Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,第三章,基于,PLC,技术的光网络器件,张敏明：,mmz,万助军：,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？,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,),LiNbO,3,2.2,00.5%,0.5,1,InP,3.2,03%,3,5,SiO,2,1.45,04%,0.05,0.25,SOI,3.5,70%,0.1,0.5,Polymer,1.31.7,035%,0.1,0.1,Glass,1.45,00.5%,0.05,0.1,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,SiO,2,/Si,光波导工艺,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；,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；,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；,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；,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；,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；,通过退火硬化工艺，使上包层,SiO2,变得致密均匀，如图（,h,）所示。
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；,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,辐射,辐射,奇模,1次模,Y,分支器的分光过程,Y,分支器的合光过程：同相位,Y,分支的合光过程：相位差为,基模,偶模,偶模,基模,Y,分支器的仿真情况,基于,Y,分支器的,Mach-Zehnder,干涉器,两臂光程差为0,辐射,辐射,两臂光程差为,相位控制器,仿真：,Mach-Zehnder,干涉器，相移,0,仿真：,Mach-Zehnder,干涉器，相移,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,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模耦合方程分析,得到输出光场与输入光场之间的关系：,两个同向传输模式之间的能量交换，以模耦合方程描述：,两根对称直波导之间的耦合,其中：,两根对称直波导，传播常数相同，传输特性可简化如下：,因此定向耦合器的传输特性可以用如下矩阵来描述：,两根非对称直波导之间的耦合,其中：,因此两根非对称直波导之间不能达到100的光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：,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,其中：,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：,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：,上式表示输出光场为输入光场的多个映像，各个映像的位置和相位均不同其中：,多模干涉耦合器,MMI,（,Multimode Interference,，,多模干涉）耦合器,任意输入光场，在多模波导中激励起一系列正交模式，各模式独立传输一定长度之后重新干涉叠加，只要适当选择多模波导长度，就可以获得输入光场的一系列自映像，在自映像位置设置输出波导，即可制成,MMI,耦合器。
2W/N,2W/N,2W/N,2W/N,2W/N,2W/N,a,a,L=3L,c,/N,N,N,多模干涉耦合器,1,N,和,2,N,多模干涉耦合器,W/2N,W/N,W/2N,W/2,W/N,W/N,W/2,L=3L,c,/4N,1,N,多模干涉耦合器,W/N,2W/N,W/3,W/3,L=L,c,/N,2,N,多模干涉耦合器,2W/3N,2W/3N,仿真：,12,多模干涉耦合器,仿真：,22,多模干涉耦合器,仿真：,14,多模干涉耦合器,仿真：,44,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,）。
基于定向耦合器的,BOA,型热光开关,BOABifurcation 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,时，光能量被约束在下面的单模波导中在双模波导上制作加热电极，通过热光效应控制相位差，即可实现光路的切换基模,偶模,奇模,基模,一次模,偶模,奇模,基模,等相位,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,22 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谢谢！,。
