基于PLC技術的硅基二氧化硅矩陣光開關的研究.pdf

1、光開關是全光網(wǎng)絡中光插分復用器(OADM)和光交叉連接器(OXC)中的核心器件。硅基二氧化硅平面光波線路技術(PLC)具有與硅微電子工藝兼容等優(yōu)點，廣泛用于集成光波導器件的制作。本文將矩陣光開關網(wǎng)絡結構和PLC技術相結合，從網(wǎng)絡結構角度研究了基于PLC技術的小體積低損耗硅基二氧化硅矩陣光開關，提出了一種擴展Banyan網(wǎng)絡(EBN)可重構無阻塞矩陣光開關結構，并針對該網(wǎng)絡結構，研究了信號的動態(tài)路由算法。利用擴展Banyan網(wǎng)絡結構和優(yōu)化

2、的MZI型開關單元，設計制作了2×2到16×16的硅基二氧化硅熱光開關。 論文首先系統(tǒng)闡述了光波導的基本理論。由麥克斯韋方程組出發(fā)，分析了三層平板波導的模式場分布，給出了矩形波導的理論模型，分別利用馬卡梯里方法和有效折射率方法對矩形波導的模式特性進行了分析，推導了雙波導定向耦合器的耦合系數(shù)和模式傳播常數(shù)。 從Mach-Zehnder干涉儀型光開關結構和原理出發(fā)，分析了3dB耦合器和波導臂對開關性能的影響，對3dB定向耦合

3、器的性能進行了模擬，根據(jù)相移器原理設計了加熱電極結構，經(jīng)優(yōu)化設計的MZI型開關單元長度為4.6mm。設計制作了非平衡式和平衡式兩種結構的2×2光開關，其平均插入損耗分別為1.65dB和2.52dB，最大串擾分別為-21.82dB和-30.75dB，平均功耗分別為406mW和410mW。 對矩陣光開關的網(wǎng)絡結構進行了研究。分析了Crossbar型和Banyan型矩陣光開關網(wǎng)絡結構，研究了Banyan網(wǎng)絡的內部阻塞特性。Crossb

4、ar網(wǎng)絡屬于嚴格無阻塞結構，但需要的開關單元級聯(lián)較多，N×N網(wǎng)絡需要2N-1級開關單元；Banyan網(wǎng)絡具有較少的開關單元級聯(lián)，N×N網(wǎng)絡只有l(wèi)og2N+1級開關單元，但它屬于內部阻塞型網(wǎng)絡。本文在分析Banyan網(wǎng)絡內部阻塞特性基礎上，分析了構建可重構無阻塞擴展Banyan網(wǎng)絡的條件，以及可重構無阻塞擴展Banyan網(wǎng)絡的最簡形式。提出了BEBN—Ⅰ型、BEBN—Ⅱ型和SEBN型三種擴展Banyan網(wǎng)絡的可重構無阻塞矩陣光開關結構，三

5、種結構的開關單元級數(shù)分別為2log2N-2級、2log2N-2級和2log2N-1級。 分析了擴展型Banyan網(wǎng)絡中信號路由的重構過程，并針對該擴展網(wǎng)絡結構提出一種信號動態(tài)路由算法。該算法通過對網(wǎng)絡中開關單元和端口地址進行二進制編碼，從而能夠根據(jù)信號的目的端口地址，動態(tài)選擇信號路由，實現(xiàn)了網(wǎng)絡的路由重構。 利用優(yōu)化的MZI型開關單元和擴展Banyan網(wǎng)絡，基于PLC技術，在4”硅片上設計制作了4×4、8×8和16×16