（微电子学与固体电子学专业论文）有机聚合物数字型热光光开关的研究.pdf

争 浙 江 大 学 硕 士 论 文摘 委 摘要 随着通 信技术及业务的 飞 速发 展， 密 集波 分复 用 ( d w d m ) 技术n 前 被认为 是 解决大容量光纤通信最有效的办法， 因此作为d w d m技术的关键器件 光开 关的研究是当前集成光学器件研究的热点之一。 光开关可实现在全光层的路由选 择、波长选择、光交叉连接以 及自 愈保护等功能。 聚合物材料是一种非常实用的 材料，具有高热光系数、低热导系数等优点。 本文提出了一种基于聚合物材料的新型数字型热光光开关， 具有功耗低、 插入损 耗低、串扰低等优良 特性，并且具有偏振无关，工艺简单以 及易于制作等优点。 本论文首先利用弯曲 波导辐射损 耗原理， 提出 一种双电 极的s 弯曲 波导的热 光型v o a ( v a ri a b l e o p t i c a l a tt e n u a t o r ) 结构， 并将普通的y分叉型d o s ( d i g i t a l o p t i c a l s w i t c h ) 的 输出 波导末 端的 一 段s 形 弯曲 过 渡波导改 造成如上 所述的s 弯曲 波导型v o a ， 构成一种低串 挠的 数字型热光光开关结构 ( 已申 请国 家发明 专利 “ 低串 扰数字光开关， ，申 请号: 2 0 0 3 1 0 1 0 8 4 0 8 . 2 ) 。 在新的d o s 设计中y 分叉的功能主要用来实现光能的初步分离， 降低串 挠 ( 或提高消光比) 的任务交 由s 弯曲 波导v o a来完成， 这样又降低了对y分叉器的 制作要求。 实验侧得该 1 x 2 数字型热光光开关在施加1 4 0 m w功耗时， 串 扰为一 3 9 d b ， 光开关时间为3 4 m s ，器件附加损耗不大于一 1 . 5 d b e 在对称y分叉i x 2 d o s 的基础上， 还进行了非对称i x 2 d o s 的设计和分 析， 并设计和制作了i x4 与2 x 2的集成光开关阵列， 初步的实验测试证明它们 同 样具有优良 的光开关特性， 达到了预期效果。 匆 浙 i x大 学 硕 士 论 文披 要 abs t r act wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d b u s i n e s s , d wd m t e c h n o l o g y i s c o n s i d e r e d t o b e t h e k e y m e t h o d t o s o lv e p r o b l e m s i n h i g h - c a p a c it a n c e o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n . r e s e a r c h o n o p t i c a l s w i t c h d e v i c e s i s h i g h l i g h t n o w a d a y s . o p t i c a l s w it c h d e v i c e s a r e k e y c o m p o n e n t s in a l l - o p t i c a l n e t w o r k , a n d p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n o p t ic a l f i b e r c o m m u n i c a t io n . i t i s u s e d i n r o u t in g s w i t c h , w a v e l e n g t h c h o i c e , o p t i c a l c r o s s c o n n e c t i o n , n a t u r a l r e p a ir p r o t e c t i o n a n d s o o n . p o ly m e r m a t e r i a l i s a k i n d o f a p p l i c a b l e m a t e r i a l . i t h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h t h e r m o - o p t i c a l r a t i o a n d l o w h e a t c o n d u c t i o n r a t i o . i n t h i s t h e s i s , w e d e s i g n a n d a n a l y z e a n o v e l p o l y m e r t h e r m o - o p t i c a l d i g i t a l o p t i c a l s w i t c h ( p o s ) d e v i c e . t h e d o s i s a tt r a c t i v