（物理电子学专业论文）声光互作用研究及其在声光波导开关中的应用.pdf

摘要 光开关是现代光通信、光信息处理等光信息系统向大容量、高带宽、光纤入 户等方面发展不可缺少的关键器件，但代表未来发展方向之一的集成光波导开关 还有很多问题有待解决。本文主要研究了一种特殊声光波导光开关中的几个核心 问题，包括：声光互作用理论、声场的激发、声光波导开关的设计和光纤与波导 的耦台。 研究并比较了几种常见的声光互作用理论分析方法。虽然声光互作用理论早 在1 9 3 3 年就已经提出，并且以后又不断完善，但是这些方法都是在特定条件下 得到的t 有些比较繁琐，得出的结果缺乏直观性。经比较分析发现多重平面波散 射理论能够对声光互作用进行良好的解释。 用龙格库塔方法和多重平面波散射理论对平面光场与平面声场的声光互作 用过程进行了详细的数值模拟分析。研究了声光开关各主要参数对衍射效率的影 响，并应用于器件的设计中。 研究了叉指抉能器激发声场的机理，分析了声场的衍射问题，分析了声场的 衍射对b r a g g 衍射效率的影响，对声场衍射对b r a g g 带宽的影响进行了定性分析。 设计了以平面波导短程透镜和声光偏转器为基本结构的1 4 型声光波导开 关。 对光纤与波导的耦合进行了模拟。主要采用r s o f t 软件公司提供的基于光束 传输法( b p , i ) 的软件b e a m p r o p ，对c o r n i n gs m f2 8 1 “c p c 光纤在其l p 。基模模式 下与波导的耦合问题进行了定性分析。 关键字：声光互作用多重平面波散射理论龙格一库塔声光波导开关耦合 s u b j e c t n ：l m e d i r e c t e db y ：t h es t u d yo fa c o u s t o o p t i ci n t e r a c t i o nt h e o r ya n di t s a p p l i c a t i o ni na c o u s t o o p t i cw a v e g u i d e s w i t c h e s ：l iy a n g ( p h y s i c se l e c t r o n i c s l ：p r o f e s s o rz h u j i n g p i n g a b s t r a c t o p t i c a l s w i t c h e sa r e k e ye l c m e n t s f 、o rm o d e ml a r g e c a p a c i t y , w i d e b a n d ， f i b e r h o u s e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o na n do p t i c a l s i g n a lp r o c e s ss y s t e m s i n t e g r a t e d o p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c ea r ea t t r a c t i v eb u tm o r ei s s u e sn e e du b es o l v e d s e v e r a l p r i m a r yp r o b l e m s a r ei m e s t i g a t e d i n c l u d i n gt h et h e o r i e so f a c o u s l o o p t i ci n t e r a c t i o n 、 e x c i t a t i o no fa c o u s t i cf i e l d 、t h ed e s i g no fa c o u s t o o p t i cw a v e g u i d es w i t c ha n d 山e c o u p l i n gb e t w e e nf i b r ea n d w a v e g u i d e s e v e r a lu n i v e r s a lt h e o r i e so fa , g o u s t o o p t i ci n t e r a c t i o na r e i n v e s t i g a t e d a n d c o m p a r e d t h et h e o r yo fa e o u s t o o p t i ci n t e r a c t k mw a sp u tf o m a r di n 19 3 3a n dh a d b e e n i m p r o v e di n c e s s a n t b 二b u t a l lt h e s et h e o r i e sw e r ed e r i v e du n d e r s p e c i f i c c o n d i t i o n s s o n l eo ft h e mw e r ec o m p l e xa n dc o n f u s e d 1 h em u l t i p l ep l a n ew a v e s c a t t e rt h e o r yc a ne x p r e s sa c o u s t o o p t i ci n t e r a c t i o ne x p l i c i t l y r a n g e k