电器( r e l a y ) 等元件，控制光纤、棱镜、透镜等元件来切换光路，它不受偏振和 波长的影响，插入损耗低、串扰小、光学性能好，开关速度为毫秒级，但体积较大，限制了大 规模应用的场合。 2 微机电( m e m s ) 式光开关 微机电式光开关是基于半导体微细加工技术( 例如体型微细加工技术、面型微细加工技术 等) 构筑在半导体基片上的微镜阵列，即将电、机械和光集成在一块芯片上，其基本原理是通 过静电力或电磁力作用，使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动，改变输入光的传播方向以 实现光路的通断。m e m s 光开关的插入损耗低、串扰低，与波长、速率、调制方式无关，功耗 低、寿命长，可集成大规模光开关阵列，而且可以大批量生产，所以微机电技术广泛地应用于 光开关元件的发展上。在光交叉连接及需要支持大容量交换的系统中，基于m e m s 技术的解决 方案已经成为主流。但是m e m s 光开关也有着明显的缺点，包括稳定性差、寿命短、响应速度 低( m s 级) 、对温度依赖性大等，所以迫切需要发展其他类型的光开关。 1 3 2 非机械式光开关 1 波导光开关 4 第一章绪论 波导型光开关的原理是利用电光、热光、磁光、声光效应等特性来改变介质的折射率，实 现光路切换的功能，这类光开关的最大优势是利用集成，可以大大减小器件的尺寸，提高器件 的工作特性。 ( 1 ) 热光效应光开关【1 6 - 2 5 】 热光效应是指通过对波导加热来产生折射率的变化，热光开关利用热光效应实现光路的切 换，热光开关主要建立在平面光波导( p l 卸a r “出w a v ec h u i t ，p l c ) 技术及聚合物波导( p o l y m e r w a v e g u i d e ) 上，并大致区分为干涉型和数字型两种切换形式，干涉型的切换形式是利用 m a c h z e h n d e r ( m - z ) 干涉仪，将一束入射光分成两束，加热器加热改变波导的折射率，使得 两调制臂之间产生相位差，当两调制臂合并输出时，输出光是两调制臂中的光场进行相互叠加 的结果，干涉相长或干涉相消，从而达到光路切换的目的。数字式的切换形式则是通过加热器 加热与否，从而使折射率改变为正值或负值，当为正值时光顺利通过，为负值时光无法通过， 从而达到光路切换的目的。 干涉型的光开关切换光路所需要的能量较小，而数字式的光开关不受驱动波动所造成的暂 时性折射率改变的影响，它们均有自己的优点，实际使用可以根据需要选择任意一种类型。热 光开关采用可调节热量的波导材料，如s i 0 2 、s i 和有机聚合物等，其中，聚合物波导技术成本 低、串扰小、功耗低、与偏振和波长无关，对交换偏差和温度不敏感，是非常有发展前途的关 开关。 ( 2 ) 电光效应光开关【1 7 】 电光开关利用电光效应，即通过施加电场来改变材料的折射率，从而可以方便地控制光在 波导中的强度、相位以及传播方向，电光开关的开关时间短、调制带宽宽，受到人们极大的关 注。 ( 3 ) 声光效应关开关【1 7 】 声光效应是指声波在通过材料时，可以使材料产生机械应变，从而引起材料的折射率的变 化，形成周期与波长相关的b r a g g 光栅，输入的光波沿内部有声波的波导传播时，将发生散射现 象。声光开关的工作原理是利用声波来反射光波，其开关速度较快，可达到纳米量级，但是插 入损耗较大，成本较高。 ( 4 ) 磁光效应光开关【1 7 】 磁光效应光开关是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振 光腼的作用，从而达到切换光路的作用。相对于传统的机械光开关，磁光开关具有开关响应速 度快、稳定性高、灵敏度高等优势，而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、 串扰小等优点。 5 东南大学硕士学位论文 2 液晶光开关【1 7 ，2 6 - 2 8 】 液晶式光开关主要利用外部电场来控制液晶分子取向而实现光开关功能。首先利用偏振光 分束器选择出所需要极化方向的入射光，使其进入液晶单元，通过给液晶单元外加电压来改变 液晶分子的排列方式，从而改变入射光的极化方向，最后选择出特定极化方向的光信号，从而 达到切换光路的目的。液晶光开关的能耗低、使用寿命长、隔离度低，但是插入损耗却很大。 上面对于各种光开关做了简单的介绍，表1 1 是对几种光开关的性能比较，各种类型的光 开关都有其特有的优缺点和应用场合，在设计时可做简单的参考。 表1 1 各种光开关的性能比较【2 9 】 光开关主要的性能 优点缺点主要应用场合 类型 开关时间插入损耗 传统机不受偏振和波长的影 械光开m s 级低 响，插入损耗低、串体积较大 小规模的应用 场合 关扰小 m e m s 十几个 低 插入损耗低、串扰低， 稳定性差、寿命 可应用于大规 m s ( 8 ( 2 2 3 与波长、调制方式无 光开关短、响应速度低模光开关阵列 8 )3 d b ) 关，寿命长 热光开聚合物：聚合物： 成本低、串扰小、功 小型光开关、 耗低、与偏振和波长 对温度和波长由单元组成大 关几个毫秒1 1 2d b敏感规模的开关阵 无关，集成性好 列 电光开 短，可达 到n s 量大 开关时间短、调制带串扰大、插入损可用于大容量 关宽宽耗大长途通信系统 级 液晶光能耗低、寿命长、隔 开关 慢 大 插入损耗大o a d m 离度低 声光开 5 0 1 1 5 i 1 0对基片进行清洁处理 制作下包层，利用旋转涂覆的方法制备，并对下包层进行固化处理 制作芯层，利用旋转涂覆的方法制备，并对芯层进行固化处理 蒸镀铝膜，采用真空蒸镀的方法镀一层金属铝，作为刻蚀的阻挡层 光刻，在金属铝上旋涂一层光刻胶，烘干后，利用掩膜板进行光刻，再次烘干后利用显影液进 行显影，然后再利用铝腐蚀液进行铝腐蚀，这样就可以将图形转移到铝上 刻蚀，经过反应离子刻蚀工艺进行刻蚀，形成波导，再去除剩余的金属铝和光刻胶 制作上包层，利用旋转涂覆的方法制备，并对上包层进行固化处理 套刻，先镀一层电极层，在金属电极上旋涂一层光刻胶，烘干后，利用掩膜板以及波导上的套 刻标记进行套刻，再次烘干后利用显影液进行显影，然后再利用金属腐蚀液进行腐蚀以及去胶 处理，这样就形成了电极图形 有了上面的工艺，就可以制各光开关器件了。试验中光开关波导使用的是紫外固化材料z p u ， 当入射波长为1 5 5 0 姗时，芯层波导折射率为1 4 6 ，包层折射率为1 4 5 。z p u 材料的热光( t o ) 系数为1 8 1 0 4 ( l ( ) 。实验中的1xl 马赫曾德型热光开关，波导的宽度和厚度均为6 微米，其 结构示意如图3 4 所示： 图3 4 l 1m z 光开关结构示意图 当电极不加载电流时，两波导汇合时的相位差为0 ，干涉相长，此时输出光功率最大；当电极 上加载电流时，电极下方调制臂上的折射率会随之发生变化，当电流达到一定值时，两波导的相位 差为石，此时干涉相消，输出光功率会变为0 ，从而实现光开关的功能。 