基于铌酸锂波导模式电光偏转的高速光开关研究

摘要

人们对通信系统容量的需求促使了全光交换网络的发展，光开关作为全光交换网络的核心设备，扮演着光路由和光互连的重要作用，被广泛用作光通信系统的路由选择器、波长选择器，以及光交叉互连器件。可以说，没有开关就没有通信网络，从电话交换网络开始，开关就被大量用来实现用户间的电路交换，不同波长的光信号在全光网络中要实现路由必然要使用光开关。　　基于光纤准直器和微镜构成的机械式光开关由于依靠光路中部件的移动，一般存在开关时间较长、重复性差的问题。基于平面光波导技术的光开关由于其自身的体积小、易于集成、灵活可靠等特性，成为了目前光开关发展的一个重要方向，结合铌酸锂材料优良的电光效应来改变波导的折射率，能够实现光路的快速稳定切换。　　在以前的工作中，我们已经知道铌酸锂光波导和微结构阵列电极的设计，能够产生较大的模式偏转。其原理为：施加外电压，微结构电极实现电场空间分布的变化，导致波导折射率空间分布的变化，从而引导光波导模式实现偏转。本文基于电光效应原理，提出并实现了基于X切(X-cut)铌酸锂质子交换光波导电光偏转装置的1×2微型高速光开关。该光开关由等腰三角形阵列电极、喇叭形输入波导和两个锥形输出波导组成，由组成结构可分为四部分；前三部分用于实现电光效应下的光场模式偏转，第四部分引入规则的横向锥形输出波导结构用于实现基于电光偏转的1×2模式光开关。实验验证当入射光为1530nm，可以实现光场的强度调制，开关的响应时间为22ns，开关对比度14.58dB；该光开关基于电光模式偏转的原理实现，与基于马赫曾德尔干涉仪的电光开关的不同之处在于，该1×2光开关是一种非干涉结构，有可能在相对大的波长范围内实现宽带光的高速开关切换；其双模的输出可用在模分复用技术来提升通信容量，这也是该1×2高速光开关设计的创新点。　　在分析该1×2光开关的实验和理论仿真结果时，发现开关结构的设计还有待改进，如开关电压相对较高、开关对比度小。于是，对光开关进行改进设计，改进之后的1×2光开关的电极部分的波导设计为8-80μm宽度渐变，其覆盖的电极结构同波导结构一样的渐变形式，构成渐变等腰三角形阵列电极结构。对设计完成的渐变波导电极结构的光开关进行理论研究，并利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件探究能够实现宽带和高频工作的方法；优化之后的光开关对比度可达25.69dB。目前该仿真研究和制备已经完成，且器件的制备已经完成；但由于时间的限制，其实验部分未来得及完成。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要工作和创新

1.4 本文的结构安排

第二章 电光开关的基本原理及仿真研究

2.1 铌酸锂晶体的电光效应

2.2 铌酸锂波导的光束偏转特性

2.3 电光开关仿真方法

2.5 电光开关仿真结果分析

2.6 本章小结

第三章 电光开关的调制研究

3.1 静态调制实验装置及原理

3.2 静态调制结果分析

3.3 交流电压调制实验装置及原理

3.4 交流电压调制结果分析

3.5 本章小结

第四章 电光开关的优化设计

4.1 存在的问题及方案的提出

4.2 优化电光开关结果分析

4.3 光开关的射频响应仿真研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 工作展望

参考文献

在校期间已获得成果

项目资助

致谢