（电子科学与技术专业论文）gaasgaalas高速光开关调制器研究.pdf

一型堕型竺 a b s t r a c t d e n s ew a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) t e c h n o l o g yh a sb e e nr e g a r d e da s t h e b a s i so f t h en e x tg e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r k s ，p a r t i c u l a r l yi nt h et r a n s p o r ta r e a , a n dw i l lb ew i d e l y u s e di nb r o a d b a n dm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ( m a n ) ，l o c a ia r e an e t w o r k s ( l a n ) a n d a c c e s s n e t w o r k s ( a n ) o p t i c a ls w i t c h m o d u l a t o r ( o g m ) p l a yi m p o r t a n t r o l e si nd w d mo p t i c a l n e t w o r k s ( d w d m - o n ) b e c a u s eo s ma r et h ec r u c i a la n de n a b l i n gc o m p o n e n t sf o rd e t e r m i n i n g t h ep e r f o r m a n c ea n dc o s to fd w d m - o n a sar e s u l t ，n e wm a t e d a l s 。m e c h a n i s m s ，a r t sa n dc r a f t s f o ro s ms h o u l db ep r o p o s e da n dd e v e l o p e di no r d o rt oi m p r o v et h e i rf e a t u r e s ，a n di n c r e a s e d e n s i t yo fi n t e g r a t i o na tl o w e rc o s t g a a s t g a a i a ss e m i c o n d u c t o r m a t e r i a li sc u r r e n t l ye x c i t i n ga g r e a t d e a lo fi n t e r e s tf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp h o t o n i cd e v i c e sd u et oi t s g o o d o p t o e l e c t r o n i ce f f e c t ，p o t e n t i a lf o rm o n o l i t h i ci n t e g r a t i o no fa c t i v e p a s s i v ep h o t o n i ca n d e l e c t r o n i c d e v i c e ，f r e e d o mf r o md ec h a r g i n ga n do p t i c a ld a m a g ee f f e c t s c o n s e q u e n t l y , t h ep r e s e n tt h e s i s i n v e s t i g a t e s t h eh i g h - s p e e do s mb a s e do ng a a s g a a i a s ，i n c l u d i n gt h e i rt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， o p t i m a ld e s i g n s ，a n de x p e r i m e n t s t h ef i r s tc h a p t e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fd w d m o n ，b u ta l s or e v i e w st h ee s s e n t i a l a n dm o s ti m p o r t a n tp h o t o n i cd e v i c e sa n df o l l o w i n g , i n t r o d u c e sd e t a i l st h em e c h a n i s m s ，c a t e g o r y a n dc u r r e n ts t a t u