u t t a m e t h o da n d m u l t i p l es c a t t e r i n gt h e o r y a r e a p p l i e d t os i m u l a t e a c o h s t o o p t i c i n t e r a c t i o nn u m e r i c a l l y , a s s u m i n gt h a t o p t i c a l a n da c o u s t i cf i e l da r e p l a n ew a v e t h en u m e r i c a lr e s u l t s a r et h ef o u n d a t i o no ft h ea c o u s t o o p t i cs w i t c h d e s i g n e x c i t a t i o no fa c o u s t i cf i e l d b yi d t ( i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r ) i se x p l o r e d t h e d i t t i a c t i o no fa c o u s t i cf i e l da n db r a g gd i f f i a c t i o n e f f i c i e n c y i n f l u e n c e db yi ta r e a n a l y z e d t h ei n f l u e n c e o fa c o u s t i cf i e l d d if f r a c t i o no n b r a g gb a n d w i d t h i s i m e s t i g a t e dq u a l i t a t i v e l y 1 4a c o u s t o o p t i cw a v e g u i d es w i t c hw a sd e s i g n e db a s e d0 1 3 t h ee l e m e n to f g e o d e s i cl e n s e sa n da c o u s t o o p t i cd e f l e c t i o nd e v i c e t h e c o u p l i n g b e t w e e nf i b r ea n dw a v e g u i d ei s a n a l y z e d t h e s o f t w a r eo f b e a m p r o pi su s e di ns i m u l a t i n gt h ec o u p l i n gb e t w e e nc o m i n gs m f2 8 1 mc p c f i b r ea tm o d el p 0 1 a n d w a v e g u i d c k e y w o r d s ：a c o u t o o p t i ci n t e r a c t i o nr u n g e - k u t t a t h e m u l t i p l es c a t t e r i n g t h e o r ya c o u s t o o p t i cw a v e g u i d es w i t c hc o u p l i n g v 科研道德声明 v 6 8 3 1 5 4 秉承研究所，“礁的学风1 j 优良的科学道德，小人声j 】所避交的沦文是我个人 在导师指导下进行的研究_ - i z 作及取m 的f f j f 究成果。沦文i 所0 l j l l f l ；j 内容都已给了 了明确的注释和致谢。与我一同l ：作的同志刘小研究所做的任何贡献均已在沦文 中作了明确的说明并表示了致i f | i 。 申请学位论文与资料蓿有一i 实之处，本人承 _ 儿一l = j j l = f f 关责f e 。 论文作者签名 季 丝圳：丛! 仨，212 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知谚 产权的规定 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知谚t 产权单f 讧系l l j 科院婚安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为i p 科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留邀交论文的复印什，允许论文被查阅和 借阅；产权单位可以公布沦文n 0 全部或部分内容，州以采j ij 影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 保密的论文在解密后应遵守此舰定) 论文作者签名：垄趔 导师签名：一一 日期： 出! 笙：2 ：2l j 期：坐! 垡，2 z 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，随着全球信息高速公路的建设，光信息系统( 包括光纤通信、光存 储、光计算与光信息处理等) 发展非常迅速，应用日渐广泛。而光信息系统的重 要组成部分是网络光路( 最具代表性的是光纤网) 与光路切换器件【】1 o 网络光路是信息传输的通路，目前正在向宽带、大容量、高速度方向发展。 