（微电子学与固体电子学专业论文）光控型全光开关研究.pdf

摘要 当今社会信息的爆炸性增长必然促使光网络的向更高速、更大容量方向发 展。随着光纤通信技术的发展和密集波分复用( d w d m ) 系统的应用，全光交换已 经成为当f 仃光网络的发展趋势。全光交换的实现主要依赖于光开关和相关器件等 系统的发展。光开关是实现全关交换的关键器件。 目自u 所使用的传统型m e m s 光丌关、热光丌光、液晶光开光的开关速度都为 m s 量级，基本上达不到光交换的要求，另外传统的电光丌光有着很高的偏振敏 感性，同样很难达到光交换的要求。而光控制光开关的开光速度可以达到p s 量 级，并且对偏振的敏感性不高，通过对丌关结构的设计和优化，其性能指标也可 以达到实用要求，因此剥光控型光开关的研究具有实际的理论意义和应用价值。 本文通过建立光生载流子影响半导体折射率变化的模型，来深入研究光控型 光开关工作的内在机理。浚理论模型分别针对稳态情况和瞬态情况做了相应探 讨。在与实验结果进行对照后，证明了该理论模型的正确性。 另外，本文还在附人的研究基础上，运用i j p m 法对全光开关器件( y 分叉全 内反射令光丌关、x 结全光开关等) 进行了设计和改进，并达到了很好的模拟设 计结果。在器件制作过程中，本文采用了反刻法( - - , e e 微电子制作工艺) 来制作 具体光波导器件。 最后，本文还建立了套简便但却相对实用的测试系统。利用红外摄像机采 集器件的近场输出光斑，薛经过图像亮度采集及数据拟合分析，以此来测量消光 比等器件性能参数。该系统同时通过采用带尾纤的激光器大大简化了光注入的控 制操作。目前该测试系统已经具备器件通光及其他性能的测试和分析能力。 到目前为止，本文已制作出1 2 非对称y 分叉全内反射全光开关。经初步 测试，反射端的消光比至少达到1 8 d g 以上，葭通端的消光比可以达到8 d b 。在 其他结构方面，耦合型结构及m z 型结构的初步测试结果也都已经出来了。 浙丈掌硕士掌位论，： _ _ - _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ 一 a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o s i v ei n c r e a s eo fi n f b r m a t i o ni nm o d e ms o c i e t y ，t h eo p t i c a lf i b e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m sa r er e q u i r e dt oh a v et h ep r o p e r t i e so fh i g h e rs p e e da n dh i g h e r c a p a c i t ya c c o r d i n g t ot h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h e a p p l i c a t i o no f d w d m s y s t e m ，a l l o p t i c a ls w i t c h i n gh a sb e c o m eat e n d e n c yo fo p t i c a l n e t w o r kd e v e l o p m e n t t oa c h i e v et h ea l l o p t i c a l s w i t c h i n g ，i tm u s td e p e n do nt h e d e v e l o p m e n t o f o p t i c a ls w i t c h a n do t h e rr e l a t e dd e v i c e s t h es p e e do ft r a d i t i o n a lm e m s o p t i c a ls w i t c h ，h e a to p t i c a ls w i t c h ，l i q u i dc r y s t a l o p t i c a l s w i t c hi ss e v e r a lm s ，w h i c hc a n n o tc a t c hu pw i t ht h ed e m a n do fo p t i c a l s w i t c h i n g t h ee l e c t r o n i c - o p t i c a ls w i t c hi s s e n s i t i v et op o l a r i z a t i o n ，s oi ti sh a r dt o s a r i s f yt h ed e m a n do fo p t i c a ls w i t c h i n g b u tt h es p e e do fp h o t o ni n d u c e do p t i c a l s w i t c hc a nb es e v e r a lp s ，a n di ti si n d e p e n d e n tt op o l a r i z a t i o n w i t ht h eo p