本文選題：熱光開關(guān)　切入點(diǎn)：聚合物　出處：《吉林大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：光開關(guān)及其陣列在光通信網(wǎng)絡(luò)中具有重要的應(yīng)用，如微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)光開關(guān)、液晶光開關(guān)等。與上述光開關(guān)相比，波導(dǎo)光開關(guān)由于沒有機(jī)械移動(dòng)部件，因而在可靠性方面具有明顯優(yōu)勢和潛在應(yīng)用價(jià)值。在波導(dǎo)光開關(guān)中，熱光開關(guān)體積小、可擴(kuò)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，是光開關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。響應(yīng)時(shí)間和功耗是熱光開關(guān)的主要性能指標(biāo)，研制響應(yīng)速度快、功耗低的熱光開關(guān)一直是人們追求的目標(biāo)。 近年來，為了加快響應(yīng)時(shí)間并降低功耗，人們相繼報(bào)道了Si/SiO2熱光開關(guān)和全聚合物熱光開關(guān)。硅材料具有大的導(dǎo)熱系數(shù)，因此Si/SiO2熱光開關(guān)響應(yīng)速度快，但是其開關(guān)功耗一般較高。為了解決無機(jī)波導(dǎo)熱光開關(guān)功耗大的缺點(diǎn)，雖然人們研究了各種類型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如懸浮型波導(dǎo)結(jié)構(gòu))，但是，器件的制作工藝相當(dāng)復(fù)雜，而且實(shí)驗(yàn)效果不是十分理想。與無機(jī)材料熱光開關(guān)相比，聚合物熱光開關(guān)具有功耗低和制作工藝簡單的優(yōu)勢，其缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間較長，一般為ms量級。 鑒于上述兩類熱光開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)，為了使器件兼具低的功耗和快的響應(yīng)速度，人們研究了一類有機(jī)/無機(jī)混合結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)。本文利用聚合物材料SU-8和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分別作為芯層和上包層、無機(jī)材料SiO2作為下包層、Si材料作為襯底，制備了多種有機(jī)/無機(jī)混合結(jié)構(gòu)熱光開關(guān)。一方面，由于SU-8材料的熱光系數(shù)較大(1.8×10-4K-1)，這可降低器件的驅(qū)動(dòng)功率；另一方面，由于PMMA(n3=1.4798@1550nm)與SU-8(n1=1.5742@1550nm)間的折射率差較大，上包層可以制作的較薄，這將加快電極產(chǎn)生的熱量向芯層的傳導(dǎo)速率，同時(shí)由于SiO2材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大，這也將加快芯層中熱量的散失，這些都有利于縮短器件的上升和下降時(shí)間。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1、從麥克斯韋方程出發(fā)，得到電磁場全矢量、半矢量、標(biāo)量本征方程和邊界條件，利用有限差分法推導(dǎo)出它們的有限差分形式，將此方法應(yīng)用到矩形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的模式分析中，并將三個(gè)有限差分法的計(jì)算結(jié)果做了對比；從橫向亥姆赫茲方程出發(fā)得到三層平板波導(dǎo)光場強(qiáng)度分布的解析形式和模式有效折射率，并將其應(yīng)用到有效折射率法中，推導(dǎo)出矩形和脊形波導(dǎo)的模式有效折射率；采用解析法和有限差分法對二維狹縫(slot)波導(dǎo)模式作了分析，采用半矢量有限差分法對三維狹縫波導(dǎo)作了分析；推導(dǎo)固體熱傳導(dǎo)方程的一般形式和穩(wěn)態(tài)形式，并利用合適的差分網(wǎng)格推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程的有限差分形式。 2、針對聚合物材料有熱光系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)小、制備工藝簡單和成本低的特點(diǎn)，而無機(jī)材料具有熱光系數(shù)相對較小、導(dǎo)熱系數(shù)大、制備工藝相對復(fù)雜且成本相對較高的特點(diǎn)，提出了有機(jī)無機(jī)復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，制備了不同類型的馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)型熱光開關(guān)：1)采用濕法腐蝕工藝，充分利用有機(jī)無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，分別以聚合物材料SU-8和PMMA為波導(dǎo)的芯層和上包層，以無機(jī)材料SiO2為下包層，制備了1×1MZI熱光開關(guān)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定波導(dǎo)上下包層厚度的理論最佳值，分別為3μm和2μm。利用數(shù)字計(jì)算方法給出了熱光開關(guān)光場和熱場的分布。對制備好的熱光開關(guān)在1550nm下進(jìn)行了測試，從不同波導(dǎo)尺寸熱光開關(guān)的穩(wěn)態(tài)特性測試可以看出，在波導(dǎo)橫截面最佳尺寸為2.5μm×2.5μm時(shí)，開關(guān)的驅(qū)動(dòng)功率僅為4mW，消光比高達(dá)29.6dB。從開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性測試可以看出，開關(guān)10-90%的上升時(shí)間73.5μs，90-10%的下降時(shí)間為96.5μs。