光开关及光交换ppt

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  1 2 3 4 5 6 7 8 2 3 4 5 6 7 8 1 X Benes结构 2 to 1 1 to 5 3 to 3 4 to 2 Fails MUX MUX 1 2 3 4 2 1 3 4 2 1 TSI 4 3 TSI time 1 time 1 3 1 2 4 时空分结构 TSI TSI TSI TSI TSI TSI TSI TSI 谢谢 * 三维MEMS光开关阵列: 三维MEMS光开关阵列 2.2 MEMS光开关 光可以被引导至任意的角度,从任意的端口输出: 从理论上讲,这一部分镜子是不必要的,但是去掉会增加难度。 Lucent Technologies:64×64 MEMS optical switch component 市场化 5200 系列 MEMS switch module:最大插入损耗为6dB,最大响应时间为10ms Nortel Networks在Optical Fiber Conference上展示了超过1000个端口的全光MEMS 2.2 MEMS光开关 MEMS光开关中控制反射装置的力: 1. 静电相互作用力: 2. 电磁相互作用 2.2 MEMS光开关 (3)机械力 静电梳状驱动 微镜 梳妆驱动连接装置 衬底梁 扭转梁 框架梁 支撑框架 2.2 MEMS光开关 MEMS设计和加工: 设计和加工中需要考虑的因素: MEMS微镜系统加工 (2) 光力学机构封装 (3)微镜控制 双轴驱动的微镜 微镜 悬臂 驱动 微镜旋转角度 开关端口数量 镜子力学机构响应时间 开关时间 微镜光学参量 开关插入损耗 功耗 镜子的驱动和控制功耗 2.2 MEMS光开关 加工: 微镜通常选择单晶硅,主要利用了其低的固有应力和好的表面光洁度。 微镜的悬臂也通常选择单晶硅,主要利用了其良好的力学性质。 加工过程通常包括光刻,分解,腐蚀等微纳加工常用手段,此外好包括称之为深反应离子刻蚀(DRIE,deep reactive ion etches),硅晶片粘合,化学力学抛光(CMP,chemical mechanical polishing)等 绝缘体硅片:厚度均匀,应力低 微镜加工过程 2.2 MEMS光开关 Patrick B. Chu,etc,. IEEE Communications Magazine, 80, 0163-6804 光刻(lithography) 腐蚀(etching) 微镜加工过程 2.2 MEMS光开关 有机材料的光学性质: 1. 有机物中的激发态: 激子(exciton): 解离产生自由电荷: 单态(Singlet): 三态(Triplet): 2. 非线 有机材料全光开关 有机导电聚合物在光电子领域的应用已经在学术领域和工业领域引起了广泛的兴趣。 2.3 有机材料全光开关 J. Clark and G. Lanzani, Nature Photonics, 4, 438(2010) 有机聚合物作为光源: 电注入式有机发光二极管( electrical injection OLEDs) 光辐射三极管( light-emitting transistors (LETs)) 光泵浦有机半导体激光器(optically pumped organic semi conductor lasers,OSLs) 有机材料分布反馈式布拉格光栅激光器 (较强可调性:可见光范围内) 一种有机薄膜光致发光,自发辐射放大以及受激辐射 2.3 有机材料全光开关 J. Clark and G. Lanzani, Nature Photonics, 4, 438(2010) 有机材料作为光传输介质: 优点: 对于长距离通信:半导体有机光纤(SOF)衰减低(0.2dB/Km),带宽大(high bandwidth),高传输速率(达到25Tb/s) 短距离通信:高聚物(如聚甲基丙烯酸甲酯)或其氟化物做成的聚合物光纤(POF) 一种塑料光纤价格低廉,也是一种比较好的材料。 有机全光开关(1): 控制光 信号光 有机物 调制后的信号光 方向的改变是由于三阶非线 有机材料全光开关 S. A. Haque, and J.Nelson, Science, 1466 (2010); 327 信号光 控制光 信号光 开状态 若 , 即控制光和信号光为同频率的光 关状态 两个关键: 1.增大三阶非线 有机材料全光开关 两个关键: 1.增大三阶非线.