t i m i z a t i o n o fi t ss t r u c t u r e i t sp e r f o r m a n c ec a nb ea p p l i c a b l e s ot h es t u d yo fp h o t o ni n d u c e d o p t i c a ls w i t c hh a s s c i e n c er e s e a r c hv a l u ea n da p p l i c a t i o nv a l u e t h i s p a p e r b u i l t u p a n a n a l y s i s m o d e lo ft h er e f r a c t i v ei n d e x c h a n g e o f s e m i c o n d u c t o r si n d u c e db yp h o t o i n d u c e dc a r r i e r u s i n gt h i sm o d e l ，w ec a ns t u d yo n t h ei n h e r e n c em e c h a n i s mo fa l l o p t i c a ls w i t c h d e e p l y t h i sa n a l y s i s m o d e lh a s d i s c u s s e dt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n su n d e rt h es t e a d ya n dt r a n s i e n tp h o t o ni n j e c t i n g t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v ea l s op r o v e dt h e c o r r e c t n e s so ft h ea n a l y s i sm o d e l b a s e do nt h ef o u n d a t i o n o fr e s e a r c hm a d eb yo t h e rr e s e a r c h e r s ，t h e p a p e r d e s i g n e da n do p t i m i z e dt h ea l lo p t i c a ls w i t c h e s ( s u c ha syb r a n c h i n gt i r a l lo p t i c a l s w i t c h xj u n c t i o na l lo p t i c a ls w i t c h e t c ) b yb e a mp r o p a g a t em e t h o d ( b p m ) a n di t h a d a c q u i r e dg o o d s i m u l a t i o n d e s i g n r e s u l t st h i s p a p e r f a b r i c a t e dt h e o p t i c a l w a v e g u i d ed e v i c e sb y w e te t c h i n gm e t h o d ( at e c h n o l o g yu s e di nm i c r o e l e c t r o n i c f a b r i c a t i o n ) t h i s p a p e rb u i l tu pat e s t i n gs y s t e mw h i c hi s c o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a l u s i n g i n f r a r e dc a m e r at oc o l l e c tt h en e a r f i e l d d i s t r i b u t i n g o fo p t i c a ls w i t c h o u t p u ta n d a n a l y z i n gt h ed a t ab yo a u s s i a nc u r v ef i tm e t h o d t h ed e v i c ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s s u c ha st h ee x t i n c t i o nr a t i oa n dc r o s st a l kw e r em e a s u r e db yt h et e s t i n gs y s t e m t h i s i i 浙江大掌硕士掌位论文 t e s t i n gs y s t e ma l s ou s e dl a s e rd i o d ew i t hf i b e rt a i lt os i m p l i f yt h eo p e r a t i o no fp h o t o n i n j e c t i o n u pt o t h e p r e s e n t t h i sp a p e rh a sf a b r i c a t e d 1x 2 a s y m m e t r i cy - b r a c h i n gt i r ( t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ) a l l o p t i c a ls w i t c hf r o mt h ep r i m a r ym e a s u r e ，w eh a v eg o t t h er e s u l tt h a tt h ee x t i n c t i o nr a t i oo f 。