3. 基于PLC技术的光网络器件

相位控制器
两臂光程差为0
辐射
辐射
两臂光程差为π
仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移0
仿真：Mach-Zehnder干涉器，相移π
第三章 基于PLC技术的光网络器件
3.1 PLC技术简介 3.2 Y分支器 3.3 定向耦合器 3.4 多模干涉耦合器 3.5 热光开关
定向耦合器的工作原理
耦合区域为5层光波导，最低阶的偶模和奇模具有几乎相等的传播常数，当 二者相位差为0时，光能量约束在上面波导中；当二者相位差π时，光能量 约束在下面波导中。适当控制波导长度即相位差，即可达到所需分光比。
第三章 基于PLC技术的光网络器件
张敏明：mmz@ 万助军：zhujun.wan@ 华中科技大学光电学院
第三章 基于PLC技术的光网络器件
3.1 PLC技术简介 3.2 Y分支器 3.3 定向耦合器 3.4 多模干涉耦合器 3.5 热光开关
什么是PLC技术？
两根对称直波导之间的耦合
两根对称直波导，传播常数相同，传输特性可简化如下：
cos( Kz ) A( z ) j z e B ( z ) j sin( Kz ) j sin( Kz ) A ( 0 ) cos( Kz ) B ( 0 )
其中：
K

2
0 a

1

exp 2 d k 1 0

2

2
n1 k 0 0
2 2
2
2
0 n2 k0
2 2
2
因此定向耦合器的传输特性可以用如下矩阵来描述：
cos( ) j sin( ) j sin( ) cos( )
第三章 基于PLC技术的光网络器件
3.1 PLC技术简介 3.2 Y分支器 3.3 定向耦合器 3.4 多模干涉耦合器 3.5 热光开关
Y分支器的工作原理
基模
偶模
Y分支器的分光过程
偶模
基模
奇模
1次模
辐射
辐射
Y分支器的合光过程：同相位 Y分支的合光过程：相位差为π
Y分支器的仿真情况
基于Y分支器的Mach-Zehnder干涉器
f in ( x ) f ( x , 0 )

v
av Ev ( x)
*
其中：
av
2 We

We
0
f ( x , 0 ) E v ( x ) dx
多模波导中的自映像特性
各模式独立传输，在输出位置干涉叠加，考虑模式的奇偶特性，并作 数学处理之后得到输出光场：
f out ( x ) f ( x , L ) 1 C
L=3Lc/N
a
2W/N 2W/N 2W/N
a
2W/N
2W/N
2W/N
N×N多模干涉耦合器
1×N和2×N多模干涉耦合器
L=3Lc/4N W/2N W/N W/3
L=Lc/N
W/N
2W/N
2W/3N 2W/3N
W/2
W/N W/N
W/2 W/2N 1×N多模干涉耦合器
W/3 2×N多模干涉耦合器
仿真：1×2多模干涉耦合器
模耦合方程分析
两个同向传输模式之间的能量交换，以模耦合方程描述：
dA ( z ) dz 1 j dB ( z ) k 21 dz k 12 2 A( z ) B ( z)
得到输出光场与输入光场之间的关系：
InP SiO2 SOI
பைடு நூலகம்
2.2
3.2 1.45 3.5
0~0.5%
0~3% 0~4% 70%
0.5
3 0.05 0.1
1
5 0.25 0.5
Polymer
Glass
1.3~1.7
1.45
0~35%
0~0.5%
0.1
0.05
0.1
0.1
铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。 InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构 为掩埋脊形或者脊形。 二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。 SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气， 波导结构为脊形。 聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。 玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
两根非对称直波导之间的耦合
两根非对称直波导的传播常数不同，得到两输出端口的透过率如下：
T1 1 F sin T 2 F sin
2
2
z
z
1
其中：
F
1 1 2K
2

