基于PLC技術(shù)的硅基二氧化硅矩陣光開關(guān)的研究.pdf

1、光開關(guān)是全光網(wǎng)絡(luò)中光插分復(fù)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(shù)(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(dǎo)器件的制作。本文將矩陣光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和PLC技術(shù)相結(jié)合，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度研究了基于PLC技術(shù)的小體積低損耗硅基二氧化硅矩陣光開關(guān)，提出了一種擴展Banyan網(wǎng)絡(luò)(EBN)可重構(gòu)無阻塞矩陣光開關(guān)結(jié)構(gòu)，并針對該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究了信號的動態(tài)路由算法。利用擴展Banyan網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化

2、的MZI型開關(guān)單元，設(shè)計制作了2×2到16×16的硅基二氧化硅熱光開關(guān)。 論文首先系統(tǒng)闡述了光波導(dǎo)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(dǎo)的模式場分布，給出了矩形波導(dǎo)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(dǎo)的模式特性進行了分析，推導(dǎo)了雙波導(dǎo)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(guān)結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，分析了3dB耦合器和波導(dǎo)臂對開關(guān)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(shè)計了加熱電極結(jié)構(gòu)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的MZI型開關(guān)單元長度為4.6mm。設(shè)計制作了非平衡式和平衡式兩種結(jié)構(gòu)的2×2光開關(guān)，其平均插入損耗分別為1.65dB和2.52dB，最大串?dāng)_分別為-21.82dB和-30.75dB，平均功耗分別為406mW和410mW。 對矩陣光開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了研究。分析了Crossbar型和Banyan型矩陣光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究了Banyan網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞特性。Crossb

4、ar網(wǎng)絡(luò)屬于嚴(yán)格無阻塞結(jié)構(gòu)，但需要的開關(guān)單元級聯(lián)較多，N×N網(wǎng)絡(luò)需要2N-1級開關(guān)單元；Banyan網(wǎng)絡(luò)具有較少的開關(guān)單元級聯(lián)，N×N網(wǎng)絡(luò)只有l(wèi)og2N+1級開關(guān)單元，但它屬于內(nèi)部阻塞型網(wǎng)絡(luò)。本文在分析Banyan網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部阻塞特性基礎(chǔ)上，分析了構(gòu)建可重構(gòu)無阻塞擴展Banyan網(wǎng)絡(luò)的條件，以及可重構(gòu)無阻塞擴展Banyan網(wǎng)絡(luò)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(luò)的可重構(gòu)無阻塞矩陣光開關(guān)結(jié)構(gòu)，三

5、種結(jié)構(gòu)的開關(guān)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(luò)中信號路由的重構(gòu)過程，并針對該擴展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出一種信號動態(tài)路由算法。該算法通過對網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)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(luò)的路由重構(gòu)。 利用優(yōu)化的MZI型開關(guān)單元和擴展Banyan網(wǎng)絡(luò)，基于PLC技術(shù)，在4”硅片上設(shè)計制作了4×4、8×8和16×16