燕山大學(xué)里仁學(xué) 基于光子晶體光學(xué)特性的光開(kāi)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、燕山大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文文獻(xiàn)綜述課題名稱:基于光子晶體光學(xué)特性的光開(kāi)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院(系:里仁學(xué)院電氣工程系年級(jí)專業(yè):10級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師:完成日期:2014-3-21一、課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀近年來(lái),光開(kāi)關(guān)的研究與開(kāi)發(fā)采用了很多新技術(shù)、新機(jī)理和新材料,光開(kāi)關(guān)的規(guī)模越來(lái)越大,已達(dá)到上千乘上千的端口數(shù),切換速度不斷提高。隨著通信業(yè)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,出現(xiàn)了多種光開(kāi)關(guān),主要有熱光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)微機(jī)械光開(kāi)關(guān)等。在常規(guī)的非線性材料中很難實(shí)現(xiàn)高效率的傳輸。但是利用光子晶體卻能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),在目前的研究中,主要是利用定向耦合波導(dǎo)在兩個(gè)波導(dǎo)的耦合區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光的低損耗傳輸1,和利用光子晶體諧振腔

2、與波導(dǎo)之間的耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)快速光開(kāi)關(guān)2。對(duì)于光子晶體光開(kāi)關(guān)的研究,是光開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的一次新的技術(shù)革命,它很有可能為光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用開(kāi)拓出一片更為廣闊的前景。新一代光開(kāi)關(guān)是光交叉連接的核心器件,也是目前開(kāi)發(fā)研究最為深入的無(wú)源光電子器件。其應(yīng)用范圍主要有:保護(hù)倒換功能;網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能;光器件的測(cè)試功能;光信號(hào)的上下路功能;網(wǎng)絡(luò)故障愈合功能。近幾年,隨著光傳送網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,新型的光開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷出現(xiàn),矩陣光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)和微機(jī)械等光開(kāi)關(guān)在器件技術(shù)和集成化方面都取得了很大的突破。未來(lái)的光開(kāi)關(guān)對(duì)交換速度提出更高的要求(納秒數(shù)量級(jí)。大容量、高速交換、透明、低損耗的光開(kāi)關(guān)將在光網(wǎng)絡(luò)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(xué)科學(xué)家只用一個(gè)銣原子,實(shí)現(xiàn)了光在兩根玻璃纖維光纜之間的開(kāi)關(guān)互換。這種單原子開(kāi)關(guān)有望將量子現(xiàn)象用于信息與通訊技術(shù)。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(yīng)商MRV基于一定標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)和同步能力,通過(guò)增加先進(jìn)的的特性更新了其光開(kāi)關(guān)Carrier Ethernet 2.0,能夠讓光開(kāi)關(guān)在基于3G的Carrier Ethernet 和4G/LTE移動(dòng)回程應(yīng)用中有更好的服務(wù)分配。尤其是光開(kāi)關(guān)的OS940-MBH和OS906G-M-MBH模型,如今能夠支持精密時(shí)間協(xié)議(PTP IEEE 1588v2和同步以太網(wǎng)(

4、SyncE。這些新的特性讓光開(kāi)頭使用者在提供移動(dòng)回程時(shí),使用針對(duì)1-Gbps和10-Gbps Layer 2 Carrier Ethernet 2.0和IP服務(wù)聚合的確保的服務(wù)水平協(xié)議(SLA。MRV稱,新的特點(diǎn)能讓光開(kāi)關(guān)服務(wù)支持全封裝和混合芯片封裝回程應(yīng)用。使用新的光開(kāi)關(guān),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(kāi)關(guān)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(yuǎn)信號(hào)塔下進(jìn)行操作5。EXFOInc宣布與DiCon推出聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MXS-9100矩陣光開(kāi)關(guān),該產(chǎn)品由EXFO獨(dú)家供應(yīng)。DiConFiberoptics的