具体的波导光开关制备方法如下：以硅片为基底，采用旋转涂覆法，旋涂一层紫外固化材料 z p u 4 5 作为下包层；然后旋涂一层紫外固化材料z p u 4 6 作为波导芯层，固化处理后，经过光刻与反 应离子刻蚀工艺制作出光开关的波导结构；再旋涂一层紫外固化材料z p u 4 5 作为上包层：接着，采 用真空镀铝以及套刻工艺制作电极和引线。 2 、器件的端面处理 做好光开关芯片后，为了提高光开关与光纤的耦合效率，最后还需要对器件进行端面处理，经 2 3 第三章聚合物热光开关单元芯片驱动与控制电路的设计 过切割、研磨和抛光工艺处理后，得到光开关芯片。先利用划片机对波导进行切割，然后对波导侧 面进行研磨抛光处理，减少其与光纤对准时的耦合损耗，为了保护电极不受损伤，首先在电极的表 层涂覆一层光刻胶进行保护，然后采用石蜡将载玻片粘接在样品表面，利用划片机进行划片，再利 用研磨机，采用2 0 、7 、3 5 微米的硅颗粒研磨液进行研磨，再利用碱性抛光液对端面进行抛光，具 体如下： 1 ) 切割 实验中对光波导的切割采用沈阳科晶公司的e c 4 0 0 型多功能划片切割机，见图3 5 。之前我们 曾经采用激光切割的方法。由于激光的高温使聚合物膜有一定程度的损伤，而e c 一4 0 0 多功能切割机 在切割的过程中用水进行冷却，可以减少损伤，这就大大减少后面的研磨时间。 图3 5e c 4 0 0 多功能切割机 e c 4 0 0 多功能切割机在切割的整个过程中都需要水冷却，为了避免对聚合物膜表面的损伤，在 切割之前应该对其进行保护，实验中使用l m m 厚的载玻片，用紫外固化胶黏结。 。+ j 一 ， 图3 6e c - 4 0 0 自动切割时的运动方向示意图 东南大学硕士学位论文 x 轴行程 y 轴行程 z 轴行程 剩余次数 玩l = 二和晶强备氟遣焉p 曼公置 一晶体形状 e 书圆形珊 r 方形脚 一晶体尺寸t | l 直径1 3 0咖 - 一 一片信息 片宽丽r 一脚5 片数r 一| 瑚剖参数 1 抬刀高度一脚2 切割深度一珊 刀牌度一皿 图3 7e c - 4 0 0 自动切割机的参数设定界面 注意事项： 1 自动切割的全部参数在运行的过程中是无法改变的，因此，切割运行前需要慎重设定所有 切割参数。 2 切割速度，尤其是x 轴与z 轴的切割速度，关系到样品切面质量的好坏，过慢的切割速度， 会造成时间的浪费，过快的切割速度则会影响切割后端面的效果。 。 - 一j -一 2 ) 研磨 切割完之后的断面还十分粗糙，下一步就是对端面进行研磨，研磨的设备是沈阳科晶公司的 l n 岍p o l 1 2 0 2 型精密研磨抛光机及自动滴料器( 参数：研磨盘转速o 1 2 5 转、分钟) ，见图3 8 。研 磨粉为碳化硅，经过试验得到比较良好研磨效果的步骤如下：w 2 0 粗磨3 0 分钟、w 7 精磨2 0 分钟、 、3 5 精磨2 0 分钟，研磨速度均为2 0 转分钟( 其中w 2 0 、) i ，7 、w 3 5 指的是使用的研磨颗粒一碳化 硅颗粒的尺寸，单位是微米) 。 2 5 隰孵孵隰 图3 9 抛光1 8 小时后的端面 经过一系列的端面处理后，得到器件芯片，如图3 1 0 所示。 图3 1 0 端面处理后加上导线的器件 东南大学硕士学位论文 3 2 2 测试及驱动系统的设计与制作 光开关芯片制备成功后，需要外加电路来驱动。以8 9 c 5 l 单片机为核心，设计并制作了手动测 试系统以及驱动电路系统。 1 ) 手动测试系统的设计与制作 热光开关在没有加电流时，输出光强最大，当加载电流达到一定值时输出光强最小。为