s ，b e h a v i o rp a r a m e t e r s ，n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s ，a n da r t sa n dc r a f t sf o ro s m i n c h a p 2 ，t h e s c a l a r v e c t o r i a lm o d e l sf o r a n a l y s i s o ft h e e i g e n v a l u e f o r o p t i c a l s i n g l e c o u p l e dw a v e g u i d e s r e c t a n g u l a rw a v e g u i d eb a s e do nt h eg a l e r k i na sw e l l a sv a r i a b l e t r a n s f o r m e dg a l e k i nm e t h o d ( v t g m ) h a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h e i re f f e c t i v ei n d e xa n de l e c t r i c a l f i e l dp r o f i l eh a v eb e e no b t a i n e d n o v e ls c a l a r v e c t o r i a lb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d sb a s e dv t g m ( 3 d - v t g m - b p m ) h a v e b e e np r o p o s e da n da p p l i e dt oa n a l y s i so f s t r a i g h to p t i c a lr i bw a v e g u i d e ， t a p e r e dw a v e g u i d ea n dd i r e c t i o n a lc o u p l e r t h ee v o l u t i o no ft h eo p t i c a lw a v et h r o r i g ht h e m e n t i o n e da b o v es t r u c t u r e si ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e d t h e3 df i n i t ed i f f e r e n c eb p m ( 3 d - f d - b p m ) f o r a n a l y z i n gs p o t s i z ec o n v e r t e r ( s s c ) a n d s - b e n tw a v e g u i d eh a sb e e nf i r s t l yd i s c u s s e di nc h a p 3 t h e n t h eo p t i m a lc o n t r o lt h e o r ym o d e l w i t h2 d - f d b p mf o ra n a l y z i n g2 ds - b e n tw a v e g u i d eh a sb e e np r o p o s e d t h eo p t i m a ls t r u c t u r e s o fs s ca n dsb e n tw a v e g u i d eh a v eb e e ng i v e na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n tf o rt h ec o n n e c t i o n b e t w e e np h o t o n i cd e v i c ec h i pa n ds i n g l em o d eo p t i c a lf i b e r ( s m o f ) s ot h a tt h eh i g l lc o u p l i n g e f f i c i e n tf o rt h i sh a sb e e nr e a l i z e d 1 n c h a p 4 t h e 2 x 2d i r e c t i o n a l c o u p l e ro s mb a s e d o nt h es h a l l o w e t c h e dd o u b l e h e t e r o s t r u c t u r eg a a s g a a i a so p t i c a lr i bw a v e g u i d ew i t hs s ca t 九= 1 5 5 u mh a sb e e nd e s i g n e d i t s m a t e r i a l o p t i c a lw a v e g u i