燕山大學里仁學 基于光子晶體光學特性的光開關系統(tǒng)設計文獻綜述

1、燕山大學本科畢業(yè)設計(論文文獻綜述課題名稱:基于光子晶體光學特性的光開關系統(tǒng)設計學院(系:里仁學院電氣工程系年級專業(yè):10級測控技術與儀器學生姓名:指導教師:完成日期:2014-3-21一、課題國內外現狀近年來,光開關的研究與開發(fā)采用了很多新技術、新機理和新材料,光開關的規(guī)模越來越大,已達到上千乘上千的端口數,切換速度不斷提高。隨著通信業(yè)和網絡的發(fā)展,出現了多種光開關,主要有熱光開關、液晶光開關、電光開關微機械光開關等。在常規(guī)的非線性材料中很難實現高效率的傳輸。但是利用光子晶體卻能實現這一目標,在目前的研究中,主要是利用定向耦合波導在兩個波導的耦合區(qū)域實現光的低損耗傳輸1,和利用光子晶體諧振腔

2、與波導之間的耦合關系實現快速光開關2。對于光子晶體光開關的研究,是光開關領域的一次新的技術革命,它很有可能為光開關的應用開拓出一片更為廣闊的前景。新一代光開關是光交叉連接的核心器件,也是目前開發(fā)研究最為深入的無源光電子器件。其應用范圍主要有:保護倒換功能;網絡監(jiān)視功能;光器件的測試功能;光信號的上下路功能;網絡故障愈合功能。近幾年,隨著光傳送網技術的發(fā)展,新型的光開關技術不斷出現,矩陣光開關、熱光開關、液晶光開關和微機械等光開關在器件技術和集成化方面都取得了很大的突破。未來的光開關對交換速度提出更高的要求(納秒數量級。大容量、高速交換、透明、低損耗的光開關將在光網絡發(fā)展中起到更為重要的作用3。

3、二、研究主要成果奧地利維也納理工大學科學家只用一個銣原子,實現了光在兩根玻璃纖維光纜之間的開關互換。這種單原子開關有望將量子現象用于信息與通訊技術。研究小組利用了一種“瓶子共振器”,瓶子凸出的玻璃表面可以捕獲光,使光在其中循環(huán)傳播4。光傳輸系統(tǒng)供應商MRV基于一定標準的定時和同步能力,通過增加先進的的特性更新了其光開關Carrier Ethernet 2.0,能夠讓光開關在基于3G的Carrier Ethernet 和4G/LTE移動回程應用中有更好的服務分配。尤其是光開關的OS940-MBH和OS906G-M-MBH模型,如今能夠支持精密時間協議(PTP IEEE 1588v2和同步以太網(

4、SyncE。這些新的特性讓光開頭使用者在提供移動回程時,使用針對1-Gbps和10-Gbps Layer 2 Carrier Ethernet 2.0和IP服務聚合的確保的服務水平協議(SLA。MRV稱,新的特點能讓光開關服務支持全封裝和混合芯片封裝回程應用。使用新的光開關,用戶將從3GPP的LTE和LTE-A慢慢發(fā)展,同步也就變得更具挑戰(zhàn)性了。新的光開關模型能支持-40°C到+65°C的溫度下在不受控制的溫度環(huán)境下或者偏遠信號塔下進行操作5。EXFOInc宣布與DiCon推出聯合開發(fā)的MXS-9100矩陣光開關,該產品由EXFO獨家供應。DiConFiberoptics的

5、MXS-9100MEMSMxN矩陣光開關針對EXFO的系統(tǒng)和軟件控件進行了優(yōu)化,可讓任何M輸入光纖完全無障礙地與任何N輸出光纖相連6。荷蘭特溫特大學和法國納米科學與低溫工程研究所的科學家開發(fā)出了一種半導體平面微腔開關,實現了1.4THz的重復率開啟和關閉操作,速率提高了350倍,研究人員在砷化鎵和砷化鋁層中構造了空腔,并使用1284.1 nm的探測光測量其諧振頻率。實驗中,研究小組使用兩個由近紅外鈦寶石激光抽運的光參量放大器,將探測光束和觸發(fā)光束射入微腔中。觸發(fā)光束產生電克爾效應,在亞皮秒時間尺度上,改變了空腔材料的折射率。研究人員將觸發(fā)光束的波長延長到2400nm,以減少空腔內的雙光子吸收。

6、據估計,空腔只吸收了百萬分之一的入射光?？涨淮鎯r間大約為300fs,決定了開關速率的基本“速率限制”,這種現象不依賴于微腔的幾何結構。除了超快片上光子調制,這種新型開關可能會應用于空腔量子電動力學的基礎研究,并且,有可能大大提高未來通信系統(tǒng)甚至量子計算機的運行速率7。2012年,Fei等在填充了聚苯乙烯的半導體介質柱光子晶體中利用光子晶體波導與微腔的邊耦合實現了全光開關,在80GW/cm2的抽運光下,微腔缺陷模遷移15nm8。2012年美國聯合量子研究所的科學家最新研制出迄今能耗最低的一款全光開關。新開關能引導光束從一個方向到達另一個方向,整個過程只需耗費120 ps( 120 萬億分之一秒

7、,而且能耗僅為1×10-18J,其能耗僅為此前日本研制出的全光開關的1/5,是其他全光開關的1/1009。新加坡南洋理工大學(Nanyang Technological University, NTU的研究團隊利用納米級的光子晶體(photonic crystal,首度制造出操作范圍為近紅外的全光開關(all-optical switch,可望在通訊和消費性電子儀器中找到許多應用10。2007年,馮金順等用非線性材料作為缺陷層引入光子晶體,對于位于缺陷態(tài)附近極窄頻率范圍內的入射光,通過光子晶體帶隙中缺陷態(tài)的移動就可以改變其透射率,實現光開關的功能11。北京大學龔旗煌教授、胡小永副教授