b a rc a n n e l i s8 d ba n dt h ee x t i n c t i o nr a t i oo f 、c r o s sc h a n n e l ”i sm o r et h a ni8 d bw eh a v ea l s og o tt h ep r i m a r y t e s t i n gr e s u l t so n c o u p l i n gs t r u c t u r ea n dm - zs t r u c t u r ea l l - o p t i c a ls w i t c h e s t h ep r e c i s em e a s u r e m e n to f t h ed e v i c ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw i l lb ef i n i s h e da f t e r t h ed e v i c ei sp a c k a g e d h r 浙大掌硕士掌位论二t 第一章绪论 1 1 引言 光纤通信是以光波作为信息载体、以光导纤维作为传输介质的种先进通讯 手段。由于它的具有容量大及可靠性强等突出优点，使之发展迅猛，不仅被认为 是影响2 1 世纪的最新技术，而且必然成为宽带综合业务数字网( b - i s d n ) 的骨 干，从而将建成全球宽带综合业务数字网。由于全球范围内以承载了各种业务的 i p 数据包为代表的数据业务爆炸式增长，极大地拓展了电信网对光通信技术的 需求空间并刺激了光通信自身技术的急速发展。在过去的2 0 年里，在一对光纤 上的信息传输总速率从每秒2 兆或1 5 兆比特到每秒数太比特，提高了近1 0 0 万 倍，预计在未来1 0 年瞿还将提高1 0 0 倍左右。 人们对信息量的需求呈现爆炸性的增长，约经6 9 个月就翻一番。预计1 0 年后，家庭用户需求的信息量将从1 0 m b s 提升为1 0 0 m b s ，而占用时间则持续 数小时以上【2 1 。 需求就是动力。这种需求极大的刺激了全光网络的发展。所谓全光网络是指 对信号的传输与处理等都在光域中进行。全光网络主要由光信号发射器( o p t i c a l s i g n a l t r a n s m i t t e r ) 、波长复用器( m u l t i p l e x e r ) 、光放大器( o p t i c a l a m p l i f i e r ) 、 光交换机( o p t i c a ls w i t c h e s ) 、光信号再生器( o p t i c a ls i g n a lr e g e n e r a t o r ) 波长 解复用器( d e m u t t i p l e x e r ) 和光信号接收器t o p t i c a ls i g n a lr e c e i v e r ) 组成，其 结构示意图如图1 1 一i 所示f 3 i 0 图1 1 - 1w d m 全光网结构示意图 那么全光网的优势又有哪些昵? 全光网可使通信网具备更强的可管理性、灵 活性、透明性，它具有如下以往传统通信网和现行的光通信系统所不具备的优点： 第一章绪论 1 、全光劂通过波长选择器来实现路由选择，即以波长来选择路由，对传输码率、 数据格式以及调制方式具有透明性的优点。( 透明性是指网络中的信息在从源地 址到目的地址的过程中，不受任何干涉。由于全光网中信号的传输全在光域中进 行，信号速率、格式等仅受限于接收端和发射端，因此全光网对信号是透明的。) 2 、全光网不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业 务数字网以及网络的升级。3 、全光网络具备可扩展性，即新节点的加入并不会 影响原来网络结构和原有各节点设备。网络可同时扩展用户、容量、种类。4 、 全光网还具备可重构性，可以根据通信容量的需求，动态地改变网络结构，可为 突发业务提供临时连接，从而充分利用网络资源。5 、由于全光网比现有的网络 多了一个光网络层，而光网络层中的许多光波器件是无源器件，因而可靠性高， 而维护费用降低。 作为全光通讯中的两个重要方面( 光传输、光交换) ，目前发展迅猛。新技 术、新器件不断涌现。 l ? 光传输： 密集波分复用技术( d w d m ) 是较多波长复用的密集w d m 技术。目前 d w d m 技术已广泛应用于长途干线、城域网，并扩至接入网。d w d m 技术的核 心光学器件是密集波分复用解复用器( m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ) ，其功能是采 用光学方法将间隔密集的各波长( 信道) 复用至一根光纤传输，或将己复用的各 波长( 信道) 分歼。