在高速光通信系统、接入网、全光网络等领域中，光纤频带资源有着广阔的应用 前景；同时构成光纤列络中的光纤、光缆动态状况监测也必须用波分复用技术。 高密度波分复用在远距离传输中可扩展容量、降低成本、简化操作，实现资源共 享、提高可靠性以及充分利用光纤的带宽实现多功能传输，被认为是可以达到 “太比特( t b i t ) 级容量光网络”的有效方法，成为当前光通讯网络中的重要研 究方向。 1 i 本课题研究的意义 光开关用以实现大量高速信息在网络中的分组切换与路由选择，是各种网络 光路中光交换的基础元件，用以实现光束在时间、空间、波长上的切换，可用于 光纤通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统等中，是 光通信网、光计算机、光信息处理器等光信息系统的关键器件，受到密切关注。 器件是系统的基础，一种新型器件的出现往往会有力的促进光信息系统的进 步。目前，光信息系统对光开关和光波分复用器的期望越来越大，器件的发展对 系统的影响越来越深。光开关与波分复用器均属于光无源器件，随着信息高速公 路的启动，不久的将来，光纤入户，呼唤功能更全、指标更先进的光开关和波分 复用器不断涌现。 近十年来，随着光信息系统向高速度、大容量发展，迫切需要光无源器件向 集成光波导器件发展。集成光波导型器件是利用类似半导体集成电路的制造技 术，把光学元件以薄膜形式集成在同一基片上，构成的具有独立功能的微型光学 系统。它对信号进行直接处理，从而具有体积小、重量轻、易于实现控制、适合 于光信息处理并且能与光纤传输系统配合使用、可极大提高光学系统快速响应能 声光互作用研究及其肴声光波导开关中的应用 力和信噪比等优势。但以往由于光波导的各种损耗不容易做到很小，限制了它的 发展。近年来，由于时代的需求，加之微电子、光电子微细加工技术的发展，光 波导割各技术日益成熟，目前光波导制各技术已经使波导各种损耗之和小于 0 1 d b ，较之前1 0 年的( 】5 ) d b c m 有了质的飞跃，因此各种光子集成器件已 经展现在人们面前，引起光电子设计制造者、系统设计者、系统经营者的高度重 视。集成光波导化光开关成为光通信与光通信系统的重要研究方向之一。 2 光开关关键技术国内外研究现状“m “”“6 光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切 换。光玎关在光分插复用( o a d m ) 、时分复用( t d m ) 、密集波分复用( d w d m ) 中有着广泛的应用。光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信 公司和研究单位的研究重点。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。 目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。 不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。依据不同的光开 关原理，光，r 关可分为：机械光开关、热光开关、电光开关、磁光开关和声光开 关等。依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导 交换光开关。根据阻塞特性，光开关可以分为：严格非阻塞型、可重排非阻塞型、 阻塞型。根据开关机制，光开关可以分为：波长选择型、波长互换型、内调制型。 根据光开关的设计技术，光开关可以分为：集成光学光开关、全光纤光开关、微 光学光开关和混和光开关。随着新技术的发展。将有更多类型的光开关出现。 1 2 1 光开关的主要性能参数 ( 1 ) 交换矩阵的大小：光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。 光开关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求也不同。随着通信业务需求的 急剧增长，光开关的交换能力也需要大大提高，如在骨干网上要有超过 1 0 0 0 x 1 0 0 0 的交换容量。对于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠 加而成。 第1 章绪论 ( 2 ) 交换速度：交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度有两个 重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个m s 时，对因故障 而重新选择路由的时间已经够了。如对s d h s o n e t 来说，因故障而重新选路时， 5 0 r a s 的交换时间几乎可以使上层感觉不到。当交换时间到达n s 量级时，可以支 持光互联网的分组交换。这对于实现光互联网是十分重要的。 ( 3 ) 损耗：当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。依据功率预算设 计网络时，光开关及其级联对网络性能的影响很大。损耗和干扰将影响到功率预 算。光开关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开关端1 2 1 耦合时的损耗和光开 关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于 波导交换的光开关。