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摘 要

在全光网络中，作为光分插复用和光交叉互连的核心器件，光开关具有极为广泛的应用。近年来，波导光开关取得了长足的发展，它们利用波导的热光、电光、声光或磁光效应等，通过改变波导材料的折射率而实现光开关的功能。在各种波导光开关中，热光开关具有尺寸较小，可扩展能力较大，并且可与波导密集波分复用器集成的优点，因而极具吸引力。基于有机聚合物材料的热光开关因其良好的热光特性，相对简单的波导制作方法，以及较低的成本，已成为当前的研究热点。

除了光开关芯片本身的材料、结构设计和制作工艺之外，其控制和驱动电路也是影响光开关模块综合性能的重要因素。针对控制和驱动系统进行研究具有十分重要的意义。本文首先对光开关的发展现状进行了综述，然后对热光开关的工作原理进行了概述。接下来，本文针对基于有机聚合物的1×32马赫-泽德干涉仪（MZI）型热光开关阵列，对其控制和驱动系统进行了设计和制作。我们采用单片机和CPLD作为控制部分的核心，采用三极管作为驱动部分的核心，完成了系统的设计和制作。为了解决目前所采用系统体积过大，不利于实际应用的问题，我们将控制和驱动系统集成在一个电路板上，实现了系统的小型化。我们的工作为高性能热光开关的实现奠定了基础。

关键词：光通信、热光开关、驱动电路、单片机、CPLD

Study on the Control and Driving System for Polymer Thermo-Optic Switch

Abstract

In all optical networks, optical switch has a very wide application as the core component of optical division multiplexing and optical cross connection. Recently, the waveguide switch has made great progress, among which the thermo optic switch is very attractive as it is small in size, has large expansible ability , and can be integrated with the waveguide dense wavelength division multiplexers. The organic polymer based thermo optic switch has become a hot spot of research for its good thermal optical properties, relatively simple waveguide fabrication method, and low cost.

Besides the materials, the structural design and the fabrication processes, the control and driving system is also an important factor which affects the performance of the switches. The study on the control and driving system will be of great importance. In this thesis, the current development status of the optical switches was reviewed. Next, the working principle of the thermo optic switches was introduced. Then, the control and driving system was designed and fabricated based on the organic polymer based 1×32 Mach Zehnder interferometer (MZI) type thermo optic switch. The MCU and CPLD were used as the core of the control part, and the transistors were used as the core of the driving part. In addition, we integrate the control and drive system on a single circuit board to realize the miniaturization of the system. Our work has laid a foundation for the realization of high performance optical switches.

KEY WORDS: optical communication, thermo-optic switch, driving circuit, MCU, CPLD

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 光纤通信发展概况 1

1.2光开关的分类 2

1.2.1 机械性光开关 2

1.2.2 波导光开关 2

1.3.3 其它光开关 3

1.3 光开关的应用 3

第二章 有机聚合物热光开关 5

2.1光波导理论 5

2.1.1平板波导的线光学模型 5

2.1.2平板波导的电磁理论 6

2.2热光效应 6

2.3波导型热光开关介绍 7

2.4 本章小结 8

第三章 控制及驱动电路设计 9

3.1 总体设计方案 9

3.2核心器件的选取 11

3.2.1单片机的选取 11

3.2.2 CPLD的选取 11

3.3电源单元 12

3.4键盘电路 13

3.5显示电路 13

3.6驱动电路 14

3.7 控制和驱动系统原理图 15

3.8 本章小结 16

第四章 PCB制作 17

4.1 Altium Designer简介 17

4.2 PCB设计流程 17

4.3 PCB设计的基本原则 18

4.3.1 布局 18

4.3.2 布线 19

4.4 PCB板制作 19

4.5 本章小结 20

第五章 总结和展望 21

5.1 全文总结 21

5.2 未来展望 21

致谢 22

参考文献 23

第一章 绪论

1.1 光纤通信发展概况

在1966年，George Hockham和华裔物理学家高琨发表了论文，指出了使用光纤可以进行大容量的光纤通信，而且其损耗很低，为20dB/公里，这为光纤通信的发展奠定了理论基础。1970 年, Corning 公司率先研制出了长约30米，损耗为20dB/公里的光纤。这是光纤通信从理论迈向实用的标志性事件，因此，1970年被称为光通信元年。在此之后，光纤通信有了迅猛发展。1976年，由贝尔实验室建立了第一条实验线路，从华盛顿到亚特兰大，但因为没有通信用的激光器故其传输速率很慢，仅为45Mb/s。1978年，建立了速度为100Mb/s的渐变性多模光纤通信系统。1980年，多模光纤系统进入商业使用。1990年，单模光纤通信系统进入商业使用，并且建立了SDH标准。之后光纤通信的传输速率不断加快^[1]。1993年，622Mb/s的SDH进入商用，1995年，2.5Gb/s的SDH进入商用化阶段。1996年，10Gb/s的SDH进入商用化阶段。1997年40Gb/s的SDH和20Gb/s的WDM进入商用化阶段。2005年在巴黎到富兰克林建成了世界上首条100Gb/s的商用化线路。

光纤通信在速度上不断提升的同时，其技术也在进行革新。70年代主要是多模光纤通信系统，其中心波长为850nm；1980年其中心波长增加为1310nm；1984年逐渐改用单模光纤通信系统；80年代后期单模光纤通信系统的中心波长增至1550nm；1984 年, 通信用的半导体激光器成功研制,1989年，发明了掺铒光纤放大器，中继距离得到提升；90年代，产生了波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing），光纤放大器等技术，增大了通信容量和中继距离。之后又产生了密集波分复用技术（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing），扩大了传输容量。

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