在过去的标准单模光纤、色散位移光纤和非零色散位移光纤 的基础匕，美国朗讯( l u c e n t ) 公司推出了新型的全波光纤( a 1 1 w a v ef i b e r ) 。它消 除了常舰光纤在1 3 8 5 n m 附近由o h 根离子造成的吸收峰，将损耗从原来的 2 d b k m 降到0 3 d b k m ，这使光纤的损耗在1 3 1 0 1 6 0 0 n m 都趋于平坦，使光纤可 利用的波长增加1 0 0 n m ，芏右，相当于1 2 5 个波长通道( 1 0 0 g h z 通道间隔) 。 2 光交换： 光交换是光网络中的关键技术。主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信 号交换及选路。从功能上青，光交换、光交叉连接( o p t i c a lc r o s s c o 1 n e c t ，o x c ) 、 光上路下路复用( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g ，o a d m ) 都属于光交换，它们 是顺序包含的。即o a d m 是o x c 的特例，主要进行光路上一f ：o x c 是光交换 的特例，主要在光域一h 进行交叉连接。光交换有空分交换、时分交换、波分交换 浙江大掌硕士掌位论土 等。 而在两个方面的发展都离不开光开关的参与。在d w d m 通信系统中，光开 关及开关列阵有着重要的地位。光开关是新一代全光网络的关键器件，主要用来 实现全光层次的路由选择，波长选择，光交叉连接，自愈保护等功能。通常，在 系统的主要设备间的光路部位切换需要性能良好的光开关。而在o x c ( 光交叉 连接) 。苻点系统中，具有相当规模的光开关列阵与光波分复用解复用器、光波 长变换器等一起构成系统，光开关列阵是其中不可缺少的关键器件。 可见个大系统的性能的提升，离不开小器件的研发和创新。基础器件的性 能可以说是系统性能的关键。就如同只有具备优质的钢筋混凝士材料，才能建成 高耸入云的参天大厦。 世器市场光开关的需求量在九十年代初、中期增长缓慢，只有数十万件。但 在九十年代后期，随着全光网络的兴起、发展，经济信息化过程加快，特别是全 球范围光交换机及其交换矩阵系统市场需求猛增，系统设备销售2 0 0 6 年将增长 至3 2 亿美元，对光开关的需求也将会急剧上升。 目前，在光无源器件中，占份额最大的产品是光开关( 3 5 ) ，一直居于首位。 l i g h t w a v e 杂志报导2 0 0 0 年光歼关的市场为3 0 8 亿美元，到2 0 0 5 年将达2 8 亿 美元。d w d m 模块市场为3 5 亿美元，而其它无源光器件的市场为2 7 亿美元。 虽然目前光通讯市场进入了暂时的冬天，增长势头趋缓，但其发展趋势还是 不会改变的，上升只是a _ 间上的问题。然而市场上的冬天也正是科研上最活跃的 时期。番因的科研单钉和、芦校部在积极而紧张的从事着新一代光器件的研发以及 现有光器件陀能提升的二r ：怍，以朗在下一个市场的上升阶段把握先机。 那么现阶段为什么要加强对光开关等光器件的研究呢? 下面将具体介绍一 下光开关的应用。 1 2 光开关的主要应用领域： 光丌关的应用范围很广，前面已经提到了一些，下面将具体介绍一下光开关 的应用领域。 ( 1 ) 尼厨缮膨自动廉护励痰：当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开 关实现信号迂回路：“。从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要 最简单的1 2 光开关。 ( 2 ) 历第罐考晷功膨j 使用简单的i n 光开关可以将多纤联系起来。当需要 监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上( 如 o t d r ) ，通过光开关的动作，可以实现网络在线监测。 ( 3 )光舞弹厅多删讨j 可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过lx n 光开 关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。 ( 4 ) 约建o a d m 嚣番楔z - ? o a d m 是光网络关键设备之一，通常用于城域 网和骨干网。实现o a d m 光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下 都应用了光开关，主要是2 2 光开关，来实现对密集波分复用光网络中光 信号的上下路功能。由于光开关的使用，使o a d m 能动态配置业务，增强 了o a d m 节点的灵活性，同时，使得o a d m 节点能支持保护倒换，当网 络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能 力和网络的保护和恢复能力。 ( 5 ) 萄建咣东足互质o x c 提番励2 交换蔹z ? o x c 主要应用于骨干网，对不 同子网的业务进行汇聚和交换。