如液晶光开关和m e m s 光开关的损耗较低，大约l 2 d b 。 而铌酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4 d b 左右。损耗特性影响到了光开关 的级联，限制了光开关的扩容能力。 ( 4 ) 交换粒度：不同的光网络业务需求，对交换的需求和光域内使用的交 换粒度也有所不同。交换粒度可分为三类：波长交换、波长组交换和光纤交换。 交换粒度反映了光开关交换业务的灵活性。这对于考虑网络的各种业务需求、网 络保护和恢复具有重要意义。 ( 5 ) 无阻塞特性：无阻塞特性是指光开关的任一输入端能在任意时亥q 将光 波输出到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为明显，光开关要 求具有严格无阻塞特性。 ( 6 ) 升级能力：基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些 技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为 8 8 或3 2 x 3 2 ，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建o a d m 或 城域网的o x c ，丽不适用于骨干网上。 ( 7 ) 可靠性：光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。在某些极端情况下， 光开关可能需要完成几千几万次的频繁动作。有些情况( 如保护倒换) ，光开关 倒换的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。如喷墨气泡光 开关，如何保持其气泡的状态是需要考虑的问题。 很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等都 是影响网络性能的重要因素。当光开关进行级联时，这些参数将影响网络性能。 声光互作用研究及其在声光波导开关中的应用 光开关要求对速率和业务类型保持透明。 1 2 2 光开关介绍 ( 1 ) 机械式光开关：机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移 动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。传统的机械式光开 关插入损耗较低( 叟d b ) ；隔离度高( 4 5 d b ) ：不受偏振和波长的影响。其缺陷 在于开关时间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。 另外其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。 ( 2 ) m e m s 光开关：m e m s 是由半导体材料，如s i 等，构成的微机械结 构。它将电、机械和光集成为一块芯片，能透明地传送不同速率、不同协议的业 务。m e m s 已广泛应用在工业领域。m e m s 器件的结构很像1 c 的结构，它的基 本原理就是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动。从而改变输入光的传 播方向。m e m s 既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比 的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。基于 m e m s 光开关交换技术的解决方案已广泛应用于骨干网或大型交换网。目前， 朗讯公司已研制了1 2 9 6 x 1 2 9 6 端口的m e m s 。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 e t a b i t s 。 具有严格无阻塞特性，插入损耗为5 m _ b ，串扰( 最坏情况) 为一3 8 d b 。使光开 关的交换总容量达到新的数量级。o m m 公司4 4 光开关的插损达到3 d b 。1 6 1 6 开关阵列的插损增加到5 至7d b 。目前主要供应商包括o m m 、l u c e n t 、 n o r t e l 、i m mc r o n o s 、m e m s c a p 、c a l i e n t 等。 ( 3 ) 液晶光开关：液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制：一路偏振光 被反射，而另一路可以通过。典型的液晶器件将包括无源和有源两部分。无源部 分，如分路器将入射光分为两路偏振光。根据是否使用电压，有源部分或者改变 入射光的偏振态或者不改变。由于电光效应，在液晶上施加电压将改变非常光的 折射率，从而改变非常光的偏振状态，本来平行光经过在液晶中的传输会变成垂 直光。液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光电材 料。电控液晶光开关的交换速度可达亚微秒级，未来将可以达到纳秒级。目前供 第1 章绪论 应商包括c o m i n g 、c h o r u m k e n to p t m n i c s 等公司。 ( 4 ) 热光效应开关：热光技术一般用于制作小型光开关。