d es t r u c t u r e ，o p t i m a lg e o m e t r i c a ls t r u c t u r ea n de l e c t r o d es t r u c t u r eh a v e b e e nd e t e r m i n e d a c c o r d i n g t o a b o v et h e o r e t i c a l a n a l y s i s r e s u l t s t h e s w i t c h m o d u l a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e na n a l y z e db y u s i n go f c o u p l e d m o d e t h e o r ya n d t r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y i na d d i t i o n ，an o v e ld c - o s mw i t hf o u rc o m m o n i n p u v o u t p u tp o r t sa n dam a c h - z e h e n d e ro s m ( m z o s 爪们h a v eb e e na l s od e s i g n e d ah o v e l2 x 2m u l t i f u n c t i o n a lm u l t i m o d e i n t e r f e r e n c e ( m m i ) o s mb a s e do nt h ed e e p - e t c h e d o a a s g a a i a so p t i c a lr i bw a v e g u i d ew i t hs s c a t 肛1 5 5 ) s mh a sb e e np r o p o s e da n di n v e s t i g a t e d i n c h a p 5 t h i sd e v i c ec a nr e a l i z eb o t hc r o s s s t a t ea n db a r - s t a t ea sw e l l 硒3 d bs p l i c e rf u n c t i o n t h i so p t i m a ls t r u c t u r eh a sb e e no b t a i n e da c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i sr e s u l t sb yu s i n go fv t g ma n d 毒南大学肆士学位论文 3 d f d b p m i nt h el a s tc h a p t e r , t h ed c a n dm z - o s m sh a v eb e e nf a b r i c a t e d0 1 1t h ed o m e s t i cp r o c e s s i n g l i n ei nn a n j i n gi n s t i t u t eo fe l e c t r o n i cd e v i c e s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e s ts y s t e mh a sa l s ob e e n e s t a b l i s h e di nt h el a bo fs o u t h e a s tu n i v e m i t y t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v i c e sh a v er e a l i z e d t h ee x p e c t e df u n c t i o n t h er e a s o n st o d e g e n e r a t et h eb e h a v i o r so fo s ma r ea l s o 百v e na n d a n a l y z e d k e y w o r d s ：d w d m o p t i c a ln e t w o r k ( d w d m o n x o p t i c a ls w i t c h m o d u l a t o r ( o s m ) , o p t o e l e c t r o n i ce f f e c t ，v a r i a b l et r a n s f o r m e dg a l e r k i nm e t h o d ( v i u m ) , 3 df i n i t ed i f f e r e n c e b p m ( 3 d - f d - b p m ) ，o p t i m a l c o n t r o l t b e o d i r e c t i o n a lc o u p l e r ( d