因此，需要对不同端口的业务交换，同时， 光丌关的使用使o x c 具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能，在光层 支持波长路由的配置和动态选路。由于o x c 主要用于高速大容量密集波分 复用光骨干网上，要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的 特点。 随着光传送网技术的发展新型的光丌关技术不断出现：同时原有的光开 关技术性能不断地改进。随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的 生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，光开关在光层的保护 倒换对业务的保护和恢复将起到更为重要的作用。未来的光传送网是能支持多业 务的透明光传送平台，要求对各种速率业务能透明传送；同时，随着业务需求的 急剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长。因此，光开关的交换矩阵的大小也 要不断提高。同时由于i p 业务的急剧增长，要求未来的光传送网能支持光分组 交换业务，未来的核心路由器能在光层交换。这样，对光开关的交换速度提出更 高的要求( 纳秒数量级) 。e 2 , 之，大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将 在光网络发展中起到更为重要的作用。 浙江大掌硕士掌位论文 1 3 光开关的研究方法及其目标 前文已经介绍了光开关的应用领域和其开发前景。下面将简单介绍一下光开 关研究方面的一些内容。 首先光开关的主要性能指标是什么呢? 不同类型的光开关和其应用领域都 有不同的要求，但有一些要求是共同的，只是在具体实用时，其相对的重要性要 有所区别。 光开关的主要性能要求有【4 】= ( 1 ) 小的串音；( 2 ) 大的消光比；( 3 ) 低的插 入损耗；( 4 ) 小的驱动电压( 或电流等) ：( 5 ) 无极化依赖性；( 6 ) 与光纤有高 的耦合效率：( 7 ) 紧凑的器件尺寸：( 8 ) 根据要求而定的开关速度和频率带宽。 ( 9 ) 要求具有良好的稳定性和可靠性。 那么在实现这些性能要求时，科研人员应该从哪些方面入手呢? 换句话来说 就是研究人员采用怎样的研究方法会更高效呢? 通常来说，主要可以从三方面入 手。 第一、可以别器给笱上八手。寻找一种最佳的结构形式，或单独使用，或 结合已有结构形式，以利用其优势。 第二、可以以榭群上久手。针对性能要求的侧重点不同，选择相应的合适材 料。比如要在提高光丌关速度方面可以选用目前颇有前景的量子阱材料，有机聚 合物材料，以及低温生长下的g a a s 材料等。 第三、可以剧蔓豁矿方苛以尹。不同结构的器件有其主要的控制方式，有效的 利用控制方式同样可以大大提高器件的性能。 1 4 光开关的研究现状 光开关作为光通信中- - e e 重要的器件，人们对它的研究已有二三十年的历 史。由于人们对器件材荆、器件工作原理、加工工艺等多方面认识和研究的不断 进展，光开关的类型呈现多元化发展趋势。接下来将按照从常用类型到特殊类型 ( 整体概貌到具体实例) 的顺序对光开关的研究现状予以相应的介绍。 1 4 1 常用光开关类型反特点 通常光歼关可以根挪 所用材料、控制方式等角度来分析。 第一章绪论 从器件材料角度上说，目前应用的器件材料有：铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、i i i v 族 化合物半导体材料、有机聚合物材料、硅基光波导材料和玻璃等。各种材料的各 自特点如下： 1 、l i n b g ：l i n b o 。是由来已久的波导类器件的材料，以前主要利用其二次电光 效应，多应用在干涉型、相位调制型光子器件( 如m z 干涉器、b o a 开关等) 中。总体来浣，l i n b o ，为材料的光子器件的优点是材料成本低，工艺相对简 单。但是由于干涉型、相位调制型器件的体积相对来说都是比较大的，因此 其集成度具有一定的限制。另外l i n b o 。制作工艺与半导体工艺的兼容性、 l i n b o ，与半导体光子器件的可集成性方面也较差，在半导体光子器件占优势 的今天，这无疑是个较大的缺点。 2 、m 一，蔗彤兮笏导绣影样：i i i v 族化合物半导体材料多为真接带隙，因此 它首先在光源、光放大器等有源器件( 尤其是长波长器件) 方面具有明显的 优势。其次，与其他半导体材料一样，利用其二次电光效应以及其他一些效 应可以实现相当多的器件如干涉器、高速调制器、光开关列阵等等，这些器 件往往都具有体积小、速度快的优点。第三， i l l v 族化合物半导体材料可 以很好地实现性能特性高于体材料的多量子阱材料，这是人们重视已久的。 另夕 基于i i i v 族化合物半导体材料的m e m s 在光通讯方面的应用也取得了一 定进展。目前儿i v 族化合物半导体材料最大的缺点就是成本太高。 3 、秀税雾兮物拗0 掣：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。