典型的如1 1 、1 2 、 2 x 2 等，更大的光开关可由1 x 2 光开关元件在同一晶片上集成。热光开关主要有 两种基本类型：数字型光开关( d o s ：d i g i t a lo p t i c a ls w i t c h e s ) 和干涉型光开关 f i n t e r f c r o m e t r i cs w i t c h e s ) 。干涉型光开关具有结构紧凑的优点，缺点是对波长敏 感。因此，通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料，如玻璃或硅基片上， 先做上波导结构，然后，在波导上蒸镀金属薄膜加热器，金属薄膜通电发热，导 致其下面的波导的折射率发生变化，从而实现光的开关动作。目前供应商包 括n t t e l e c t r o n i c s 、j d s u 、c o m i n g 、a l c a t e l 、a k z on o b e l 等公司。 ( 5 、声光开关：在这种开关中，声波用来控制光线的偏转。交换速度从5 0 0 n s 到1 0 u s ，由于没有移动部分，可靠性较高，1x 2 光开关损耗低于2 5 d b 。l m g r 公司声称其1x1 0 2 4 光纤线性声光开关没有机械部分，使用电和计算机控制声光 偏转装置，能在几个微秒内将输入信号送到输出端，转向器可以任意转向： b r i m r o s e 公司也开发了自己的声光开关，其1x 2 光开关的交换速度是5 2 5 n s ，相 对损耗为2 5 d b ，缺点是成本较高。目前供应商有g o o c ha n dh o u s e g o 、l i g h t m a n a g e m e n t 、b r i m c o m 等。 ( 6 ) 波导型光开关：波导型光开关是最近发展的光开关，采用波导结构。 它同样利用电光、声光、热光、磁光效应。最一般的介质波导是平板波导结构， 它由衬底、薄膜层和覆盖层组成。衬底、薄膜层以及覆盖层底折射率分别为n s 、 n f 、nc ，光在薄膜层中传播的条件，必须满足n f n s nc 。由于其体积小，可 用于大规模的o x c 中。 ( 7 ) 磁光开关：磁光开关原理是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改 变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的效果。相对 于传统的机械式光开关，它具有开关速度快，稳定性高等优势，面相对于其他的 非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优势，可以预见在不久的将来， 磁光开关将是一种极具竞争力的光开关。 ( 8 ) 气泡开关：a g i l e n t ( 安捷伦) 公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种 技术，开发出一种二维光交叉连接系统。安捷伦公司的全光交换芯片曾在 o f c 2 0 0 0 年会上引起轰动。该设备由许多交叉的硅波导和位于每个交叉点的微 声光互作用研究及虬在声光波导开关中的应用 型管道组成，微型管道里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。当有入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小 泡( b u b b l e ) 小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。a g i l e n t 公司 目前已经制造出3 2 3 2 和3 2 1 6 端口光开关子系统。并且可以把这些子系统连 接起来组成更大的交换阵列。其开关响应时间小于1 0 m s ，可以用于光纤保护倒 换。并且，这种开关对偏振相关损耗和偏振模色散都不敏感；由于器件本身没有 可活动部件，因此可靠性很好可以满足电信应用中时间可靠性要求：同时这种 光开关可以大批量生产。目前供应商有a g i l e n t 公司。 f 9 ) 全息光栅开关：通过全息( h o l o g r a m s ) 反射在晶体内部生成布拉格光 栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口，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。由于没有可移动器件， 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2 4 0 2 4 0 端口的交换系统的插损低 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。 这种技术可阱跟三维m e m s 技术竞争，但它更适合单个波长的交换。纳秒量级 的交换速度可以用于未来的基于报文交换的光路由器中。目前供应商有t r e l l i s p t m t o n i c s 等公司。 ( 1 0 ) 液体光栅开关：液体光栅技术是液晶技术和全息技术的结合。液晶微 滴罱于高分子层面上，然后沉积在硅波导上面。当没有施加电压时，光栅就把一 个特定波长的光反射到输出端口，而加上电压时，光栅消失即晶体是全透明的， 光信号将直接通过光波导。根据d i g i l e n s 公司，这种光开关的响应时间为1 0 0 s ， 插损小于l d b 。