c ) m a c h _ z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r , m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ( m m i ) ，s p o t s i z ec o n v e r t e r ( s s c ) 东南大学学位论文独创性声明及使用授权的说明 、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 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 日期：刎j 3 二、关于学位论文使用授权的说明 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 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名 导师签名：扫：兰筮 日期： “i j 第l 章错论 1 1 光通信网络与光子器件 第1 章绪论 1 1 】光网络技术的发展l i 叫 自二十世纪九十年代以来，以光波为载波、光纤为传输媒质的光通信系统发展十分迅速， 成为构成全球各类主干网络的支柱。与此同时，i n t e r a c t 的迅猛发展及电视会议、可视电话、 视频点播等多媒体电信业务的运营促使网络数据流量出现巨大增长。以i p 业务为主的数据 业务正逐步取代话音业务成为电信网的主要业务，导致电信网由传统电话网不可避免地过渡 到以数据业务为中心的电信网。为充分发挥光纤的带宽潜力，克服光纤损耗及色散的影响、 延长中继距离、扩大传输容量及降低成本成为主要发展目标。密集波分复用( d w d m ) 传输技 术可以充分利用光纤带宽资源、降低传输成本，已成为下一代光网络的基础和信息传输的主 要平台，且将成为构成宽带城域网( m a n ) 、局域弼j ( l a n ) 及接入网( a n ) 的主要技术手段。 图i i 点对点d w d m 光网络结构f 7 i 第一代d w d m 光网络已经成为长途骨干网的首选，图1 1 为其典型结构n 采用点对 点d w d m 设备，可以最大限度地扩大每光纤公里的单位容量，但由于增加不少设备，导致 网络成本上升；第二代d w d m 光网络可以解决光纤用尽的问题。支持有保护的环形结构， 并能提供多种业务接口，但仍存在成本高、可扩容性及可管理性较差等缺点：第三代d w d m 网络提供可升级的、全光的、分布式的波长交换，系统可扩容性和可管理性方面作了很大改 进应用全光的波长交叉连接器( w x c ) 、可动态配置的分插复用器( o a d m ) 、可调激光转发 器及可动态控制光层的高级管理软件，可以对环间互连和逻辑格形网进行优化设计。波长具 有可优化再使用的能力。同时，利用前向纠错( f e c ) 和数字封装技术大大改善了光域的性能。 末南大学博士学位论文 目前，第三代d w d m 光网络接近实用，必将从长途骨干网走向m a n 、l a n 及a n - 成为 下代通信网的主流f 5 1 。 1 1 2 光网络关键器件的发展p 。1 d w d m 光网络需要各类光子器件作为支撑因此国外各大公司及大学的相关科研机构 投入了大量的人力、物力、财力来研究开发用于d w d m 光网络的各类光子器件，如半导体 激光器、光探测器、光放大器等有源器件以及光纤，光波导连接器、x y 分路器、光开关、 光调制器、波分复用，解复用器( m u x d e m u x ) 、o a d m 等无源器件，大部分已应用于商用 d w d m 光网络中。目前，围绕着提高光子器件性能、降低成本、提高器件集成度等目标 仍在研究新材料、提出新机理、开发新工艺。 制作光子器件的主要材料有半导体、电光晶体、玻璃体和有机，聚合物等，其中半导体 基质材料既能制作无源光子器件，又能制作有源光子器件因而能够实现各类光子器件的单 片集成，使它的处理功能和运行速度得到大幅度提高，功耗大大降低尺寸大大缩小，因而 极大地改善了芯片的成品率和可靠性。把不同功能的若干或众多光子器件通过内部光波导的 互连，优化集成在一个芯片上以突破分立器件的功能局限，是近年来光子器件研究者追求 的目标由此形成了一个新的研究领域一光子集成电路( p i c s ) 。另一方面虽然d w d m 光 网络的核心功能可以全由光子器件的运行操作来实现，但一个完整的光子功能器件仍然需要 电子器件来辅助，如激光器需要恒定电流来驱动，光开关，调制器( o s m ) 需要利用电光效应 来实现，光接收器需要偏置电场来操作，而信息的终端处理与再现、读出等，利用成熟的微 电子技术来实现则更为可行方便。因此，未来的集成电路必然是光子集成电路与微电子集成 电路的共融体，称为光电子集成电路( o e i c s ) 。目前基于g a a s 、l n p 的二维平面传输系统 的p i c s 功能模块已成功实现，现在正着力于研究更复杂的三维传输系统。p i c s 或o e i c s 成 为当前研究热点l 3 - 1 4 ) 。 