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( o p t i c a lp a c k a g i n g ) 及内部连接( i n t e r c o n n e c t s ) ， 这已经成为近年来有机聚合物材料的一个重要发展方向。第二是光子器件， 有些有机聚合物的热光系数比其他材料要大一个数量级，因此在热光开关方 面的应用也是较活跃的。但是目前有机聚合物材料也存在一些需要解决的问 题，包括热稳定肚和可靠性。 4 、磋塞老瓣导柯辫：s i 作为常规半导体电子材料，也能较好地实现光子器件， 但由于它是间接带隙材料，因此主要应用于无源光子器件中。s i 材料应用于 光子器件的另一个重要的形式就是近几年迅速崛起的m e m s 光开关列阵，虽然 还有许多问题尚待解决，但其大规模集成的前景和高消光比特性已倍受人们 浙江丈掌硕士掌位论二屯 重视。 5 、绣f 测：玻璃波导的材料与光纤几乎相同，因此芯片与光纤耦合损耗是 相当低的，这是玻璃波导材料的最大特点。另外低传输损耗，低成本也使得 它具有相当的优势。破璃波导的不足是二次电光效应为0 ，这在很大程度上 限制了它在光子器件方面的广泛应用。 6 、真磁勿0 掣? 液晶材料在光丌关列阵方面最近也比较活跃，其优点是可靠性高， 驱动功率低：而在大规模集成方面有优势的气泡式光开关列阵也由安捷伦公 司在0 f c 2 0 0 0 会议上给出。 从控制方式角度上看，目前主要有热光开关、电光开关、声光开关、光控光 开关等几种类型。热光开关的响应时问为m s 量级，声光则为u s ，电光可接近1 0 n s 。 光控光开关的响应速度是几种类型中最快的，最快可达口s 级。具体来看，上面 几种类型的各自特点如下 4 j ： ( i ) 、慰光刀：关主要利用加热波导，改变光波导的折射率引起主波导与需要的 分支波导蒯的光祸合，从而实现光开关器件。因为热光开关是由分支波导( 或 分支波导阵列) 与其上的薄膜加热器构成，光的开与关由淀积在薄膜上的加热器 控制。当电流通过加热器时，便在波导分支区域产生横向热梯度，改变波导的折 射率，这种改变引起主波导与需要的分支波导间的光耦合。这类光开关目前主要 是利用s l 片上的s i o ! 或有机聚合物制成。这种开关具有体积小、成本低的优点； 缺点是串扰大、消光比低、功耗大，并需要适当的散热。热光开关主要有m z i 型、y 分支型、x 结型和组合型等结构类型。 ( 2 ) 、店光万若是利用电光效应达到改变波导材料的折射率而实现光的开关，其 材料包括铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、半导体材料和有机聚合物材料。电光开关的主要优 点是开关速度快、集成方便，是未来光交换技术中需要的高速器件，不足的是高 的偏振相关损耗和高的串扰。此外，它们对电漂移敏感，一般需要高的工作电压。 此外，电光开关是非锁定形的，这限制它们在网络保护和重组方面的应用，高的 生产成本也妨碍广泛的商用。电光开关结构类型与热光的相似。 ( 3 ) 、声光刀买是通过超声波使材料( 如锗等) 的折射率随声波的强度和频率而 变化，从而控制光线的偏转，交换速度从5 0 0 n s 到1 0 9 s 。由于没有机械的运动部 第一章绪论 分，可靠性比较高。对1 2 开关，插入损耗为2 5 d b ，但缺点是成本太高，不利 于实际应用。 ( 4 ) 、光崖觉刃癸是直接咀光作为控制源。其优点在于省去了中间的电一光、声一 光等的转换过程，有利于斤关速度的提升。缺点是研发难度较高，技术尚在发展 中，不是很成熟。具体的介绍将在1 4 2 节给出。 上面从材料和控制方式角度做了简单的介绍。下面从目前的光开关产品中简 单的举几个比较典型例子，以期对整个光开关领域有一个较完整的认识。目前的 光纤通信系统中比较成熟的产品是机械式光开关。波导式光开关目前发展势头迅 猛，液晶开关和全息丌关等以其特有的优势受到广泛的关注。 、机械式光开关 目前应用最为广泛的仍是传统的l x 2 和2 x 2 的机械式光开关。其主要优点是 损耗小、易于实现锁定。丌关时 间为m s 量级，由于体积大，单 个器件难以做成4 x 4 以上的开 关阵列，只能通过级联来实现。 近几年的研究主要集中在微光 机电系统( m o e m s ) 光丌关和 毛细管效应光开关。微光机电系 蹦l 4 一i 、采用微镜拌制的m o e m s 光开关结构 统( m o e m s ) 光开关是微机电 系统( m e m s ) 技术与传统光技术相结合的新型机械式光开关。图1 - 4 1 所示便 是一种机械移动微反射镜结构2 x 2 光开关示意图“1 。毛细管效应光开关对器件的 结构进行了简化，但在一定程度上牺牲了器件的性能。图卜4 - 2 所示为日本n t t 研制的用于接入网的8 ：1 光开关列阵及其采用热毛细管效应的开关单元结构【6 】。 曾在o f c 2 0 0 0 会议上引起轰动的a g i l e n t 喷墨气泡光开关是a g i l e n t 公司结 合喷墨打印和硅平面光波导两种技术，所开发出种二维光交叉连接系统 7 】它 也是属于毛细管效应型的器件，如图1 - 4 - 3 所示。该设备由许多交叉的硅波导和 位于每个交叉点的微型管道组成，微型管道填充一种与折射率匹配的液体用以允 许缺省条件下的无交换传输。当有入射光照入并要交换时，一个热敏硅片会在液 塑兰查兰! 主竺兰兰查 体中产生一个气泡( b u b b t e ) 。