8、和他們學生在可見-近紅外波段實現微納集成全光開關的基礎上,進一步在光通訊波段實現了低功率、超快速光子晶體全光開關原型器件。論文通過將Bragg共振增強非線性光學效應與強量子局域效應相結合,制備出在光通訊波段具有三階非線性光學系數和超快時間響應的復合材料,突破了介觀光子學器件研究在材料方面所受的限制;利用該復合材料實現了低功率、超快速光子晶體全光開關器件原型:將閾值光功率降低了3個數量級,閾值光強從GW/cm2的量級降低到9MW/cm2,接近實用化的要求;同時保持了24.2ps的超快速時間響應和80%的高開關效率。在此基礎上,他們還制備出多組分納米復合材料,利用缺陷模式的耦合實現了皮秒時間響應的

9、低功率光子晶體全光開關器件原型12中國科學院物理研究所光物理實驗室/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌張道中和李志遠研究員領導的研究團隊2008年利用脈寬為6飛秒的脈沖激光驅動聚苯乙烯非線性光子晶體的帶隙移動,實現了響應速度為10飛秒的光開關。2011年提出了雙路波導-雙共振腔的方案,通過控制微腔的共振頻率和泵浦光的功率,可實現各種全光邏輯門器件13三、發(fā)展趨勢:光子晶體具有光子禁帶和光子局域的特性,光子晶體最基本的特征是具有光子帶隙,頻率落在禁帶內的光不能通過14.在完整的光子晶體中去除單個介電柱,則形成了點陷模(Pointmode,若點陷模連續(xù)分布則形成線缺陷(Line defect,那么此時原

10、來在完整光子晶體禁帶中的光可以沿著線缺陷傳播,形成光子晶體波導15由線缺陷形成的光子晶體波導能控制電磁波在光學電路中的傳輸,這不同于常規(guī)的介質波導管16光子晶體波導具有小尺寸的特性,其尺寸可以是波長的數量級,這使得光子晶體波導更適用于光學集成器件的設計17在光子晶體的概念提出之前,一維光子晶體的研究就已經進行了。其制造工藝上已經不存在太大的困難,隨著光子晶體概念的引入其研究已經進入了一個嶄新的階段。目前研究的熱點主要集中在二維光子晶體的設計上,不斷的有人提出基于二維光子晶體的器件結構,以及制造出基于二維光子晶體的器件。在充分考慮到設計和制造能力上二維光子晶體的發(fā)展尤為迅速。三維光子晶體的研究目

11、前看來還處于起步的階段,不過隨著三維光子晶體制造技術的突破,三維光子晶體的研究也將逐步成為研究的熱點。對于我們所關注的領域,目前發(fā)展的目標就是不斷完善整個基于光子晶體器件這個體系,實現從光的產生、傳輸、處理和存儲等一系列功能,在此基礎上對單個功能器件的性能不斷的優(yōu)化,使得光子晶體器件在光子集成領域有所發(fā)展。在光子晶體的發(fā)展過程中,可以借鑒半導體發(fā)展的過程,時刻與半導體對比發(fā)現其相通之處和不同點各自的優(yōu)點和不足。四、存在問題目前世界上光子晶體光開關在選擇材料、透射率、響應時間和能量損耗上都有了比較成熟的理論研究以及一定階段的實驗探索,而且光子晶體光開關在光通信上的優(yōu)點使它一旦推出市場必定會掀起一

12、場劃時代的革命。但是就目前來說,在很多關鍵技術問題上,包括理論問題以及實驗證明上還沒有解決。首先,在利用各種形式作為缺陷時,需要具有相當高的實驗制備條件,由于制備條件非常高,能夠開展實驗研究的科研機構以及高校不多,因而限制了在實驗中發(fā)現以及證明光開關現象的發(fā)展,目前許多研究還停留在理論模擬上,限制了光子晶體光開關的向前發(fā)展;其次,實踐制作的光子晶體光開關的缺陷模的控制模式、品質因數、透射率、響應時間和能量損耗上都很難達到,因而很難推廣性的批量性的生產。五、主要參考文獻1Ahmed Sharkawy,Shouuan Shi and Dennis W.Prather.Electro-optical

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14、出單原子光開關系統(tǒng)N科技日報2013-11-30 (25 佚名.MRV為光開關增加了先進的定時和同步性OL訊石光通訊咨詢網2013-06-266 佚名. EXFO宣布推出與DiCon聯合開發(fā)的MXS-9100矩陣光開關OL自動化新聞網 2013-03-16 7 Santucci S C. Proprié té s dynamiques de l'eau et de la solution LiCl-6H2O, é etudié es par diffusion iné lastique du rayonnement synchrotro

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16、子晶體全光開關登場OL 光電新聞網 2006-12-27 11 Katouf R,KomikadoT,Itoh M,et al.Ultra 一 fast oPtieal switches using l 一 D Polylneric Photoni ccrystalsJ.Photonies and Nanostructures 一 Fundamentalsa nd APPlications.,2007,3(2:116 一 119 12 龔旗煌, 胡小永. 超快速光子晶體全光開關研究J. 北京大學學報: 自然科學版, 2006, 42(1: 11-17. 13 Alex. 非線性光子晶體超 快光開 關最 新進展 OL OFweek 激光網 2014-02-27 14.Yablonovitch E Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronicsJ 1987 15.Wu H Z Realization of ultracompact directional coupler based on photonic crystal waveguides J-量子電子學報 2009(04 16.Yu T B.Wang M H.Jiang X Q C