1 1 3 光开关调制器( o s m ) 2 x 2o p t i c a ls w i t c h ，屯， a d d ，屯，厶 d r o p 图1 2 基于复用，解复用器和光开关的o a d m 结构 光开关调制器( o s m ) 是d w d m 光网络中的关键器件，其中光开关用来完成光信号从 其中一个光通道交换至另一个光通道上，实现光信号的空间交换，广泛应用于光交叉连接 ( o x c ) 、o a d m 及自愈保护等功能。如图1 1 所示，o x c 和o a d m 是d w d m 光络网中的 重要网络元件i l ”。其中o x c 需要完成光通道的交叉连接和本地上下路两种功能。o x c 的 光交换模块中可采用两种交换机制：波长交换和空间交换。实现波长交换的器件是各类波长 转换器( w c ) - 将信号从一个波长转换至另一个波长上：而实现空间交换的器件是各类光开 第l 章绪论 关。o a d m 可以看作为简化的o x c ，它可以从传输线路中有选择地下路通往本地的光信号- 同时上路本地用户发往另一结点的光信号且不影响其它波长信道的传输。图1 2 给出了一 种基于复用解复用器和光开关的o a d m 结构”。 二十世纪九十年代初、中期光开关的需求量增长缓慢只有数十万件九十年代末需求 量猛增，达近百万件，全球光开关年销售增长率已达到1 3 。据美国e l e c t r o n i c a s t 公司的最 新预测l l “，全球光开关和开关矩阵的市场将从2 0 0 0 年的3 0 8 亿美元增长到2 0 1 0 年的1 6 0 亿美元。随着d w d m 技术从长途骨干网向m a n 的发展光开关的需求将急剧上升。光开 关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。 光调制器负责将电信号加在激光载波上使之变成光信号。虽然半导体激光器的直接调制 ( 内调制) 相当有效，但只适用于注入式半导体激光器，并且受半导体载流子复合寿命及啁啾 效应的限制，调制速率带宽难以提高【s 】。采用外调制器将电信号加载于光源的直流输出上， 可提高调制速率、增加调制带宽，所以研究和开发用于外调制的高速光调制器是必需的 9 1 。 图1 3 为典型的d w d m 光网络外调制结构【l “，每一路波长信号都需一个甚至多个光调制器 来完成电一光信号的转换。可见，光调制器的需求量相当可观。 l a s e r s o p t i c a ln x x i u l a t p o i n t - t o - p o i n td w d mm m s m i s s i o n l 匝。尘c 圈o s 礼 雇 | 口尘c z h 一 m 1丛警l ： | 4 删叫删。、 图1 3 典型d w d m 光网络外调制结构 1 2 光开关，调制器( o s ，i v i ) 的分类及研究现状 光开关在广义上可分为非干涉型光开关和干涉型光开关两大类。非干涉型光开关主要有 机械式光开关、微电子机 械式光开关( m e m s ) 和非 干涉非机械式光开关三 种；干涉型光开关利用各 种物理效应使不同光路 的光形成一定量的相位 差，产生干涉效应而达到 光交换的目的，根据不同 的物理效应，可分为电光 开关、热光开关等。属于 波导型光开关。电光型光 开关和光调制器经常有 相同的结构，如定向耦合 器型光开关调制器 ( d c - o s m ) ，非对称x 结 图1 4i x 2 移动光纤机械式光开关结构 末南大学博士学位论文 m a c h - z e h n d e r 光开关，调制器等( m z o s m ) ，本文称之为光开关，调制器( o s m ) 。 1 2 1 非干涉型光开关 1 机械式光开关1 机械式光开关具有插入损耗低( 受d b ) ，隔离度高( 4 5 d b ) 不受偏振和波长的影响等优 点，但开关时间长，一般为毫秒甚至几十毫秒量级。有时还存在回跳抖动和重复性较差等问 题，并且体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。图1 4 为l x 2 移动光纤机械式光开关结构， 由嵌套在微磁合金管上的一根可动光纤。紧固在半圆柱v 形金属箍上的两根静止光纤、螺 管线圈及一对永久磁铁构成。器件基座为陶瓷材料。驱动磁铁便可移动可动光纤与其中的一 根静止光纤连接完成光开关功能。机械式光开关已有商用产品，国内主要有康顺公司生产 的1x 2 、1x 4 、2 x 2 机械式光开关。国外主要有j d s u 、l i g h t p a t h 及o p l i n k 等公司的产品。 其中j d s u 研制出的1 1 0 0 机械式光开关插入损耗( i l ) 为0 7 d b ，回波损耗( i 也) 大于5 0 d b ， 偏振相关损耗( p d l ) 为0 0 3 d b ，封装后器件体积为1 4 x 2 8 x 4 e r a 3 。 2 m e m s 光开关i l s l m e m s 光开关具有低 插入损耗、低串音、低偏振 敏感性和高消光比等优点， 相对于机械式光开关体积 较小，因此易于大规模集 成。但开关速仍然较低，为 毫秒量级。