e i n p r a c t i c e d u e t o i t s l o w c r o s s t a l k , l o w i n s e r t i o n l o s s a n d l o w p o w e r c o n s u m p t i o n , i n a d d i t io n , i t s h o w s g o o d p o la r i z a t i o n i n d e p e n d e n c e a n d g o o d s t a b i l i t y . a t f i r s t , b a s e d o n t h e t h e o r y o f r a d i a t i o n l o s s o f b e n d w a v e g u i d e , w e p r e s e n t a k i n d o f p o l y m e r t h e r m o - o p t i c v a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o r ( v o a ) w i t h s - b e n d w a v e g u i d e a n d t h e n w e c h a n g e t h e o u t p u t s - b e n d w a v e g u i d e s o f t h e c o n v e n t i o n a l y - b r a n c h in g d i g i t a l o p t i c a l s w i t c h i n t o t h e a b o v e v o a . w e c o nn e c t t h i s v o a w i t h a n o v e l s t r u c t u r e - o p t i m i z e d y b r a n c h . t h e y - b r a n c h d e v i c e i s u s e d t o r e a l i z e t h e i n i t i a l l y o p t i c a l p o w e r a s s i g n . a n d t h e v o a i s u s e d t o r e a l i z e t h e l o w c r o s s t a l k . a t l a s t , w e g e t t h e 1 x 2 s y m m e t r i c d o s w i t h l o w i n s e rt i o n l o s s a n d l o w c r o s s t a lk ( we h a v e a p p l i e d a p a t e n t f o r i t : l o w c r o s s t a l k d i g i t a l o p t i c a l s w i t c h % a p p l i c a t i o n c o d e : 2 0 0 3 1 0 1 0 8 4 0 8 .2 ) . wi t h a n a p p l i e d e l e c t r i c a l p o w e r o f 1 4 0 m w , i t h a s a l o w i n s e r t i o n l o s s o f - 1 .3 d b a n d a l o w c r o s s t a l k o f - 3 9 d b a t 1 . 5 5 ,u m . t h e s w i t c h s r e s p o n s e d u r a t i o n i s 3 一 4 ms b a s e d o n t h e 1 x 2 s y m m e t ri c d o s , w e d e s i g n a k i n d o f 1 x 2 a s y m m e t r i c d o s , w h i c h i s a d a p t a b l e t o f a b r a c a t e t h e p r o t e c t i o n s w i t c h e s i n a n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m . b a s e d o n t h e t w o k i n d s o f 1 x 2 d o s , w e d e s i g n a n d r e a l i z e t h e i n t e g r a t e d o p t i c a l s w i t c h e s : l x 4 d o s a n d 2 x 2 d o s . t h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e v i c e s c a n a c h i e v e o u r d e s i g n o b j e c t , w h i c h m e a n s t h a t o u r d e s i g n i s f e a s i b l e . t h e o p t i c a l s w i t c h d e v i c e s a r e a tt r a c t i v e i n p r a c t i c e d u e t o t h e i r g o o d c h a r a c t e r i s t i c . n 匆 浙 x 大 学 硕 d 旨 论 文 第一章 绪论 1 . 