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基于PLC技术的硅基二氧化硅矩阵光开关的研究

查英  
【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。


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