图1 5 为二维 m e m s 光开关列阵示意图， 通过控制其中的微镜来实 图1 5 二维m e m s 光开关列阵示意图m i 现光开关功能。 目前，l u c e n t 公司已研制了1 2 9 6 x 1 2 9 6 端口的m e m s 光开关。其单端口传送容量为 1 6 t b s ( 单纤复用4 0 个信道每路信道传送4 0 g b s 信号) ，总传送容量达到2 0 7 p b s 。具有 严格无阻塞特性插入损耗为5 1 d b ，串音( 最坏情况) 为- 3 8 d b 。 3 _ ，非干涉非机械式光开关 a 绝热型光开关【1 9 ( a d i a b a t i co p t i c a ls w i t c h e s ) 绝热型光开关主要采用有机，聚合物材料利用热光效应来制作，具有插入损耗低( 2 0 d b ) 、对偏振及波长非敏感性等优点。但开关速度仍为毫秒量级，由于需要较 大的折射率改变量，功率消耗大( 一般为2 0 0 m w 左右) 。图1 6 为1 x 2 热光绝热型光开关结 构及其开关工作原理，通过操控其中的加热器来完成光开关功能。商用绝热型光开关主要是 j d s u 的产品已有1 x 2 和1 8 等多种产品提供市售。 b 液晶偏振型光开关 2 0 l ( l i q u i dc r y s t a lp o l a r i z a t i o no p t i c a ls w i s h e s l 液晶偏振型光开关通过分路器将入射光分为两路偏振光由外加驱动电压改变入射光的 偏振态从而完成光开关功能。液晶是最有效的电光材料之一，但价格昂贵。开关速度可达亚 微秒甚至纳秒量级。目前，s p e e t r a s w i t c h 公司开发出了代号为w a v e w a l k e r 的液晶偏振型光 开关t 其1 2 和2 x 2 产品的插入损耗小于1 d b ，偏振相关损耗为0 2 d b 。开关时间为4 m s 左 右，交换波长的范围为c 波段。 4 第l 章绪论 c 喷墨气泡型光开关口l j a g i l e n t 公司采用他们 的热喷墨打印和s i 平面光 波电路技术，开发出一种 二维光交叉连接系统，称 为“光子交换平台”。喷墨 气泡型光开关交换速度为 1 0 m s 。由于没有可移动部 分，可靠性较好。3 2 x 3 2 子系统插入损耗为4 5 d b 对偏振不敏感，对速率和 业务协议透明。由于使用 已有的技术，故其成本不 高，扩展性也较好。 ( a )( b ) 图1 , 61x 2 热光绝热型光开关结构( a ) 及其开关原理( b ) 1 卿 1 2 2 干涉型光开关调制器( o s m ) 干涉型o s m 根据其利用的物理效应可分为电光、热光等类型；根据其所用材料可分为 l i n b 0 3 材料、半导体材料、有机，聚合物材料等类型；根据其结构可分为定向耦合器、m z 等类型。因此干涉型o s m 可以是相同的结构但利用不同的物理效应及不同的材料可以是 相同的材料但不同的结构及不同的物理效应。也可以是相同的物理效应但不同的材料及不同 的结构，因此干涉型o s m 的制作具有很大的灵活性。 一般而言，电光开关对偏振态敏感，而热光开关对偏振态不敏感。与非干涉式光开关如 机械式及m e m s 光开关相比，干涉型光开关特别是电光开关体积小，开关速度高容易制 作大规模光开关矩阵或其它功能模块，特别适合应用于o x c 和o a d m 网络元件中。 电光开关是目前唯一开关时间可以达到亚微秒、纳秒甚至亚纳秒量级的光开关。所用材 料主要有l i n b 0 3 、i i i - v 族半导体材料( 如g a a s g a a i a s 、i n p l n g a a s p 等) 及有机聚合物材 料等。 1 o s m 材料 以l i n b 0 3 材料作为衬底的光波导型电光开关调制器始于上世纪七十年代中期【2 2 i ，经过 几十年的发展，其制作工艺，分析测试方法等已趋于成熟i 。l i n b 0 3 材料具有较大的电光 系数( 最大电光系数伽为1 0 m v 量级) ，高的c u r i e 温度( 1 1 0 0 。c l1 8 0 0 c ) ，模斑尺寸大易与 标准单模光纤连接耦台在近红外区具有高的光透明度，一度成为制作o s m 的首选材料。 由于l i n b o a 材料无法制作有源器件，如激光器，光探测器等，因此无法实现各种光予器件 的单片集成。并且l i n b 0 3 材料容易受到光损伤的影响对光的偏振态也非常敏感这都大 大影响了器件性能。另一方面。由于l i n b 0 3 材料自身折射率的色散性，尽管采用行波调制 电极，器件中的微波与光波的速率仍然难以匹配，使器件的调制带宽受到影响。 以i l l - v 族半导体材料特别是g a a s g a a i a s 制作o s m 几乎与l i n b 0 3 材料同步田i ，但 由于受制作工艺限制，制作出的光波导传输损耗太。晶格缺陷多，发展缓慢。近年来随着先 进的生产制作工艺如金属有机化学气栅( m o c v d ) 、分子束外延( m b e ) 等外延长生工艺 及反应离子( p a e ) 、电子束( e a e ) 等刻蚀工艺的引入，低传输损耗、低晶格缺陷的半导体光波 导相继开发成功，使i i i - v 族半导体光子器件得到飞速发展1 2 4 - 2 6 】。