气泡将光从入射波导全反射至输出波导。由于使 用已有的技术，故其成本不高。喷墨气泡光开关交换速度为1 0 m s ，3 2 3 2 子系 剀1 4 - 2 、日本n t t 研制的( a ) 用于接入网的8 ：1 光开关列阵及( b ) 其采用热毛 细瞥效应的开关单元结构。 统损耗为4 5 d b ，具有偏振不敏感性，因此具有小的极化损耗，能对速率和协议 透明，具有较好的可扩展性。但是，喷墨气泡光开关有两个重要因素需要考虑： ( 1 ) 如何很好地控制光开关的状态，如光开关频繁动作或长期维持气泡状态。 ( 2 ) 喷墨气泡光开关封装后，其内部材料和液体的生存问题。 t 、波导型开关 波导型光丌关的结构有许多种， 诸如定向耦合器、m z 、b o a 等干涉 型、全内反射和y 分支器结构的数字 型等。近几年研究的较多的波导型开 关主要是采用是热光和l 乜光的开关 方式，光控的方式正处+ f 深入研究 中。由于下文将有详细介绍，这里就 阁l 一4 3 a g i l e n t 喷墨气泡光开戈的示意图 不再重复了。 3 、液晶光于 关 液晶光开关是近几年才开发出来的一种新型光开关器件，它的出现将对其他 光开关器件构成有力竞争。每一个开关元件包括两个基本组件一液晶( l c ) 片和光束方向器。前者在电压的作用下能改变光的偏振方向，后者扮演偏振路由 器的角色，能把光束反射到由l c 片所决定的光路径( 有两个路径可选) 。液晶 的电光系数非常高，是铌酸锂的几百倍，使液晶成为最有效的光电材料。液晶光 第一，r 绪论 开关的优点还在于，其理论上网络重构性可能比较好，但是目前最大端口数为 8 0 ，因此液晶被认为更适用于较小的交换系统中。由于在液晶中光波被分成偏振 方向不同的两束光，最后把它们合起来，如果两束光的传输路径稍有不同，便会 产生损耗( 对l x 2 开关为1 d b ，1 x 8 开关为2 5 d b ) ，目前消光比为4 0 5 0 d b 。开 关速度方面，可以通过加热液晶来提高速度，但这不可避免地使设备功耗增加。 目前从事这种开关的研究开发商有c o r i n g ，c h o r u m ，k e n to p t r o n i c s 等公司。 4 、全息光开关 通过全息( h o l o g r a m s ) 反射在晶体内部生成b r a g g 光栅，当加电压时，b r a g g 光栅把光反射到输出端 f 反之，光就直接通过晶体。利用这种技术可以很容易 地组成上千端口的光交换系统，并且它的开关速度非常快，只需几个n s 就可以 把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动部件，可靠性比较好。根据 t r e l l i sp h o t o n i c s 公司介绍，2 4 0 x 2 4 0 端口的交换系统的插入损耗小于4 d b ， 端到端的重复性也比较好但是它的功耗比较大，并且需要高电压供电。 当然丌关的产品还很多如，各自的优点也是很明显的，将来的全光网络具体 使用哪种产品这还需要根据对性能的要求做合理的评估，选用最合适的。 1 4 2 皮秒级光控光开关的研究进展 前文介绍了光开关的分类、材料、控制方式以及成熟的一些产品。下面来看 看在光控光开关这一颇有发展潜力的器件的研究情况。通常情况下非光控光开关 需要一个由光信号到非光( 电) 信号再从非光( 电) 信号到光信号的两次转换过 程，这对进。步提高丌关速度是个限制因数，如果能实现直接由光来控制光，则 可大大提高开关速度。目前光控光开关是光通讯系统中极具发展潜力的器件之 一。下面将介绍几种具各皮秒级开关速度的光控光开关结构类型及其性髓。 一、光f f ) - 考耳关类垒及其i 作聚理 目日u 用于光控光丌关研究的结构类型很多，下面将着重介绍几种颇具代表性 和启发性的结构类型。主要有m z 型、平面反射型、光克尔型、n o l m 型、频 移型等。 j m r a c h - z e h n d e r 型瓷姥宠开关 m a c h z e h n d e r 型光开关是目前研究最多，使用晟多的一种结构，它是一种干 0 浙江大掌硕士掌位论文 涉型光开关。目前，丌关速度不受载流 子寿命限制的对称m z 型结构已经被应 控制光 用于研究和制造超快全光开关【t o 。对称 “ m z 开关有两个非线性工作的波导臂， 控制光 两束控制光分别如图1 4 - 4 注入到两段 非线性波导臀中。当控制脉冲光1 ( 接同 非线性波导臂 非线性波导臂 图l _ 4 _ 4 出信号 + 用) 入射并激励上端的非线性波导后，不等到激励恢复就断开控制脉冲光1 ，同 时使控制脉冲光2 ( 断开用) 入射并激励下端的非线性波导。由于两波导臂是对 称的，只要双方受到同样的激励，就都会产生相同的非线性折射率变化。由于相 互间的逆相位非线性光学效应相消，所以就实现了超高速断开。( 可适用于约 1 t b i f f s 的超高脉冲) 前面这种对称m z 型全光开关是两束控制光分别入射到两个非线性波导臂 上，另有研究人员利用y 分叉结构的非线性效应，用一束控制光作为开通控制光， 将这束光的延迟作为断丌控制光。这样的多量子阱m z 全光开关可以获得小于 1 0 p s 的时分窗口，而其控制光只需1 l p j 。 以kt a j i m a 为首的研，毛人员在前面介绍的对称全光开关研究的基础上，运用 多种辅助手段( 如添力i s o a 模块、结合双折射晶体等) 分别取得了以下成果。