1 引言 在信息高速膨胀的今天， 人们对通信的带宽和速度提出了 越来越高的 要求， 光是人类目 前发现的最理想的 信息载体。 不仅速度快信息量高而且抗干扰能力强 如何更有效地更经济地利用这一载体是人类面临的一个重大课题。 以往的光通信 由于当时对通信容量的需要还不太大， 加上其自身的局限性一般只应用于点对点 的大容量千线传输而接入部分则由电信号为载体的系统完成。 但是在今天，目 前 的网络已经不适应爆炸般的信息需求，这个背景下，光网络的发展非常迫切。 这包括两个方面: 一方面是光网络在传输过程中冲破干线， 在传输网更广的 范围内普及，并将应用范围覆盖接入网部分，充分利用光的信息量大这一特点; 另一方面是减少信息中转过程中的 光一 电 一 光的 转换， 充分利用光的 速度快这一特 点， 直接完成光的交换与接入。 也就是说实 现全光网 的目 标。 图1 - 1 给出了 在1 9 9 9 年提出的光网络结构图。 从这张图中可以 清楚地看出光网络的近期发展目 标以及 当前光通信的各个研究领域所处的位置。 图1 . 1光m络结构图 目前最佳的方案就是利用光纤给人们提供的约 3 0 t h z巨大潜在带宽资源， 萦 一 幸绪 卡 仑 将 信息进 行无阻 塞的 传输和交换， 采 用电 的 时 分复 用( t d m ) 来 提高 传输容 量的 作 法己经接近硅和稼砷技术的极限， 因受电 子速率瓶颈的限制， 要使单信道速率达 到4 0 g b / s以上己很困难，所以发展光的复用方式已 成为必然。光复用方式有很 多 种， 但目 前只有密集波分复用归w d m ) 方式 进人大规模商用阶段， 而其它方式 尚处于试验研究阶段。 由 于密集波分复用( d w d m ) 技术能 用相 对简单的 技术充分挖掘光 纤的 可用 带宽， 且成本比 较低廉，因此得到了迅速的发展。单光纤复用信道从 1 9 9 6 年的 8 个信道、1 9 9 8 年的4 0 个信道， 进而到 1 9 9 9 年的1 6 0 个信道，目 前已经可实现 同时传输数百个信道。目 前单信道的传输速率可达4 0 g b it f s ， 系统总传输容量己 经达到1 0 .9 2 t b i t / s ( 2 7 3 x 4 0 g b i t / s ) 或1 0 .2 t b i t / s ( 2 5 6 x 4 2 .7 g b i t/ s ) 的水平。 d wd m 传输的极限 容量受限于复用信道的间隔和光纤可利用带宽。 复用信道的间隔已 从 最早的4 0 0 g h z , 2 0 0 g h z 减小到i o o g h z , 5 0 g h z ， 更小的信道间隔也已开始研 究。 但是减小信道间隔在w d m系统中需要克服的问 题较多， 对激光器波长的 稳 定性和波分检测技术等要求非常严格。 为此， 人们展开了 对光纤的可利用带宽的 拓展研究。除了 利用光纤原有的传输频谱c波段 ( 1 5 2 8 - 1 5 6 1 n m ) 外， 开拓新的 l波段 ( 1 5 6 1 - 1 6 2 0 n m) 和s波段 ( 1 2 8 0 - 1 3 5 0 n m )已 成为实际需要。目 前由 于 化学汽相淀积 ( c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n , c v d)技术的进步，己能获得 1 2 8 0 - 1 6 3 0 n m低损耗的 全波窗口 。 因此， 可用带宽的 增加主要取决于集成光学器 件。 将来由 于d ) w d m技术和光器件的不断发展， 每根光纤可传输的 容量将接近 于2 0 0 t b i t / s ，相当于3 0 亿的电话呼叫。 光纤通信是目 前发展最快的技术领域 每半年系统性能翻一番、 价格降低一倍， 速度已 超过了 摩尔定律 ( 集成电路芯片 性能每1 8 个月翻一番) 的一倍。 在可以预见的将来， d wd m系统将占 据整个光 传输市 场的 绝大部分( 1 - 6 1 . 任何一种通信网 络主要由 传输和交换两 大技术构成。 大容量的 传输当 然需要 与之相称的高速交换系统。日 前较高级网络的 传输速率大约在l o g b it/ s ，这个速 率将使目前的电子处理单元和存储单元窒息。 如果使用电子信息处理技术，则每 一路波长上的几个 g b it 的高速数据流就必须首先被拆分成低速数据流，经电子 处理后再综合成高速数据流。 这种从光到电再从电 到光的交换过程不但降 低了 在 光纤这个“ 超级高速公路” 上数据传输的速率， 而且增加了网 络处理设备的成本。 