g a a s o a a i a s 是目前应用 最为普遍，研究也较早，工艺和性能掌握较成熟的一种i i i v 族半导体材料适合制作各种 类型的光子器件，包括有源器件、无源器件因此能够实现各种光子器件的单片集成；其介 末南大学博士学位论文 电常数的平方根接近其实际的折射 率，使用行波电极时容易实现光波与 微波的速度匹配：不易受d c 漂移及 光损伤的影响：随着制作工艺的日趋 成熟，g a a s g a a l a s 光波导的传输 损耗已小于0 2 d b c m 甚至更低：这 类材料同样具备良好的电光特性在 1 1 2 p m 的波长范围内高度透明。因 此，g a a s g a a i a s 半导体材料有望 代替l i n b 0 3 材料成为制作o s m 等 光子器件的首选材料。g b a s g a a i a s 除了具有电光应效( p o c k e l 效应) 外， 还具有f r a n z - k e l d y s h 效应( 体材 料) 8 ”、量子束缚s t a r k 效应( 单，多量 子阱结构) 【2 8 1 及自由载流子效应口9 1 等利用这些物理效应可以制作出不 同类型的o s m 。其中基于 f r a n z - k e l d y s h 效应及量子柬缚s t a r k 效应的光调sr l 开关尽管具有器件结 构紧凑驱动电压较低及插入损耗较 低等优点，但对工作波长极为敏感； 基于自由载流子效应的器件由于受 到载流子复合时间的限制，开关速度 低；基于电光效应的光调制器，开关 虽然有较长的器件结构，但对工波长 不敏感有较大的工作带宽，并且开 关速度高，因此容易在d w d m 系统 中得到应用。 有机聚合物材料的最大优点是 价格低廉并且制作工艺相对简单 与玻璃光纤间较好的折射率匹配有 效地减小了器件的插入损耗1 3 ”。由 于有机，聚合物材料是中心对称的， 用它制作的光波导不具有电光效应。 但若通过外加电场使有机聚合物内 的偶极子沿电场方向取向均一，可获 得二阶非线性电光效应和线性电光 效应，并且光轴的取向与极化时的极 化电场一致p ”。另一方面，有机聚 合物材料导热率低、热光系数大使 它成为制作热光开关的热门材料i ”。 有机聚台物材料作为一种新型的光 电子材料，在光子器件中的应用越来 越广泛，备受人们的关注。有机聚 ( c ) ( d ) ( e ) ( f ) 图1 7 典型的干涉型o s m 结构：平行( a ) 与权重耦 合( b ) 定向耦合器型，y 分支( c ) 、非对称x 结( d ) 、 三波导耦合( e ) 与多模干涉( om z 型 6 锛l 章辖论 台物材料同样无法制作有源器件因此也无法实现各种光子器件的单片模集成，光波导传输 损耗大，材料容易退化影响器件性能。 2 定向耦合器型0 s m ( d c o s ，m ) d c o s m 由两个间距非常近的并列( 耦合) 波导构成如图1 7 ( a ) 所示”“。通过外加电场， 两个并列波导出现相位失配，产生直通态。完成光交换或光调制功能。耦合长度是定向耦合 器型o s , q v l 的一个重要参数髓并列波导间距的增加呈指数增长，因此要求耦合波导有很高 的加：【精度。另外，如果采用单段电极，为了获得交叉态要求并列光波导的长度严格为耦 合长度。因此器件长度的制作容差很小。解决这一问题的方法是采用两段电极并加上极性相 反的电压p ”，则交叉态与直通态都可以通过驱动电压来调制整，制作容差得到提高。除了 采用平行耦台波导外，还可以采用权重耦含波导，如如图1 7 ( b ) 所示的圆弧耦合波导p 、锥 形耦合波导瞰1 等，这种耦合波导可以减小串音，提高调制带宽及增大器件制作容差。除两 并列光波导构成的定向耦合器外，还有三并列光波导构成的定向耦合器口“，主要用作光功 分器。 l i n b 0 3 双段电极定向耦台器型光开关于1 9 7 6 年得到实验验证i ”1 。工作波长为0 6 3 3 p m ，开关电压为2 7 v ，串音小于- 2 7 d b ；相应的g a a s g a a i a s 器件于1 9 7 8 年有文献报道【3 8 i 。 开关电压为2 0 - - 2 5 v ，串音为- 2 5 d b 。此后有大量文献报道【7 1 1 2 ，1 2 2 1 ， 3 9 5 2 1 。目前，l i n b 0 3 定向 耦台器型o s m 的调制速率已达4 0 0 b i t s ，开关电压为3 - 8 v ”j ，g a a s 器件的调制带宽已超 过3 0 g h z ，开关电压为8 - 1 5 v 1 4 5 1 左右。国内报道的少量此类器件大多采用外国加工工艺， 而工作波长在】5 5 x m 下的g 日o , s g a a i a s 定向耦合器型o s m 在国内未见文献报道。 3 m a c h - z e h d n e r 型o s m ( m z - o s m ) 图1 7 ( c ) 为m z - o s m 的典型结构p 】，通过操纵电极来控制干涉光的相位，实现光的“通” 或“断”。为了提高消光比。