2)與1×1MZI熱光開關(guān)采用相同的濕法腐蝕工藝和同樣的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)體系，制備了有機(jī)無機(jī)復(fù)合波導(dǎo)1×2多模干涉(MMI)MZI熱光開關(guān)。通過測試得到此熱光開關(guān)的開關(guān)功率是9.6mW，在交叉態(tài)的串?dāng)_是-23dB，上升和下降時(shí)間分別為264μs和444μs。3)為了利于波導(dǎo)之間的耦合，采用ICP刻蝕工藝制備了脊形波導(dǎo)1×2定向耦合器(DC)MZI熱光開關(guān)。通過測試得到此器件的開關(guān)功率是10.7mW，在交叉態(tài)和直通態(tài)的串?dāng)_分別是-11.5dB和-23dB，器件1端口10%-90%上升時(shí)間是170μs，90%-10%下降時(shí)間是560μs，2端口10%-90%上升時(shí)間是200μs，，90%-10%下降時(shí)間是560μs。4)同樣利用了脊形波導(dǎo)的耦合，為了減少S型波導(dǎo)對3-dB耦合器耦合系數(shù)的影響，優(yōu)化了其尺寸。通過ICP刻蝕工藝制備了2×2DC-MZI熱光開關(guān)，測試得到器件的功耗為7.2mW，在交叉態(tài)和直通態(tài)的串?dāng)_分別是-22.8dB和-26.5dB。兩個(gè)輸出端口在ON狀態(tài)下總的纖纖損耗分別為14.5dB和16.2dB。纖纖插入損耗包括兩個(gè)單模光纖與波導(dǎo)的耦合損耗和器件上的傳輸損耗，通過截?cái)喾ǹ蓽y得波導(dǎo)的傳輸損耗約為2.0dB cm-1。 3、研究了有機(jī)無機(jī)復(fù)合波導(dǎo)1×1MZI和2×2DC-MZI熱光開關(guān)的容噪特性，提出容噪特性測試法。對于消光比高達(dá)32.6dB的1×1MZI熱光開關(guān)，忽略了溫度變化和開關(guān)引起的電壓波動(dòng)，假設(shè)通信系統(tǒng)可接受的最小消光比ERm in大于10dB時(shí),器件所能允許的最大噪聲幅值允許量是1.1V。對于在交叉態(tài)和直通態(tài)的串?dāng)_分別是-22.8dB和-26.5dB的2×2DC-MZI熱光開關(guān)，當(dāng)疊加了一個(gè)頻率為2KHz、峰峰值為2.5V的方波噪聲信號，開關(guān)最小的消光比大約為11.3dB，當(dāng)疊加一個(gè)頻率為5kHz、峰峰值為2.5V的方波噪聲信號時(shí)，開關(guān)的最小消光比增加到24.1dB。通過進(jìn)一步的測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噪聲頻率相同時(shí)，熱光開關(guān)最小消光比隨著噪聲峰峰Vn oise的增大而減�。划�(dāng)噪聲幅值相同時(shí)，熱光開關(guān)最小消光比隨著頻率的增大而減小。但是當(dāng)噪聲頻率足夠大時(shí)，器件的最小消光比變化不大，證明器件達(dá)到了其噪聲截止頻率。 4、提出了一種有機(jī)無機(jī)復(fù)合波導(dǎo)2×2全內(nèi)反射熱光開關(guān)。當(dāng)從1端口輸入時(shí)，開關(guān)在交叉態(tài)和直通態(tài)的串?dāng)_分別為-24dB和-26dB；當(dāng)從2端口輸入時(shí)，開關(guān)在交叉態(tài)和直通態(tài)的串?dāng)_分別為-25.7dB和-26.3dB；開關(guān)在大于26dB時(shí)的功耗約為100mW。通過優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸，器件的功耗降低到59.7mW，在交叉態(tài)和直通態(tài)下的串?dāng)_分別為-27.6dB和-35dB。當(dāng)拓?fù)涞娜珒?nèi)反射開關(guān)陣列是阻塞型的，需要2N11個(gè)2×2全內(nèi)反射開關(guān)級聯(lián)而成；當(dāng)拓?fù)涞娜珒?nèi)反射開關(guān)陣列是榕樹型無阻塞N×N開關(guān)陣列，需要N2個(gè)2×2全內(nèi)反射開關(guān)級聯(lián)。 5、針對一般MZI熱光開關(guān)光譜很窄的缺點(diǎn)，提出了一種寬光譜熱光開關(guān)。此器件含有一個(gè)由相位發(fā)生器(PGC)和兩個(gè)DC組成3-dB耦合器，它與傳統(tǒng)3-dB耦合器不同，隨著波長的漂移相位差會(huì)產(chǎn)生漂移，而這種漂移在一定范圍內(nèi)能補(bǔ)償熱光調(diào)制區(qū)因波長漂移產(chǎn)生的相位漂移。模擬結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的寬光譜熱光開關(guān)的兩個(gè)輸出端口在110nm的波長范圍內(nèi)，消光比都大于30dB。而傳統(tǒng)的MZI型熱光開關(guān)的輸出功率譜只有50-60nm，也就是說，本文設(shè)計(jì)的寬光譜熱光開關(guān)的光譜比傳統(tǒng)MZI型熱光開關(guān)寬了近一倍。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.1

【共引文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張志強(qiáng);任建華;沈樹群;趙同剛;;基于線偏振模的多模耦合分析[J];北京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2010年10期

2 黃春雄;陳海燕;;單壁碳納米管包層平面光波導(dǎo)分析[J];長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)理工卷;2010年02期

3 唐婷婷;陳福深;;有損耗左手介質(zhì)平板波導(dǎo)的研究[J];材料導(dǎo)報(bào);2009年18期

4 梁磊;閆云飛;孫小強(qiáng);馬春生;張大明;鄭傳濤;;低功耗有機(jī)/無機(jī)混合結(jié)構(gòu)熱光開關(guān)的研制[J];光電子.激光;2012年07期

5 喻平;江曉清;楊建義;王明華;;三層介質(zhì)平板光波導(dǎo)的最小光斑[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2010年12期

6 樂孜純;李銳;胡勁華;董文;;垂直耦合結(jié)構(gòu)納米微環(huán)諧振器工藝失準(zhǔn)分析[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2011年12期

7 呂W

本文編號：1616744