5、MXS-9100MEMSMxN矩陣光開(kāi)關(guān)針對(duì)EXFO的系統(tǒng)和軟件控件進(jìn)行了優(yōu)化,可讓任何M輸入光纖完全無(wú)障礙地與任何N輸出光纖相連6。荷蘭特溫特大學(xué)和法國(guó)納米科學(xué)與低溫工程研究所的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了一種半導(dǎo)體平面微腔開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)了1.4THz的重復(fù)率開(kāi)啟和關(guān)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(gòu)造了空腔,并使用1284.1 nm的探測(cè)光測(cè)量其諧振頻率。實(shí)驗(yàn)中,研究小組使用兩個(gè)由近紅外鈦寶石激光抽運(yùn)的光參量放大器,將探測(cè)光束和觸發(fā)光束射入微腔中。觸發(fā)光束產(chǎn)生電克爾效應(yīng),在亞皮秒時(shí)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(zhǎng)延長(zhǎng)到2400nm,以減少空腔內(nèi)的雙光子吸收。

6、據(jù)估計(jì),空腔只吸收了百萬(wàn)分之一的入射光。空腔存儲(chǔ)時(shí)間大約為300fs,決定了開(kāi)關(guān)速率的基本“速率限制”,這種現(xiàn)象不依賴于微腔的幾何結(jié)構(gòu)。除了超快片上光子調(diào)制,這種新型開(kāi)關(guān)可能會(huì)應(yīng)用于空腔量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究,并且,有可能大大提高未來(lái)通信系統(tǒng)甚至量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速率7。2012年,Fei等在填充了聚苯乙烯的半導(dǎo)體介質(zhì)柱光子晶體中利用光子晶體波導(dǎo)與微腔的邊耦合實(shí)現(xiàn)了全光開(kāi)關(guān),在80GW/cm2的抽運(yùn)光下,微腔缺陷模遷移15nm8。2012年美國(guó)聯(lián)合量子研究所的科學(xué)家最新研制出迄今能耗最低的一款全光開(kāi)關(guān)。新開(kāi)關(guān)能引導(dǎo)光束從一個(gè)方向到達(dá)另一個(gè)方向,整個(gè)過(guò)程只需耗費(fèi)120 ps( 120 萬(wàn)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(kāi)關(guān)的1/5,是其他全光開(kāi)關(guān)的1/1009。新加坡南洋理工大學(xué)(Nanyang Technological University, NTU的研究團(tuán)隊(duì)利用納米級(jí)的光子晶體(photonic crystal,首度制造出操作范圍為近紅外的全光開(kāi)關(guān)(all-optical switch,可望在通訊和消費(fèi)性電子儀器中找到許多應(yīng)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(duì)于位于缺陷態(tài)附近極窄頻率范圍內(nèi)的入射光,通過(guò)光子晶體帶隙中缺陷態(tài)的移動(dòng)就可以改變其透射率,實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的功能11。北京大學(xué)龔旗煌教授、胡小永副教授

8、和他們學(xué)生在可見(jiàn)-近紅外波段實(shí)現(xiàn)微納集成全光開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步在光通訊波段實(shí)現(xiàn)了低功率、超快速光子晶體全光開(kāi)關(guān)原型器件。論文通過(guò)將Bragg共振增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)與強(qiáng)量子局域效應(yīng)相結(jié)合,制備出在光通訊波段具有三階非線性光學(xué)系數(shù)和超快時(shí)間響應(yīng)的復(fù)合材料,突破了介觀光子學(xué)器件研究在材料方面所受的限制;利用該復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了低功率、超快速光子晶體全光開(kāi)關(guān)器件原型:將閾值光功率降低了3個(gè)數(shù)量級(jí),閾值光強(qiáng)從GW/cm2的量級(jí)降低到9MW/cm2,接近實(shí)用化的要求;同時(shí)保持了24.2ps的超快速時(shí)間響應(yīng)和80%的高開(kāi)關(guān)效率。在此基礎(chǔ)上,他們還制備出多組分納米復(fù)合材料,利用缺陷模式的耦合實(shí)現(xiàn)了皮秒時(shí)間響應(yīng)的