要求输入出光波导为单模波导，以压制相消干涉时次高级模 的产生。由于并列波导的间距非常大，减轻了并列波导的加工难度，但只有一个输入魑波 导，不能作为空问光开关使用。如果用两个非对称x 结 s 3 l 代替两个y 分支器，则器件既可 作为光调制器，也可作为空间光开关，如图i 7 ( d ) 所示。x 结及y 分支器要求分支角很小， 光刻难度火，为此人们提出了如图1 7 ( e ) 所示的三波导耦合i ”1 和如图t “f ) 所示的多模干涉 ( m m i ) m m i m z o s m ”，由于采用直波导作为分厶波器。降低了光刻难度。前者的分合 波器基于三波导耦合原理，从中心波导输入的光场传输其耦合长度的距离后转换为均匀的两 束，分布在两侧的光波导中反之汇合于中心波导：后者基于多模波导的自镜像原理，并且 通过控制两多模波导之间的相移器可实现光场从任一输入端到任一输出端的交换，完成光开 关功能。 目前，l i n b 0 3 光调制器的调制带宽已达1 0 0 g h z ，半波电压为3 6 v 【”1 ：g a a s 实验室 样品调制带宽已越过4 0 g h z ，半波电压为8 1 2 v 1 5 6 - 5 9 1 。2 0 0 2 年，f u j i t s o 研究所报道了调制 速翠为4 0 g b s 的i n pm z - o s m 。集成了1 5 5 p m 波长的光源，带宽为2 6 0 h z ，采用2 x 2m m i 耦合器作为3 d b 分支器，n g k 公司报道了调制速率为4 0 g b s 的l i n b 0 3m z - o s m ，带宽 为2 5 g h z ，驱动电压为4 1 v 岬】。国内未见有调制速率达4 0 g b s 的m z o s m 报道。 商用m z - o s m 方面，j d s u 公司开发出了调制速率为4 0 g b i t s 的商用光调制器1 6 1 】，采 用x - 切t i ：l i n b o s 材料及y 分支3 d b 耦台器工作波长范围为1 5 2 x m 至1 6 0 2 1 a m ，插入损 耗小于5 5 d b ，消光比大于2 0 d b 回波损耗大于4 0 d b ，带宽为3 5 g h z 半波电压小于6 v 。 f u j i t s u 研究所最近开发出了半波电压为0 9 v 的4 0 g b sl i n b q 光调制器【6 2 1 。驱动方式为推 挽方式，采用与f u j i t s u 已经实现产品化的l i n b 0 3 光调制器相同的制作工艺，确保了产品的 素赢太学博士学位论文 可靠性。为了实现低压工作，开发出了使信号电极最优化的仿真技术并采用了使两个信号 电极互补的驱动方式。 i 2 3 电吸型光调制器( e a o m ) 量子阱结构的半导体材料特别是 i l i v 半导体材料如g a a s o a a i a s 及 l n p l n g a a s p 等具有量子束缚s t a r k 效 应，即当量子阱区存在垂直于阱壁的 外电场时，它的吸收边带发生红移 1 6 3 1 。因此，当调制器无偏压时，该波 长处处于通状态。随着调制器上偏压 的增加原来的波长处吸收系数变大， 调制器成为断状态，调制器的通断状 态即为光强度调制。与电光调制器相 比，电吸收光调制器具有结构紧凑、 半波电压低、易与半导体激光器单片 集成等优点但工作波长范围较窄， 消光比较差，且只能作强度调制器等。 器i ” ( d f b l d ) 。 图1 8 e a - o m 结构【州 图1 8 为e a o m 结构，其中集成了分布反馈式激光 2 0 0 2 年n t t 公司开发出了集成d f b o l d 的行波电极( t w ) 丁w - e a - o m 调制带宽为4 0 g h z ， 在3 3 g h z 频率工作下消光比为1 0 d b l “j ：c a l i f o r n i a 大学开发出了用于产生4 0 g h z 光脉冲的 多量子阱( m q w ) t w - e a o m ，调制正弦微波信号的峰值电压为5 6 v 6 ”。a l c a t e l 公司报道了 基于i n p 用于4 0 g b i t s 光再生的e a - m z o m ，对偏振态非敏感，可以分别对两波导进行幅 度和相位调制减小了时间抖动，为了减小光纤与器件芯片间的插入损耗，引入了模斑转换 器( s s c ) ，其动态工作范围可达到4 0 g h z i 叫；f u j i t s u 研制出了采用优化结构集成d f b 的 4 0 g b se a - o m ，调制带宽超过5 0 g h z ，对应的封装模块的带宽达到4 5 g h z ，峰值电压为3 9 v 时的动态消光比为9 d b l 6 ”。国内在这方面的研究起步较晚，鲜有文献报道。 1 3 光开关调制器的主要性能参数1 6 8 4 9 1 光开关调制器的性能参数是衡量其性能优劣的重要指标。有些性能参数是o s i v l 共有 的，如插入损耗。回波损耗等，有些则是其特有的，如光开关的开关时间、串音等，光调制 器的调制深度、调制带宽、最大调制频率、功率带宽比等。 插入损耗( l ) 若光开关调制器的输入光功率为尸。，输出