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基于PLC技术的硅基二氧化硅矩阵光开关的研究

作　者: 查英
导　师: 刘铁根
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 集成光学光交叉连接光上下路复用矩阵光开关 Mach-Zehnder干涉仪 3dB耦合器扩展Banyan网络可重构无阻塞路由算法
分类号: TN256
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 374次
引　用: 1次
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内容摘要

光开关是全光网络中光插分复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)中的核心器件。硅基二氧化硅平面光波线路技术(PLC)具有与硅微电子工艺兼容等优点,广泛用于集成光波导器件的制作。本文将矩阵光开关网络结构和PLC技术相结合,从网络结构角度研究了基于PLC技术的小体积低损耗硅基二氧化硅矩阵光开关,提出了一种扩展Banyan网络(EBN)可重构无阻塞矩阵光开关结构,并针对该网络结构,研究了信号的动态路由算法。利用扩展Banyan网络结构和优化的MZI型开关单元,设计制作了2×2到16×16的硅基二氧化硅热光开关。论文首先系统阐述了光波导的基本理论。由麦克斯韦方程组出发,分析了三层平板波导的模式场分布,给出了矩形波导的理论模型,分别利用马卡梯里方法和有效折射率方法对矩形波导的模式特性进行了分析,推导了双波导定向耦合器的耦合系数和模式传播常数。从Mach-Zehnder干涉仪型光开关结构和原理出发,分析了3dB耦合器和波导臂对开关性能的影响,对3dB定向耦合器的性能进行了模拟,根据相移器原理设计了加热电极结构,经优化设计的MZI型开关单元长度为4.6mm。设计制作了非平衡式和平衡式两种结构的2×2光开关,其平均插入损耗分别为1.65dB和2.52dB,最大串扰分别为-21.82dB和-30.75dB,平均功耗分别为406mW和410mW。对矩阵光开关的网络结构进行了研究。分析了Crossbar型和Banyan型矩阵光开关网络结构,研究了Banyan网络的内部阻塞特性。Crossbar网络属于严格无阻塞结构,但需要的开关单元级联较多, N×N网络需要2N-1级开关单元;Banyan网络具有较少的开关单元级联, N×N网络只有log2 N +1级开关单元,但它属于内部阻塞型网络。本文在分析Banyan网络内部阻塞特性基础上,分析了构建可重构无阻塞扩展Banyan网络的条件,以及可重构无阻塞扩展Banyan网络的最简形式。提出了BEBN-I型、BEBN-II型和SEBN型三种扩展Banyan网络的可重构无阻塞矩阵光开关结构,三种结构的开关单元级数分别为级、级和级。分析了扩展型Banyan网络中信号路由的重构过程,并针对该扩展网络结构提出一种信号动态路由算法。该算法通过对网络中开关单元和端口地址进行二进制编码,从而能够根据信号的目的端口地址,动态选择信号路由,实现了网络的路由重构。利用优化的MZI型开关单元和扩展Banyan网络,基于PLC技术,在4’’硅片上设计制作了4×4、8×8和16×16的硅基二氧化硅矩阵光开关,并对光开关的性能参数进行了测试。其平均插入损耗分别为4.1dB、4.5dB和6.5dB,最大通道串扰分别为-32.55dB、-50.18dB和-32.95dB,消光比分别为30.6dB、27.75dB和39.52dB,单通道开关功率分别为1.5W、2W和2.5W。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-29
  1.1 光通信技术概述  9-14
    1.1.1 光通信的发展  9-10
    1.1.2 全光网络及光开关在光通信系统中的应用  10-14
  1.2 光开关技术及其研究现状  14-20
    1.2.1 光开关技术概述  14-18
    1.2.2 国内外光开关研究现状与进展  18-20
  1.3 平面光波线路(PLC)技术  20-23
    1.3.1 PLC 技术概述  20-21
    1.3.2 硅基二氧化硅光波导  21-23
      1.3.2.1 硅基二氧化硅波导简介  21
      1.3.2.2 硅基二氧化硅波导类型  21-22
      1.3.2.3 硅基二氧化硅波导制作方法  22-23
  1.4 矩阵光开关网络结构  23-26
  1.5 本论文目的、主要内容及创新点  26-29
    1.5.1 本论文研究目的  26
    1.5.2 本论文主要内容  26-28
    1.5.3 本论文创新点  28-29
第二章光波导基本理论  29-55
  2.1 三层平板介质光波导  29-34
    2.1.1 平板波导的横向亥姆霍兹方程  29-31
    2.1.2 三层平板波导导模分析  31-34
  2.2 矩形波导模式分析  34-41
    2.2.1 矩形波导理论模型  34-36
    2.2.2 横向亥姆霍兹方程  36-37
    2.2.3 矩形波导的导模分析  37-41
  2.3 有效折射率方法  41-42
  2.4 矩形波导耦合模理论  42-47
    2.4.1 耦合模方程  42
    2.4.2 双波导定向耦合器  42-44
    2.4.3 定向耦合器的耦合系数  44-47
  2.5 有效差分光束传播法(FD-BPM)  47-54
  2.6 本章小结  54-55
第三章 Mach-Zehnder 干涉型开关单元设计  55-74
  3.1 Mach-Zehnder 干涉型光开关原理  55-61
    3.1.1 MZI 的干涉特性  55-57
    3.1.2 3dB 耦合器对 MZI 光开关性能的影响  57-59
    3.1.3 热相移原理  59-61
  3.2 2×2 光开关中3dB 耦合器设计  61-65
  3.3 MZI 型2×2 光开关设计  65-73
    3.3.1 相位调制器设计  65-66
    3.3.2 非平衡式2×2 光开关  66-68
    3.3.3 平衡式2×2 光开关  68-69
    3.3.4 2×2 光开关性能测试  69-73
  3.4 本章小结  73-74
第四章矩阵光开关网络结构分析  74-96
  4.1 传统光开关网络结构  74-79
    4.1.1 Crossbar 型光开关网络结构  74-76
    4.1.2 Banyan 型光开关网络结构  76-78
    4.1.3 三级开关网络  78-79
  4.2 扩展 Banyan 型可重构无阻塞矩阵光开关网络结构  79-91
    4.2.1 Banyan 网络阻塞特性分析  79-82
    4.2.2 扩展 Banyan 网络结构及其可重构无阻塞条件  82-84
    4.2.3 扩展 Banyan 网络路由重构  84-85
    4.2.4 扩展 Banyan 网络光开关路由选择算法  85-91
  4.3 网络结构性能分析  91-95
  4.4 本章小结  95-96
第五章矩阵光开关的设计制作  96-102
  5.1 器件设计制作总体流程  96-97
  5.2 波导技术的选取  97
  5.3 光开关波导和电极的模板设计  97-99
  5.4 光开关的制作过程  99-101
    5.4.1 波导和电极的制作过程  99-100
    5.4.2 器件后续处理  100-101
  5.5 本章小结  101-102
第六章矩阵光开关的测试  102-115
  6.1 测试系统搭建  102-106
    6.1.1 波导光开关的测试系统  102-105
    6.1.2 光纤与波导的耦合损耗  105-106
  6.2 热光开关性能测试  106-113
    6.2.1 光开关性能参数  106-107
    6.2.2 4×4 矩阵光开关  107-109
    6.2.3 8×8 矩阵光开关  109-111
    6.2.4 16×16 矩阵光开关  111-113
  6.3 本章小结  113-115
第七章总结与展望  115-117
参考文献  117-126
攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况  126-128
致谢  128

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