由于没有移动部分，可靠性比较好。另外功率消耗比较低，典 型值为5 0 m w 。目前供应商主要有d i g i l e n s 公司。 1 2 3 国内外光开关研究方向( 根据先开关的设计技术分类说明) ( 1 ) 集成光学光开关：这种光开关使用光子学集成电路( p i c s ) 技术，可 以减少与光开关子系统交叉连接时的损耗。这种光开关的结构很紧凑，在某些特 殊的情况下可以集成到一个衬底上。s i 是被广泛应用的衬底材料之一，光信号就 是在刻蚀在s i 衬底上的波导中传播的。现在集成光学光开关主要包括星型耦合 第1 章绪论 器型、m a c h - z e h n d e r 干涉仪型( m z i ) 、热光开关、相位调制型和阵列波导光栅 型( a w g s ) 。也可以在电光或是i i i v 介质衬底上通过扩散形成高折射率波导 来制造光开关。常用的介质有l i n b 0 3 、i n p 等。 表1 14 类光开关比较详细的研究方向 类型特征 集成光学t i 扩散l i n b 0 3 电光开关 7 珏1 j s i 基a w g s & m z i 热光开关【8 i n p 材料a w g & d i l a t e dm z i 电光开关 【9 l n b 0 3 衬底质子交换型声光开关 【1 0 】 i n g a a s p l n p 材料上半导体光放大门开关矩阵 11 s i 基传输耦合结构门l 2m z i 开关f 1 2 全光纤型被动光纤分路器台成器和f b g s 1 13 f b g s ，偏振光束分裂器( p b s ) 对和四波p l a t e s t 4 f b g s ，3 - p o r t 光学陀螺( o c s ) 和被动合成器【1 5 f b g s 和o c s 【1 6 微光学型s i 基上m e m s 光开关( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 1 7 通过在玻璃棱镜之间液晶进行切换的光开关【1 8 】 基于f t i r ( f r u s t r a t e dt o t a li n t e m a lr e f l e c t i o n ) 体光学光开关【1 9 利用热激励源产生的泡进行切换的微光开关 1 2 0 i 利用电解水产生的氢气和氧气泡进行切换的光开关【2 1 利用油转移的热毛细管现象产生的力进行切换的光开关 2 2 由p b s s 和液晶制作而成的光开关 【2 3 】 混和型f b g 和a w g 的组合 【2 4 f b g ，o c s 和光机械开关 1 6 1 基于不对称光纤耦合器的声光光纤混和型光开关 2 5 带有热或机械移相器的光纤m z i 光开关 2 6 】 使用显微机械加工技术的锁相型光开关 【2 7 ( 2 ) 全光纤光开关：利用通过熔融掺杂或辐射形成波导手段制作的特种光 纤来制造光开关。这种光开关可以实现光信号在节点之间低损耗传输。很明显的 7 声光互作用研究及其在声光波导开关中的应用 例子是在光放大中使用的掺铒光纤。另一种在光纤光开关中起突出作用的特种光 纤是光纤b r a g g 光栅( f b g ) 光纤。光纤b r a g g 光栅是通过紫外辐射在纤芯产生 折射率变化形成的，光栅周期决定被f b g 反射的光信号的波长。而且，光栅的 周期可以通过温度变化、机械应变或磁激励来调节，来实现f b g s 的波长可调。 ( 3 ) 微光学光开关：由独立的或是组合器件组成。微光学光开关通过校准、 反射、整形或衍射来实现光束的连接。光开关与光束相互作用的部分是由固体( 反 射镜，玻璃棱镜等) 、液体( 折射率匹配油等) 、液晶( 晶粒的取向跟晶体相似， 但是形态像液体) 形态存在的材料制作的。 f 4 ) 混和型光开关：前面3 类光开关技术的结合。 1 2 4 光开关应用前景分析 光开关在光网络中起到十分重要的作用，它不仅构成了波分复用光网络中关 键设备( 如o a d m o x c ) 的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。 其应用范围主要有： ( 1 ) 保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。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由，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 ) 网络监视功能：使用简单的1 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 ) 光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1 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 ) 构建o a d m 设备核心：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 x 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 第l 章鳍论 力。 ( 5 ) 构建o x c 设备的交换核心：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，光开关的使用 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，新型的光开关技术不断出现。