匆 浙 i 工 大 学 花 目 t 舍 仑 x 因此， 使用光子信息处理技术代替电 子信号处理的新型光子交换技术， 将逐步取 代目 前的电 子交换系统 7 - 9 j . 从图1 - 1 可以 看出，wd m( w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t ip le x e r ) , o a d m ( o p t i c a l a d d / d r o p m u l t i p l e x e r ) , o x c ( o p t i c a l - p a t h c r o s s - c o n n e c t ) 等遍布 全图， 而 这 些功 能完全依靠光子器件来实现， 也就是说光子器件的发展水平直接制约着光网络的 容量。 目 前的光子器件最为缺乏的是密集波分复用器 ( d ) w d m) / 解复用器、光开 关/ 列阵， 以及它们所构成的o a d m, o x c等。 在以往容量要求不高的光网络中， 小路数 ( 一般小于 1 6 )的光子器件可以 采用体积大但是实用化程度较高的体器 件， 如功分器 ( 分路器) 可采用光纤式熔接式功分器， d w d m可采用镀膜滤波 式器件， 而光开关甚至可采用机械式的。 但在大容量光网络中为了降低成本， 提 高可靠性和效率， 对光器件的体积要求越来越小、 路数要求越来越大、 速度也要 求越来越快。 这就使得光子器件的大规模集成具有特别重要的意义。 从某种意义 上说，电路从集成电路到超大规模集成电 路的飞速发展造就了今天的电 子行业; 而现在信息业正期待着光子器件在大规模集成方面的突破。 1 .2有机 聚合 物热 光型 数 字 光 开 关 1 .2 . 1 用于 光 通 讯的 有机 聚 合物 材 料 与其他材料相比， 有机聚合物的 最大 特点 就是结构灵活， 在器件制作方面也 是比较容易的， 同时和光纤的折射率匹配。 这就决定了 有机聚合物材料在两个方 面的应用: 第一是光学封装及内部连接 这已 经成为近年来有机聚合物材料的一 个重 要发展 方向 【 1 0 - 1 1 。 第二是 光子 器件， 有些 有机聚 合物具 有比 其 他材料要大 一个数量级的热光系数和较小的热导系数。因此，可用于热光器件的开发制作 1 2 . 对于用于热光开关的有机聚合物材料而言， 其要求包括: 一、 具有良 好的波 导 特性，传输损耗小;二、热光特性系数大;三、有良 好的热稳定性等。 在近红外区 域的窗口， 石英等无机材料制作的 波导的损耗主要不是由 于内 部 损耗， 而是由于其他各种因素， 如: 杂质、 制作过程导致的核心层介面的不完善 和组分的不均匀等。 而在近红外区， 光波损耗在有机聚合物中却完全不同于石英 常 一 幸翻 分论 类材料， 它主要由内部吸收而不是由它的不完善性来决定。 实际上， 在传统的聚 合物中的 其他各种外部损耗都是非常微弱， 那么它的平板波导要达到低的外部损 耗的要求很容易实现， 尤其是把聚合物制成薄薄的一层的过程简单容易。 旋转覆 盖法， 浸蘸法和其它技术的 应用导致聚合物表面光滑，其粗糙度低于 1 0 m n 。一 系列的聚合物层的沉积法形成的光波导可导致具有几乎完美的核心覆盖界面。 热 光效应引起的折射率的改变导致波导通道的产生。 这一制作方法能产生一种极端 光滑的波导壁面。具有低于0 . 1 d b / c m损耗的聚合物已 经被报道，该波导处于内 部损耗达到他们的最小值的波长范围内。同时， 在1 3 0 0 n m的 波长下， 传输损耗 低于0 . 1 d b / c m的情况也已 有报道。 这些数据表明 在有机聚 合物中，外部各种损 耗能限 制在一种很低的水平。 因此， 要获得具有低的传输损耗的有机聚合物材料， 首要的问题是要降低其 内部损耗。 有机聚合物材料的内部损耗主要由两部分组成: 一是在包含有连接分 子( 特别是具有非线形光学效应的聚合物中电荷转移电带) 的聚合物的电子吸收; 而是因为振动的谐波和化合带而产生的吸收。在约 9 0 0 n m附近的波长范围内， 许多的 化学成分都有振动吸收. 特别是o - h , n - h , c - h成分在1 3 0 0 n m和1 5 5 0 n m 的特定 波长的光传输窗口 能产生严重的 损耗。 在1 4 2 0 n m附 近的 吸收主要由o - h 根振动一次谐波引起的， 而1 5 5 0 n m附近的吸收则是由n - h根振动的一次谐波引 起，而“ 透明窗口”则主要由 c - h根的各次谐波和混合波段所决定。 例如聚甲 基丙烯酸甲 a a 中， 由 于亚甲 基和甲 基吸收峰藕合， 使吸收峰较宽， 峰的 底部恰好 在1 .3 1i m和1 .5 5 11 m 。 克 服 这 种 缺陷 的 办 法 是: 将 分 子 结 构中 的 氢部 分 或全 部 用氖或氟取代， 减少了在通讯波段的 传输损耗; 对于o - h键引起的吸收， 可在 分子结构中 尽量减少o - h键，以 降 低 有机聚合 物的 吸 湿率 1 3 0 据报道， 全氖代聚甲基丙烯酸甲 酷d - p m m a在波长1 . 3 11 m时传输损耗小于 0 . 