K 2
2
2
因此两根非对称直波导之间不能达到100％的光耦合。
基于定向耦合器的BOA型热光开关
BOA―Bifurcation Optical Active
各区域模式特性和转化关系： 单模波导―基模； Y分支―偶模和奇模（相当于五 层波导）； 双模波导―基模和一次模；
双模波导中的基模和一次模具 有相近的传播常数，因此第二个 Y分支中偶模和基模的相位关系 取决于双模波导的长度： 当相位差为0时，光能量被约束 在上面的单模波导中； 当相位差为π时，光能量被约束 在下面的单模波导中。
玻璃光波导工艺
在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图（b）所示； 进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图（c）所示； 采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图（d）所示； 将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+ 离子的混合溶液中，在适当的温度下进 行离子交换，如图（e）所示，Ag+离子提升折射率，得到如图（f）所示的沟 道型光波导； 5. 对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到掩埋型玻璃光 波导，如图（g）所示。 1. 2. 3. 4.
仿真：两根对称直波导之间的光场耦合
光场在两根波导之间来回切换
仿真：50∶50的定向耦合器
第三章 基于PLC技术的光网络器件
3.1 PLC技术简介 3.2 Y分支器 3.3 定向耦合器 3.4 多模干涉耦合器 3.5 热光开关
多模波导中的正交模式
在多模波导中传输的是一系列正交模 式，波导中的任意光场均可表述为这 些模式的叠加：
cos( z ) j sin( Kz ) A( z ) j z K e K B ( z ) j 21 sin( Kz ) K A(0) K B (0) cos( Kz ) j sin( Kz ) K j K 12 sin( Kz )
PLC（Planar Lightwave Circuit，平面光路）―在平面衬底材料上制 作芯层/包层波导结构，并以波导构成各种回路或者功能器件。
平面光波导材料
平面光波导材料
材料 折射率 @1550nm 芯层/包层 折射率差 损耗@1550nm (dB/cm) 耦合损耗 (dB/端面)
LiNbO3
在双模波导上制作加热电极， 基模 通过热光效应控制相位差，即可 实现光路的切换。
偶模 奇模 等相位
基模 偶模 基模 一次模 奇模 相位差取决于双模波导长度
基于MMI耦合器的干涉型热光开关
由两个2×2 MMI耦合器和 一对MZ干涉臂构成，在干 涉臂上制作加热电极，通过 热光效应来切换光路。
S MMI 1 1 j 1
SiO2/Si光波导工艺
1. 采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2， 其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图（b）所示； 2. 采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗 离子，获得需要的折射率差，如图（c）所示； 3. 通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图（d）所示； 4. 进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图（e）所示； 5. 采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图（f）所示； 6. 去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、 硼离子，作为波导上包层，如图（g）所示； 7. 通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图（h）所示。
仿真：2×2多模干涉耦合器
仿真：1×4多模干涉耦合器
仿真：4×4多模干涉耦合器
第三章 基于PLC技术的光网络器件
3.1 PLC技术简介 3.2 Y分支器 3.3 定向耦合器 3.4 多模干涉耦合器 3.5 热光开关
基于Y分支器的数字型热光开关
在对称型Y分支器中，光能量被 平均分配到两臂中；而在非对称Y 分支中，光能量主要传向折射率较 大的一臂。 在对称型Y分支的两臂旁制作电 极，通过加热改变波导折射率，即 得到非对称Y分支。 一般采用热光系数较大的聚合物 材料来制作这种热光开关，其热光 系数为负，即在一臂加热，折射率 降低，光能量传向另一臂。 随着驱动功率的增加，被控制的 光只会从一个端口输出，而不是在 两个端口之间反复切换，因此被称 为数字型光开关（DOS）。
2 j
+
S MZ exp j / 2 0 exp 0
j
/ 2
S sw
sin( / 2 ) cos( / 2 )
cos( / 2 ) sin( / 2 )

N 1

f in ( x x q ) exp( j q )