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，而光开关在光层的保 护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。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 的急尉增长，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) 。总之，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。 1 2 5 总结 随着d w d m 系统市场的增长，光开关等无源器件市场也将迅速发展。而且 更重要的是，光开关相对于光隔离器、环形器等器件而言，它的产品还不是很成 熟，国外著名的器件生产商如j d su n i p h a s e 、o p l i n k 也还处在研发阶段，如果 我们从现阶段就开始介入这方面的研究和产品开发，将可确保中国通信行业在光 通信器件方面处在比较有利的地位。 1 3 论文的主要研究任务和拟解决的问题 声光开光中最重要的一部分之一是平面光波导声光偏转器，因此我们可将声 光开关称为声光偏转器件。声光器件的发展主要有四个方面：首先是声光理论的 发展：其次是高性能声光互作用材料的开发，如钼酸铅、氧化碲、氧化锌、铌酸 声光互作用研究及其在声光波导开关中的应用 锂等；再次是工作在1 0 0 m h z 或是更高频率的体波和声表面波压电换能器理论和 工艺的发展；最后是器件与光纤的耦合问题。声光理论发展至今，对于各向同性 材料已经有了相对比较完整的理论，但对于一般的压电材料还没有比较完整的理 论模型，即使在各向同性介质中根据理论对实际声光互作用求解也是十分困难 的，往往要对实际情况做出近似，这样虽然能得出一些结果，但是又不能完全反 映实际情况，因此声光互作用理论还需要进一步发展。特别是需要一种模型：与 器件因素息息相关，便于模拟计算，有利于指导声光器件的设计。 本文将对声光开关的主要部件之一的声光偏转器进行理论分析与数值模拟， 在理论分析结果的指导下提出1x n 和n n 的设计方案并对光纤与波导的耦合 问题进行定性研究。具体的工作包括： ( 1 ) 研究并比较了几种常见的声光互作用理论分析方法。虽然声光互作用 理论早在1 9 3 3 年就已经提出，并且以后又不断完善，但是这些方法都是在特定 条件下得到的，有些却比较繁琐，得出的结果缺乏直观性。声光偏转器是利用声 光互作用中的b r a g g 衍射来使入射光发生偏转，在理想情况下只考虑b r a g g 衍射 就可以了。对声光偏转器进行理论分析需要一种简单方便，利于数值计算，实用 性强的方法。 ( 2 ) 用龙格一库塔方法和多重平面波散射理论对平面光场与平面声场的声 光互作用过程进行了详细的数值模拟分析，即分析了b r a g g 情况，也对 r a m a n n a t h 情况进行了分析。 ( 3 ) 研究了叉指换能器激发声场的机理，对声场的衍射对b r a g g 开款的影 响进行了定性分析；分析了声场衍射对b r a g g 衍射光衍射效率的影响进行了分 析。 ( 4 ) 把多重平面波散射理论应用于器件的设计中，理论得出声光开关各主 要参数对衍射效率的影响。 ( 5 ) 利用前面的计算结果，设计出了以平面波导短程透镜和声光偏转器为 基本单元的1x 4 型声光波导开关。上述设计包括了光路设计、平面波导透镜( 短 程透镜设计) 和叉指换能器设计，其中短程透镜的设计主要由朱京平教授完成4 “。 ( 6 ) 主要采用r s o f t 软件公司提供的基于光束传输法( b p m ) 的软件 b e a m p r o p ，对光纤端面微透镜模型建模进行模拟计算，主要就c o m i n g s m f2 8 第1 章绪论 c p c 光纤在其l p o l 基模模式下，模拟微透镜曲面随厂而变化的聚焦特性。同时对 基本平扳波导结构，选取合适的波导参数和相对耦合位移参数，就光纤至平面波 导这一耦合过程做一较细致的分析。 w , i i 作都获得了令人满意的结果，由于本人水平有限其局限性和错误在所 难免，敬请多多指正! 声光互作用研究及其稚：声光波导开关中的应用 第2 章声光互作用理论 光在超声波中要发生衍射，布里渊和曼德律斯分别在t 9 2 1 年最早提出这样 的预言2 8 i ，几年之后为德拜和西尔斯和比尔卡实验验证。1 9 3 5 年r a m a n 和n a t h 提出并解释了声光互作用中的r a m a n - n a t h 衍射，之后研究者们又提出了声光 b r a g g 衍射现象，并对两种现象加以区分。激光和声表面波应用到实际器件中后， 在声光器件的研制中，出现了各种声光互作用的研究方法。 2 1 声光互作用的定性描述 2 1 1 光栅模型2 ” 超声波的频率比人耳可以听到的声音的频率高的多。实验室里应用的超声波 角频率约从l 扩h z 到3 1 0 9 h z ，1 0 5 h z 是人可以感知的声频信号的上限。对应的 波长 的范围由声波在介质中的传播速度u 决定。 鼍 弘 f 拍 l i。 图2 - i ：声波的光栅模型 1 9 2 1 年b r i l t o u i n 预言：液体受到压缩产生的波，当用可见光照射时，将引发 与光栅相似的衍射现象。