1 d b / c m ， 而且其它物理性质与普通聚甲 基丙 烯酸甲 酷相同， 具有较低的 双折射 率和加工工艺简单的优点， 但另一方面， 这一材料在波长1 .5 5 h m传输损耗依然 很大 ( 1 . 5 d b / c m) 。 而采用含氟聚甲 基丙烯酸甲酷后， 在1 . 5 5 11 m附近的吸收衰 减大大降低。 5 1 。 聚酞亚胺 ( p i ) 具有玻璃化温度高， 介电 系数低， 吸湿率低， 膨胀系数低等 特点。 含氟聚酞亚胺的研究很早就已开始， 但在光波导领域的应用研究是近几年 勿 浙 j 工大 学 祠 吐 士 论 文 开始的。 当聚酞亚胺中引入了氟原子后， 近红外区域的传播衰减少， 同时阻隔了 p i 的发色中心，减少了它们的电子相互作用，在可见光下黄色的p i 变成白 色， 因而更加透明。 此外， 普通的聚酞亚胺为不溶有机物， 但含氟聚酞亚胺的溶解性 好， 这为光学器件加工带来方便。 同时， 材料的吸湿率也随着含氟量的增加而降 低。 又由 于聚酞亚胺热稳定性高等特点，因而对这类材料的 研究方兴未艾 i s 含氟聚芳醚是作为复合层电介质发展起来的， 由于它具有良 好的热稳定性和 机械性能， 低吸湿率和近红外波段光透射率高， 而成为优良 的光波导材料。 但是， 它在薄膜多层掩覆过程中 没有表现出良 好的化学稳定性， 制作光纤与器件藕合过 程中在器件的端面没有表现出良好的剪切性能。 1 . 2 . 2应用于光开关的聚合物热光效应 在热光开关的研制过程中， 科学家们首先是以 无机材料作为试验对象， 如在 硅和掺钦的 妮酸铿中利用这种效应而进行研究。 在硅材料中， 折射率随温度变化 不 超过1 0 - 5 一 ， 级别， 在q酸 铿材料中， 折射率 随 温 度变化 率不超过1 0 . 5 一 ， 。 这 种数值都非常小， 不适用于热光器件的研制。 后经研究发现: 温度引起的折射率 变化，主要是由 于密度变化和对紫外线辐射吸收带的变化。 经研究表明: 温度引起的折射率变化， 主要是由于密度变化和对紫外线辐射 吸收带的变化。对于有机物来说，由 于热引起的密度变化要远远大于无机材料， 因此在有机聚合物中， 温度变化引起的折射率变化主要由密度的变化决定。由 此 产 生 一 个非 常 大的 负 温度 系 数。 在p m m a 碳 聚 合 物中 ， 测 得该 系 数为 一 1 .2 x 1 0 4 一 ， 。 在光波导开关中， 这一变化对于折射率本身的变化 n 影响并不是很显著， 但对波导有效折射率变化 。 却有较大影响。 而波导层、衬底、覆盖层三者的折 射率变化主要由后者引起。 当覆盖层上的加热电极作用时， 电极的温度使下面的 波导被加热，形成温度梯度，同时热光效应引起波导折射率下降， 形成相应的 折射率梯度。 导致有效折射率的改变。 进而通过合理设计器件结构， 实现光开关 的 功能 1 4 1 . 聚合物热光光开关制作在硅衬底上， 制作方法以聚合物蒸发、 溅射、光刻、 腐蚀等为主。由于同i c制作工艺相同， 适合大规模生产，而且在同一衬底上集 成矩阵开关。 工艺流程为先在硅衬底上淀积下限制层、 接着是芯层、 再将芯层腐 第 一 幸绪 论 蚀形成分支波导、再上面是上限制层，最后是加热器与它的电极。 1 .3 有机聚合物热光可变衰减器 1 .3 . 1 v o a的概述 一、 v o a的主要作用和性能指标 光可变衰减器 ( v o a)可以 在d wd m网络中进行多信道间的功率均衡，并 且可以对光放大器进行增益控制和增益展平。v o a三个主要的应用己提上日程 1 5 : 第一个是预校正， d w d m传输系 统需要所 有信道中的 光功率 在输入到一 根光纤中之前取得相等，使用v o a调整wd m信道功率能使激光器维持最佳波 长稳定性; 第二个应用是信道均衡， 因为在网络上下话路节点处， 光信号从网络 中不同 地方独立送到， 信道均衡非常有必要; 第三种应用为光自 动增益均衡， 在 e d f a的不同阶段间的多波长同时衰减能调节特定空间长度的 放大器增益。 一波长范围在c + l波段 ( 1 5 2 5 - 1 6 1 0 n m)之间 一插入损耗小于0 .6 d b 一回波损耗大于4 5 d b 一波长平整度0 .2 d b或者衰减值的1 % 一 偏振依赖损耗 ( p d l ) 小于0 . 1 5 d b 一温度依赖损耗小于0 . 1 5 d b v o a最重要的 特性是插入损耗( 大多要求小于1 d b ) 和衰减的动态范围( 典 型值为 1 5 - 2 5 d b ) .