1 、 在引入s o a 模块后，研究出了超快( 1 6 8 g h z ，l5 p s 开关窗口时间) 、低控制能量 ( 1 f j ，平均功率1 7 0 1 1 w ) 的对称m z 型全光开关f 1 2 】。2 、结合双折射晶体后，研究 成功超快开关速度( 2 0 0 f s ) ，高重复率( 1 0 0 h z ) 的对称m z 型全光开关。 2 、平面反射銎 平面反射型光开关是在表面淀积 金的反射镜，利用了半导体的可饱和 吸收特胜工作的1 4 i 。如幽1 4 5 所示， 在没有控制光入射时，信号光几乎被 完全吸收，处于没有反射的断开状态。 在控制光入射后，由f 控制光引起了 吸收饱和，使得信号光的反射率大大 提高，达到了接通状态。为了提高开 k 光仁 刊熬：事 彰錾i 入射光能量 a 1 光非线性 时问 ( b 】时间响趟 j i s - - ! - 绪论 关速度，有研究人员在低温下生长掺铍( b e ) 的具有光非线性特性的 i n o a a s i n a l a s 多量子阱结构，大大的缩短了载流子寿命( l p s ) 。最终可以实 现在掺b e 量为4 。3 i 0 ”c m 。3 的情况下，得到开关时间为1 5 p s 的超高速开关速 度，而其控制光强度只有2 p j 。( 接通断开比为2 0 ) 。提高掺b e 量到7 8 1 0 1 7 c m 3 时，响应速度可达到02 5 p s 。 3 、克暴光j 7 i 关 克尔效应是光纤的折射率随入射光的强度变化而变化的一种3 阶非线性光学 效应。克尔光开关就是通过控制光使 信号光发生瞬时偏振旋转，产生一个 正交偏振状态的相位差。当这个相位 差从o 一g 时，开关动作。克尔光开 关( k e r rd e m u x ) 工作原理如图 1 4 6 所示。 在实验中用6 8 0 m w 的控制光， 可以实现6 0 g b s 8 2 m b s 的d e m u x 稳定动作i ”l 。为了提高克尔光开关的开关速 度，可通过减小光纤长度或这使控制光波长接近光纤的零色散波长以及采用色散 补偿技术，可以使开关时间减小到接近l 口s 或更短哪。 4 n o l m ( 1 e 线性坯蹈 毫) 光 玎关 n o l m 是光克尔( k e r r ) 效应和s a g n a c 干涉仪的结合，以其优良的性能已 经成为一种极富吸引力的全光歼关。其工作原理如图i 4 7 所示。输入信号脉冲 辅 信号糠冲】：i 光碍舟* 幽1 4 7 在1 ：1 光耦合器中分成两路光分别沿 顺时针和逆时针方向传播，控制脉冲 从左侧的w d m 进入环路并从右侧的 w d m 射出，当有控制光入射时，由于 光纤的非线性克尔效应使得顺时针传 播的信号光发生相移，这样在两束信 号光重新在光祸合器中进行干涉时， 由于存在了目位差，如果这个相位差达到了厅，就会使右端有光信号输出，从而 实现了光开关的功能。 毛譬一 一哥盛零 舯、1 丽 牲 一从 浙t 大掌硕士掌位论文 t a k a h i d es a k a m o t o 等a 1 7 】采用加入了 i n l d s f ( h i g h l yn o n l i n e a r d i s p e r s i o n s h i f t e df i b e r ) 的n o l m 光开关，完成了峰值能量在4 w 左右，o 5 p s 的脉 冲序列的波长转换器的研制。也就是说n o l m 开关具有p s 级的开关速度。 5 、频移垫光- h a e 频移型光开关几种类型中研究和应用最多的是通过瞬时交叉相位调制 ( t - x p m ) 来实现开关功能，同时四波混频型( f w m ) 型也是研究热点之一。下面 将具体详细介绍一下t - x p m 。t - x p m 光开关是由个非线性波导( n l w g ) ( 例 如s o a ) 和一个光滤波器组成。 如图1 4 8 所示，当控制光脉冲入射非线性波导时引起载流子浓度的改变， 进而导致信号光的非线性相位 变化。在控制光入射的瞬时时 域中，一个超高速改变的非线 性相位变化中( t ) 导致在信号 光上大的频率变化( 0 ( t ) = d 中( t ) d t 。最后由光滤波器 选择性通过已经被调制的光信号( 频率发生偏移) ，完成光开关工作。s h i g e r u n a k a m u r a 等人利用s o a 作为非线性波导部分，实现了超高速( 与1 6 8 g b p s 解复用相适应) 和高的重复率( 1 0 g h z ) ，而其控制光光强却不到l p j 。 二、光径光开关性能分枷眈较 通过整理上面提到过的数据，得到表一。从中我们可以大致了解光开关类型 各自的性能。虽然同种结构类型在不同实验中得到的数据会有所不同( 这是因为 各个实验中材料，实验环境等条件不同所造成的) ，但这并不影响我们对光控光 开关整体上的认识。首先各种类型都具有制造p s 级的光控光开关的能力。具体 来看，m z 型光控光开关是应用比较广泛的一种结构类型，结构简单实现方便， 开关速度可以通过合理控制控制光的注入以及采用合适的高速材料来提高。平面 反射型原理简单，是目前开关速度可以低于i p s 的结构方式之一( 0 2 5 d s ) ：尽可 能增加其非线性以及提高其