减少信号光的吸收 近共振增强 避免单光子共振和双光子吸收 具有较好的三阶非线性的有机分子 分子的固有吸收峰和三阶非线 原子介质全光开关方案 在原子介质中的光开关的研究主要集中于为量子通信和量子信息处理寻找合适的可以在单光子水平上起作用的光开关。但是单光子所代表的能量强度非常低,要在这个水平上实现光控制光,必须要利用光之间的非线性相互作用。 量子通信 单光子开关 强非线性相互作用 信号光:少量光子,理想情况下,单光子 控制光:少量光子,理想情况下,单光子 指标:输入开关的控制光能量密度 单位光学截面上的光子数 单位光学截面: 2.4原子介质全光开关方案 几种典型的原子介质全光开关方案: (1)原子介质中横向模式形成全光开关 光场的横向模式:电场在垂直于传播方向的平面上的强度分布: 实验装置 电光调制器 光纤放大器 介质 ?波长玻片 偏振分束片 2.4原子介质全光开关方案 两束信号光完全对称 两束信号光不完全对称(高功率) 两束信号光不完全对称(低功率) 2.4原子介质全光开关方案 A. M. C. Dawes, etc,. R. W. Keyes, Science 308, 672 (2005). 信号光 控制光 “开” 状态 “关” 状态 在“开状态”,没有控制光, 输出的两个光斑在空间呈 一定的取向。 在“关状态”,加上控制光, 输出的两个光斑在空间的取向发生了旋转。 2.4原子介质全光开关方案 “开”状态 不加控制光 加高功率控制光 加低功率控制光 “关”状态 不彻底的“关”状态 理想的消光比 不理想的消光比 特点: 控制光可以远远 小于信号光。 早(B)中信号光 两个光斑加在一起 的功率为1.5μw, 而控制光在理想工 作状态只需要2.5nw。 2.4原子介质全光开关方案 “关”端口的信号 控制光束为2.5nw时理想的消光比 控制光束为230pw时不理想的消光比 0.5 “开”端口的信号 控制光束为2.5nw时,开关响应时间约为4μs 控制光束为230pw时,开关响应时间约为3μs 计算得到的单位光学截面上的光子只有0.0044个。 2.4原子介质全光开关方案 几种典型的原子介质全光开关方案: (2)利用光子晶体光纤中的冷原子来实现全光开关 控制光 信号光 开关光 原子冷却装置:MOT 实验装置 2.4原子介质全光开关方案 M.D. Lukin, etc., Phys. Rev. Lett. 102, 203902 (2009). 光子晶体光纤 信号光 耦合光 控制光 光子晶体光纤中的相互作用示意图 开关光 信号光 利用非相干饱和效应来实现 光开关 控制光 信号光 利用EIT效应来实现 光开关 信号光 开关光 1 0 1 1 0 1 0 0 控制光 信号光 开关光 利用非线性EIT效应来实现 光开关 3. 光交换简介 性能优异的光开关元件 质量好的通信网络 网络的结构设计也很重要 光通信结构 Ports Ports 全连接无交换网络 容量小 交换网络 无线网络 光核心网络 因特网 交换类型 (1)线路交换( Circuit Switching ): (1.1)连续流,无信息速率突发 ,无缓冲。 (1.2)创造和取消物理线)分组交换(Packet Switching): (2.1)每一包信息被分配的物理资源都有可能不同。 (2.2)开关依赖于包中携带的目的地址信息的映射。 (2.3)用开关表来提供映射。 (2.4)开关表根据网络的动态情况而改变。 交换结构 Switching control Input interface Output interface Switching fabric 一种比较简单的交换结构 ... Optical transport system (1.55 mm WDM) 1.3 mm intra-office ... ... ... ... Optical Crossconnect (OXC) ... Transponders Terminating equipment SONET, ATM, IP... 交换结构 一种比较复杂的交换结构 时分交换(Time Division Switching) 4 3 2 1 2 4 1 3 1 2 3 4 TSI M U X 1 N D E M U X 1 N 波分复用 信号分离 TSI(time slot interchange ) 空分交换(Space Division Switching) Crossbar结构 Input ports Output ports 1 2 3 4 1 2 3 4 最简单的结构 有可能存在拥堵 3x3 2 5 1 2 k 1 2 p 1 2 k kxk nxp pxn Stage 1 Stage 3 Stage 2 32 1 64 33 N= 1024 993 n n 32 64 32 Clos结构 光开关和光交换 Optical Switch 提纲 1. 