插入损耗 ( i l )定义为稳定状态下，没有衰减时输入输出光 功率之差的最大值: i l = m a x j m in p ,n 一 p o u r 1( 1 ) 动态范围 ( d r )定义为稳定状态下，衰减最大时的输入输出功率之差的最 小值15 1 : d r 二 m i n i m a x p ,n 一 p o o r ( 2 ) 稳定度 ( s )定义为在经过一段时间后，实际输出功率相对于一个设定值的 偏移量特定的稳定范围 之最大值151 : s = m a x 川 p o cn . ( t ) 一 p o u r l ( 3 ) 响应时间 ( : * ) 定义为衰减达到一定稳定度所需要的时间 匆 p o u t (t) 一 p o u t ，二 : “fo r “to 十 ， ( 4 ) 光串 扰总 量( t o x t ) 定 义 为 光 输出 非j 信 道 时 其 它 所有 信 道 功 率 对j 信 道的 影响 的 最 大 值 t o r t = m a x i t o r t , t o r t三 em a x po u r , i i p in ,m a ,y ,f -4 p o u t ,j a ( 5 ) 回波损耗 ( r l )定义为所有输出状态中输入与反射功率之比的最大值 r l 二 m a x i i r l , i p l i - ( p 平面波导式则将光纤祸合到波导进行衰减处 理后再藕合到光纤或其它波导器件， 衍生出很多功能和类型， 在材料和工艺允许 第 幸绪 论 情况下可与很多模块集成; ( 2 ) 折射率改变型 够位型 冼阻塞型 庸射型 / 吸收型 其中折射率改变型是最庞大的一个分支， 包括热光型、 电光型和熔融光纤型 等等，尤其是热光型，可用的材料和实现结构都很多，下面将详细论述和比 较。 主要有两种方法， 一种是泄漏法， 通过改变覆盖层或者波导层折射率， 使入射光 发生偏转， 肖 i 弱波导的光限制作用使其辐射或者泄漏到 波导层以 外达到衰减的目 的， 主要有热光式和电光式。 另一种方法是千涉法， 折射率改变会产生不同光路 之间的相位差， 干涉以后转变为幅度变化来达到衰减。 移位型和光阻塞型原理都 是在光路中插入拦截装置， 通常用于传统机械技术和微电机械系统 ( m e ms ) 技 术; 吸收型主要利用材料在外加电压后产生吸收效应的特性，目前见诸报道的只 有载流子注入吸收型16 1 和电 致变色吸收型m - 18 1 等少数几种。 ( 3 ) 传统 机械型、 集成型和熔融光纤型 传统机械型是最早发展起来的衰减方式，早期的固定光衰减器也是这种方 式，虽然波谱平坦性好， 但反应速度慢， 体积大， 功耗多，正日益为其它类型的 v o a取代， 不过现在还有着一定的发展空间。 集成型v o a是最近发展最快的研 究分支， 包括平面光波回路 ( p l c ) 型、 微电机械 ( m e m s ) 型和电 变色薄膜型， 前两种类型采用与微电子集成技术相似的半导体工艺制造出所需要的光波导结 构，同时把外加有源或驱动装置也集成在一起，结构紧凑， 适于大规模制造， 是 光器件制作技术的理想手段。 熔融光纤型19 1- 11 0 1v o a将光纤拉成双圆锥使光场直 径增大， 达到光纤边缘， 再在光纤外层用折射率可变的聚合物进行钝化， 通过改 变外层材料折射率控制芯层光能量的衰减量。 各种结构和原理v o a 表 2 - 1 的性能比较如表 1 不同原理的v o a重要性能比较 浙 3 乙 大 学 x 眨 士 论 文 嘟 参数t h e r mo - o p t 二 c me c h a n i c a lme ms l i q u i d ac o u s t o - o p t i c e l e c t r o - c h r o mi c a t t e n u a t i o n ( d b ) 5 0- 5 0 5 0 - 5 0 i n s e r t i o n l o s s ( d b )b y s t r u c t u r e 0 . 511 3 1 . 5 p d l ( d b ) b y s 盛 r u c t u r e me d i a ) / o . 1l o w / 0 - 0 . 1 h i g h / 5 0 . 1 h i g h / 3 wa v e l e n g t h r a n g e ( n m ) b y s t r u c t u r e 1 3 0 0 - 1 5 0 01 5 0 0 - 1 6 0 01 3 0 0 - 1 6 0 01 3 0 0 - 1 6 0 0 1 5 5 0 - 1 6 0 0 po we r c o n s u m p t i o n ( m w) 1 0 s - 1 的 h ig h e s ! / 1 0 0 0 me d i a l! 1 0 0 】1 0 0 1 co s t l o w h i g hh i g h me d i a h i g h i n t e g r a t i o n e a s y mo s t d i ffic u l te a s )e a ) di ff i c u l te a s r e s p o n s e s p e e d ( m s ) l o w / 1 s l o w e s t/ 1 0 0 0f a s t/ if a s t e s t l + 1 1l o we s t / 1 0 s s i z e s ma l l l a r g e s tl a r g e s ma l l l a r g e 注: “ 一”表示未知。 1 .3 .2聚合物热光v o a的研究进展 热光v o a满足了d wd m网 络的大规模扩张对于低成本器件的需求，是除 m e m s 式之外的一种重要的 集成型v o a ， 其它优点有: 选材范围 广、 器件结构 简单， 无须复杂的驱动装置。 