假设液体位于y = 0 和y = 上两个无限平面之间，波长为 a 的压缩波沿x 轴传播，这就在介质中沿x 轴形成了周期性的层状结构，两个连 续最大浓度平面之间的距离为a 。让角频率为出、介质中的波长为2 的单色平面 波入射，波面法线在x y 平面内。因为压缩波的速度u 远远小于光波速度，各 种角度如图1 所示。从图中我们可以得到： 2 第2 章声光互作用理论 b c a d = a ( s i n 石, 一s i n o ) = 1 2 ( ，= o ，1 2 )( 2 1 ) a b 和c d 是与折射和衍射光束所对应的波前。在方程2 - 1 中应用折射定律： s i t t os i n 击2 = 二- = 一 s i n 0 s i n 厶 时n 拜q 洫扎* 办一扎2 等 卜吁2 嘁沼6 ， 卜第乒会s i n o , f l - r , 熹2 声光互作用研究及其在声光波等开关中的应用 x l 圈2 2 ：研究b r a g g 衍射的基本声光装黄 2 1 2 量子模型”1 研究b r a g g 衍射的基本装置如图2 - 2 所示。丸是入射光束的入射角，l 是声 光互作用区的长度。假设，在声光互作用区，声波和光波都是均匀单色平面波。 在声光作用区，声波和光波的作用可以描述为两个粒子相互碰撞产生一个新粒 子。在无损假设条件下，在碰撞过程中，能量和动量是守恒的。这个碰撞过程可 以用动量矢量的三角图形来描述，如图2 3 所示。从图2 3 的三角关系得到： 矗 “= 。+ h k ( 2 - 7 a ) 或 k + l = 女o + k ( 2 7 b ) 式中 ( = h 2 x ) 是约化p l a n k 常数，瓦，t ，和霞分别代表入射光，散射光和声波 的波矢。元和t 、非常接近，但并不相等，因为数射光由于多普勒效应要发生频 率漂移。对于多数情况，散射光的频移小到可以忽略，依旧假设和t 的波数 相等。从图3 中的三角关系和多普勒效应，发现向上偏移的光子的频率比入射光 予的动量高，额外的动量是由吸收声子得到的。下面的方程给出了向下偏移情况 下声光互作用过程中入射光、散射光和声波的波矢关系，在这种情况下，散射光 子是通过入射光子释放一个声子产生的。 触。+ h k = h k o ( 2 8 a ) 4 第2 章声光互作用理论 、兰多 ，乏i 三、：，一7、， b 图2 - 3 ：上移和下移声光互作用波矢图。( a ) 上移：( b ) 下移 或 k 一1 = k o k ( 2 8 b ) 从图2 - 3 的波矢图中很容易可以看出入射光与散射光之间的夹角是b r a g g 角( 占。) 的2 倍。得到b r a g g 角的经典定义： o 。= s i n - 1 ( 争s i n l 知 亿蚴 在声光互作用过程中五“八，上式可以近似为： 加一k ：尘 九“一2 k 2a(2-9b) 在r a m a a - n a t h 区的散射将产生多个衍射级，如图2 - 4 所示。从图2 - 4 可以 看到，与平面光波相互作用的声场有很多波矢，这就是说，声场并不是严格的平 面波。这与前面声波和光波为平面波的基本假设并不构成重大冲突。在b r a g g 和 r a m a n n a t h 衍射情况下，依旧假设输入的声波和光波依然是平面波，光波和声 波在发生互作用时发生衍射。在b r a g g 区声光互作用情况下，因为互作用长度( 上) 大的声场的衍射非常小，发生声光相互作用时，入射光波就衍射到有限的级数上 去( 典型的是2 级) ；当声光互作用的孔径( ) 变窄，声光互作用区的声场衍射 情况比较严重( 三一0 ) ，结果就就产生了大量的声波波矢，光波就散射到多个较 高的级次上去，如图2 , 4 所示。 声光互作用研究及其在声光波导开关中的应用 u 召 = k 。 图2 - 4 ：r a m a r l n a t h 区的多重散射 s n n 再i 作用长度己足够大，在严格b r a g g 入射情况下，只存在一级衍射光。 这种情况就是所谓的b r a g g 衍射。如果上小，就产生了多级衍射光包括大量的上 移和下移衍射光( 如图2 - 4 所示) ，这就是r a m a n n a t h 衍射。下面介绍一个可以 区分b r a g g 衍射和r a m a n n a t h 衍射的参数q ( k l e i n - c o o k 参数) ，这是用来描述 声光互作用的一个基本参数。 q ：答：2 _ x , a , l ( 2 - 1 0 ) a 2 式中工是声光互作用长度( 与声场的有效孔径接近) 。当q = 2 e r 是，互作用 长度l 与特征长度k ( 等) 相等，在某种意义上，q 可以用特征长度的倍数来表 示。当q 2 x 时，声光互作用发生在b r a g g 区；当q i 1 ，1 | 只有沿y 增加的方向传播的对 应光波才是方程( 2 - 1 6 ) 的解，除了之外，令方程( 2 1 6 ) 所有的巧都为0 ， 声光互作用研究及其在声光波导开关中的应用 在一级近似的条件下得到： ( j ，) = b e ”2 曲+ o ( 62 ) ( 2 17 ) 相似的，除了i ，和k 之外，令所有的v o a g n0 ，在直接的计算之后可以得到： = 去声学 沼 以此类推可以得到任意的。这个方法最早由b r i l l o u i n ( 1 9 3 3 ) 推导得到，d a v i d r19 3 7 ) 用这种方法在忽略高级衍射光的情况下给出了1 级和2 级强度的解析表 达式。 b r i l l o u i n 近似在占“1 时是很方便的