光开关总论 2. 几种新型光开关 3. 光交换简介 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 2.2. MEMS型光开关 2.3. 有机分子材料光开关 2.4. 原子介质中的全光开关方案 1.光开关总论 1.1 现代光通信网络的要求: (1)超密集复用 (2)高码率 光开关在光通信网络中的作用: 将一个通道的光信号转换到另一个通道,起着上下路信号和多路信号的交换作用 图 1 现代通信网络 1.2 大容量的通信需要与之相适应的信息处理速度,针对光学信息处理,在目前通用的框架下就是要先将其转化成电信号,在转化成光信号。即O-E-O过程。 光 电 光 例如,数字光学信号,离散傅里叶变换 光信号 电信号 电子计算机FFT模块 电信号 光信号 光信号FFT模块 光信号 光信号 例如,数字光学信号,离散傅里叶变换 这里有两个步骤加速了运算速度 (1)没有发生OEO过程。 (2)使用光信号FFT,没有使用电信号的FFT,由于光子器件的响应速度远远快于电子器件,因而信息处理速度得到了加快。 无论使用电信号的FFT,还是光信号的FFT,对数字信号的运算本质上都是信号逻辑门功能和取出,存储的组合,这里的取出存储便是由开关来决定,在电信号处理中由电子开关来决定,那么在光信号处理中则由光开关来决定。 由此可以看出,光开关的主要应用为: 1. 光信息的传输(长距离,网络控制,路由等) 2. 光信息的处理(短距离,集成光学信息处理) 光开关的要求: 1. 低的插入损耗 3. 低的串扰 2. 开关时间短 2. 几种新型光开关 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 光子晶体:折射率在空间呈周期性变化的介质 一维光子晶体 二维光子晶体 三维光子晶体 光子带隙:特定频率的光不能在光子晶体中传播 光子晶体的特性:存在光子带隙(photonic band gap) 一维光子晶体的光子带隙图 一维光子晶体 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 二维光子晶体 二维光子晶体的晶格 二维光子晶体的光子带隙图 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 三维光子晶体 三维光子晶体的光子带隙图 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 缺陷的引入和波导:二维光子晶体 点缺陷 线缺陷 二维光子晶体中的点缺陷和线缺陷示意图 实物图 /group/nqp/projects/networks.shtml 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 二维光子晶体中的点缺陷和线缺陷陷俘的光的振幅分布 类似于一个谐振腔 类似于一个光波导 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 Mach-Zender型结构: Mach-Zender型结构最早来源于Mach-Zender干涉仪 全反射镜 半反射镜 光源 探测器 相移样品 Mach-Zender干涉仪 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 集成光路中的Mach-Zender结构,其中一个壁的相移由热光效应提供 集成光路中的Mach-Zender结构,其中一个壁的相移由力学效应提供 SEM成像 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 控制光脉冲 控制光脉冲 信号光输入脉冲 引入缺陷的二维光子晶体(波导) 在Mach-Zender结构的两个壁上掺入量子点材料 信号光输出脉冲 光子晶体Mach-Zender结构 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 Hitoshi Nakamura,etc., Opt. Express 12, 6606 (2004). b-PCDC: 二维光子晶体构成的三端口定向耦合器 a-PCDC: 二维光子晶体构成的4端口3dB定向耦合器 光子晶体Mach-Zender结构光开关示意图 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 工作原理: 1. 