热光v o a主要有两种:泄漏式热光器件利用了材 料折射率与温度的联系， 可以 通过改变温度来改变特定物质的折射率， 以影响输 出 到光纤和在覆盖层消散的光; 另一种热光器件基于m a c h - z e h n d e : 干涉仪， 加 热千涉仪的一臂来产生与另一臂的光程差， 输出光功率依赖于不同路径间的温度 差。 这种器件的缺点是由 于光纤和衬底的连接以 及波导结构带来的 插入损耗高。 最主要的是，由于热扩散，热光v o a速度只能达到m s 量级，动态范围只 能 达 到3 0 d b 左 右 ， 且 波 长 依 赖 性 问 题 的 解 决 要 视 具 体 波 导 结 构 而 定 。 通常， 在波导器件中多采用局域加热的方法， 所以测定材料在局域热源作用 下的热光特性，具有实用意义。 目 前主要的三种热光材料各种性能对比见表2 . 浙江大学硕士论文 参数t h e r m o o p t m e c h a n i e a lm e m s l i q u i d a c o u s t oe l e c t r o - o p t i cc h r o m i c a t t e n u a t i o n ( d b ) 5 05 0 5 05 0 i n s e r t i o nl o s s ( d b ) b ys t r u c t u r e 0 5l 1 31 5 f v l f a b ) b y s n c t l l r e m e d i a j ，0 1l o w o d 】 a i g h 5 o 】 h i g b l3 w a v e l e n g t h b ys t r u c r t r e 1 3 0 0 - 1 5 0 01 5 0 0 - 1 6 0 0 1 3 0 0 1 6 0 0 1 3 0 0 1 6 0 0 1 5 5 0 - 1 6 0 0 r a n g e ( r i m ) p o w e r i 0 一1 h i 鲈e s f f l 0 0 0 m e d i a l l 1 0 0 l c 。n s u m p t i 。n ( m w ) 1 0 0 c 。s t l o w h i g h h i g h m e d i a 硒g h 【i n t e g r a t i o n e a s y m o 矗d i 盛c u l t e a s y e 蝌d i f 五c u l te a s y r e s p o n s es p e e d ( m s ) l o w l gl o w e s t 1 0 0 0f a s t if a s t e s t 1 1l o w e 时d 1 0 s s i z e s m a l l l a r g e s t l a r g e s m a l l l a r g e 注：“一”表示未知。 i ，3 2 聚合物燕光v o a 的研究进展 热光v o a 满足了d w d m 网络的大规模扩张对于低成本器件的需求，是除 m e m s 式之外的一种重要的集成型v o a ，其它优点有：选材范围广、器件结构 简单，无须复杂的驱动装置。热光v o a 主要有两种：泄漏式热光器件利用了材 料折射率与温度的联系，可以通过改变温度来改变特定物质的折射率，以影响输 出到光纤和在覆盖层消散的光；另一种热光器件基于m a c h z e h n d e r 干涉仪，加 热干涉仪的一臂来产生与另一臂的光程差，输出光功率依赖于不同路径间的温度 差。这种器件的缺点是由于光纤和衬底的连接以及波导结构带来的插入损耗高。 最主要的是，由于热扩散，热光v o a 速度只能达到m s 量级，动态范围只 能达到3 0 d b 左右，且波长依赖性问题的解决要视具体波导结构而定。 通常，在波导器件中多采用局域加热的方法，所以测定材料在局域热源作用 下的热光特性，具有实用意义。 目前主要的三种热光材料各种性能对比见表2 。 第一章廿论 表2 - 2 各种热光材料的波导器件性能比较 材料动态范围功耗p d l 波长范围插入损耗响应速度尺寸 聚合物 3 0 d b8 0 m w 0 1d b1 _ 3 3 1 3 6u m 2 d b 1 1 5 m s小 s i 0 ，3 0 d b4 5 0 m w1d b1 51 2 d b 0 4 m s大 2 3 1 5 6u l l l 铌酸锂1 5 5d b 无 1 5 1 5 8u m3d b0 0 0 3 m s大 近年来，人们开始关注有机聚合物热光材料的开发研究。与传统的无机光波 导材料比较，有机聚合物光波导材料有以下优点 1 3 】： ( 1 ) 有机聚合物材料具有与光纤较低的耦合损耗，较低的介电常数，响应时间短， 热损小，较高的电光耦合系数和热光系数，可适合用于制备低功耗的波导型热光 开关。