9、低功率光子晶體全光開(kāi)關(guān)器件原型12中國(guó)科學(xué)院物理研究所光物理實(shí)驗(yàn)室/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌張道中和李志遠(yuǎn)研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)2008年利用脈寬為6飛秒的脈沖激光驅(qū)動(dòng)聚苯乙烯非線性光子晶體的帶隙移動(dòng),實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)速度為10飛秒的光開(kāi)關(guān)。2011年提出了雙路波導(dǎo)-雙共振腔的方案,通過(guò)控制微腔的共振頻率和泵浦光的功率,可實(shí)現(xiàn)各種全光邏輯門器件13三、發(fā)展趨勢(shì):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(nèi)的光不能通過(guò)14.在完整的光子晶體中去除單個(gè)介電柱,則形成了點(diǎn)陷模(Pointmode,若點(diǎn)陷模連續(xù)分布則形成線缺陷(Line defect,那么此時(shí)原

10、來(lái)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(dǎo)15由線缺陷形成的光子晶體波導(dǎo)能控制電磁波在光學(xué)電路中的傳輸,這不同于常規(guī)的介質(zhì)波導(dǎo)管16光子晶體波導(dǎo)具有小尺寸的特性,其尺寸可以是波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí),這使得光子晶體波導(dǎo)更適用于光學(xué)集成器件的設(shè)計(jì)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(jīng)進(jìn)行了。其制造工藝上已經(jīng)不存在太大的困難,隨著光子晶體概念的引入其研究已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。目前研究的熱點(diǎn)主要集中在二維光子晶體的設(shè)計(jì)上,不斷的有人提出基于二維光子晶體的器件結(jié)構(gòu),以及制造出基于二維光子晶體的器件。在充分考慮到設(shè)計(jì)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(lái)還處于起步的階段,不過(guò)隨著三維光子晶體制造技術(shù)的突破,三維光子晶體的研究也將逐步成為研究的熱點(diǎn)。對(duì)于我們所關(guān)注的領(lǐng)域,目前發(fā)展的目標(biāo)就是不斷完善整個(gè)基于光子晶體器件這個(gè)體系,實(shí)現(xiàn)從光的產(chǎn)生、傳輸、處理和存儲(chǔ)等一系列功能,在此基礎(chǔ)上對(duì)單個(gè)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(lǐng)域有所發(fā)展。在光子晶體的發(fā)展過(guò)程中,可以借鑒半導(dǎo)體發(fā)展的過(guò)程,時(shí)刻與半導(dǎo)體對(duì)比發(fā)現(xiàn)其相通之處和不同點(diǎn)各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。四、存在問(wèn)題目前世界上光子晶體光開(kāi)關(guān)在選擇材料、透射率、響應(yīng)時(shí)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(shí)驗(yàn)探索,而且光子晶體光開(kāi)關(guān)在光通信上的優(yōu)點(diǎn)使它一旦推出市場(chǎng)必定會(huì)掀起一

12、場(chǎng)劃時(shí)代的革命。但是就目前來(lái)說(shuō),在很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題上,包括理論問(wèn)題以及實(shí)驗(yàn)證明上還沒(méi)有解決。首先,在利用各種形式作為缺陷時(shí),需要具有相當(dāng)高的實(shí)驗(yàn)制備條件,由于制備條件非常高,能夠開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的科研機(jī)構(gòu)以及高校不多,因而限制了在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以及證明光開(kāi)關(guān)現(xiàn)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(kāi)關(guān)的向前發(fā)展;其次,實(shí)踐制作的光子晶體光開(kāi)關(guān)的缺陷模的控制模式、品質(zhì)因數(shù)、透射率、響應(yīng)時(shí)間和能量損耗上都很難達(dá)到,因而很難推廣性的批量性的生產(chǎn)。五、主要參考文獻(xiàn)1Ahmed Sharkawy,Shouuan Shi and Dennis W.Prather.Electro-optical

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