信号光通过定向耦合器被分成两束,进入MZ结构的两个臂。 2. “开”控制脉冲通过定向耦合器也进入MZ结构的一个臂,由于控制脉冲与臂中的量子点材料相互作用,使得其对信号光的折射率发生变化,从而引入附加相移。 3. “关”控制脉冲也可以通过定向耦合器也进入MZ结构的一个臂,引入非线. 当“开”控制脉冲单独加上之后,信号从上面的端口输出;当“关”脉冲也加上之后,信号从下面的端口输出。 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 在控制脉冲作用下,掺入量子点的MZ臂引入相移的原因 这里pump光就是控制光,probe光就是信号光。从图中可以看到,量子点材料在对控制光强烈吸收以后,就会降低对信号光的吸收和折射率。 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 此种二维光子晶体量子点掺杂MZ结构全光开关的性能分析: 控制脉冲 信号脉冲 延迟 存在明显的弛豫过程,即控制脉冲 已经撤去之后,相移仍然存在, 但呈指数衰减,且相移和幅值衰减 的弛豫特性一致,说明均来自于量 子点的色散和吸收 2ps 0.2ps 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 耦合进入光子晶体波导的控制光脉冲能量 不使用光子晶体波导,直接使用1000μm的量子点掺杂的脊型波导引入非线μm量子点掺杂的光子晶体波导引入非线性相移。 可以看出,光子晶体波导引入π的相移所需的控制光脉冲比脊型波导小三个数量级。 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 光子晶体Mach-Zender结构光开关示意图和SEM成像 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 上升时间:2ps 下降时间:2ps 消光比:当“关” 控制脉冲进入时,cross端口的光强为原来的1/2 2.1. 光子晶体Mach-Zender 型光开关 2.2 MEMS光开关: 随着光通信网络容量的扩大以及波分复用(WDM)技术的日渐成熟,光网络出现了两个方面的发展趋势: (1)单根光纤传输几十至上百路波长不同的信号。 (2)每个波长传递的信号以10Gbs/s以上的码率进行传输 相应的,对光互连和光开关就提出了要求: (1)光开关的容量要大,以适应多路信号同时交换。 (2)光开关的响应速度一定要快,以适应大的传输码率 MEMS(微电机械系统)器件是一种被寄予厚望的器件,针对光开关来说,研究人员希望可以用它来构建下一代低成本,高可靠性的光学互连网络。 2.2 MEMS光开关 MEMS光开关的优点: MEMS光开关的优点: (1)微型化 (2)以硅为主要材料的机械电器性能优良 (3)可批量生产 (4)集成化 2.2 MEMS光开关 MEMS光开关的原理: 利用微光学反射器件的微小的静电机械位移来引导光的传输: 最简单的情形:1*2的光开关 实物图 示意图 2.2 MEMS光开关 实物图 1*2MEMS 光开关 “开状态” 1*2MEMS 光开关 “关状态” 2.2 MEMS光开关 2*2MEMS光开关 2*2MEMS光开关实物图 2.2 MEMS光开关 2*2MEMS 光开关 “关状态” 2*2MEMS 光开关 “开状态” 2.2 MEMS光开关 MEMS光开关的原理: 2*2开关 关状态 “1”通状态 “2”通状态 应力诱导的弯曲MEMS光开关 2.2 MEMS光开关 应力诱导的弯曲MEMS光开关的SEM图像: 镀金微镜 1.5μm厚的多晶硅衬底 初始的弯曲是由于金膜与硅膜之间的残余应力差异。 0.5μm厚的金膜 加工:使用了MEMSCAP公司的多用户MEMS处理,其包含了许多标准微机械加工步骤 2.2 MEMS光开关 第i路输入 二维MEMS光开关阵列: 第(i,j)个开关基元 on 第j个输出端口 特点:损耗较大,理论研究发现超过32*32的规模,损耗效应过于显著, 因而不实用。用32*32的模块来组成更大网络容量的开关,损耗将更大。 二维MEMS光开关阵列 2.2 MEMS光开关 *