比如，一般聚合物的热光效应是硅的1 0 倍，硅基光开关功率4 0 0 5 0 0 m w ， 有机聚合物光开关功率小于5 r o w ，驱动电压小，响应快； ( 2 ) 部分聚合物还具有对可见光或紫外波段入射光产生光漂白的特性，通过控制 曝光量来精确地控制聚合物折射率的变化，来制备光开关波导器件所需的各种图 案： ( 3 ) 有机聚合物材料比硅机无机光波导j j n i i 艺简单经济，无需高温加热，通过 甩膜、光刻等工艺便可制出复杂的光电集成器件，而且器件轻巧、机械性能好， 因而适于制作大型光学器件和挠性器件( 从几厘米到一米) 。 目前针对有机聚合物提出了几种热光型v o a ： ( 1 ) 基于截止型结构 集成光器件v o a 中，截止调制器结构简单，单调转移性( 电信号) 好，波 长依赖性小。目前截止型调制器主 要用于l i n b 0 3 调制器和电压传感 器。s a n gs h i nl e e 2 6 等人首次采用 聚合物材料的热光截止型调制器制 作v o a ，如图1 2 示。 器件含水平和垂直方向均为锥 形的波导及一个光纤耦合器。波导 c 1 积h 硝 礤j 啦d i 脚 图l - 2 基于热光截止调制器类型的聚台物v o a 结 构图( 输入部分) 移 浙江大掌硕士论文 在入出区域的脊高选择都为了使光纤耦合损耗最小。在电极有源区的波导脊高 逐渐减小，宽度呈锥形，目的是弱化模式限制，提高衰减性能。垂直方向不同脊 高的两个波导由垂直锥形部分平滑连接，这是由掩膜下的两步反应离子刻蚀 ( r i e ) 形成，主要衰减器输出一部分被抽出反馈至电压驱动，以维持其对输入 光功率变化和偏振的不敏感性。 当在电极上加热时，垂直方向上三层折射率相近，由于材料相似，变化也相 近，折射率差改变很小，而水平方向上三层材料不一致。 芯层、上下覆盖层的热光系数均为- 7 ，7 1 0 4 瓜。加热器由金制成。 f 2 1 基于反射型结构 t c k o w a l c z y k 2 7 】 等人提出的泄漏型器件示 意图1 3 如右。衰减部分 是一个电阻加热器，在埋 图1 - 3 反射型热光聚合物结构示意 八式沟道波导之上的覆盖 层上制成加热器，上覆盖层隔离开波导和电阻加热器，以使金属加热器对正交偏 振态的渐逝场影响最小。把电阻加热器末端连接到电位接触垫的电源连线没有在 图中画出。当电阻加热器电极上施加电流，在加热器下面的聚合物层中的局部区 域便会产生明显温度梯度，方向垂直于薄膜表面。因为聚合物有较大的热光系数 ( 大于4 0 1 0 4 o c ) ，相应地聚合物层的温度梯度也较大。衰减部分工作时，通 过折射率改变区域的传输光将会发生偏转( 反射和折射) 而射出。在此器件结构 中芯层和覆盖层都经历了折射率改变。这种机制是波长独立的，与波导截止技术 不同，后者有较强的波长依赖性。 芯层与输入出玻璃光纤( 康 宁s m f 2 8 ) 模式场直径匹配，以 使导致模式失配的插入损耗最 低。插入损耗小于1 0 d b ( 纤到 纤) ，动态范围3 0 4 1 3 ，功耗1 0 m w ( 衰减3 0 d b 时) ，带宽平坦范围 缸糟晖妇游蜊e 躞惭 图1 4 基于马赫曾德干涉仪型v o a 示意 第 一 幸绪 论 1 5 2 0 - 1 5 8 0 n m，响应时间小于 2 m s . ( 3 ) m a c h - z e h n d e r 干 涉仪型结构 t .k a w a i ( 2 8 等人报道了的由 一个m - z 干涉仪组成的v o a如图1 - 4 所示， 该 干涉仪有两个3 d b祸合器和两个带热光 t o )相移器的波导臂，相移器即薄膜 加热器，衰减可由t o相移器控制。 聚合物波导下的硅衬底作为一个热汇。受热 波导的 有效折射率改变是由 于其折射率的 温度依赖性， 根据折射率改变和导波相 移的关系式可控制光的衰减( 在相移为: 时两臂光能量相差最大。 器件的偏振依 赖性由 插入波导的半波片补偿。 制成衰减器由于p l c热扩散所限制的光束响应， 衰减器升降时间一般为2 m s ， 不满足线性中 继器的 增益控制要求， 硅基p l c热 扩散频响可看作一阶低通滤波器响应， 截止频率为1 7 0 h z ， 因此可使用一个带高 频预加强的驱动电路。而且，两只m z i 加热的差动会将衰减器响应时间减半， 上升时间可达4 0 0 u s . 1 .4基于有机聚合物的 数字 光开 关 1 . 4 . 1 光开关概述 一、光开关主要作用和性能指标 光开关是全光交换中的关键器件，可实现在全光层的路由 选择、波长选择、 光交叉连接以 及自 愈保护等功能。目 前光开关主要应用包括 2 9 - 3 2 . ( 1 ) 光 交叉连 接( o x c ) . o x c由 光开 关矩阵 组 成， 主 要实 现动态光路径管理、 光网络的故障保护、灵活增加新业务等。光交叉连接对开关的要求主要 有低插损、 低串扰、 低开关时间以 及无阻塞运作。 目 前微电 机系统( me ms ) 技术己经在光交换应用中 进入了 现场实验阶段，由于其对波长、数据速 率和信号格式都透明，在不远的将来有希望实现光层上的交换; ( 2 ) 用光开关实现网 络的自 动保护倒换。当光纤断裂或传输发生故障时，就 可以通过光开关改变业务的传输路径，实现对业务的保护。通常这种保 护倒换只需1 x 2 端口的光开关就可以实现; ( 3 ) 用i x n光开关实现网 络监控。 在远楼光纤测试点