本文選題：熱光開關　切入點：聚合物　出處：《吉林大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：光開關及其陣列在光通信網(wǎng)絡中具有重要的應用，如微光機電系統(tǒng)(MOEMS)光開關、液晶光開關等。與上述光開關相比，波導光開關由于沒有機械移動部件，因而在可靠性方面具有明顯優(yōu)勢和潛在應用價值。在波導光開關中，熱光開關體積小、可擴性強、穩(wěn)定性好，是光開關領域的研究熱點之一。響應時間和功耗是熱光開關的主要性能指標，研制響應速度快、功耗低的熱光開關一直是人們追求的目標。 近年來，為了加快響應時間并降低功耗，人們相繼報道了Si/SiO2熱光開關和全聚合物熱光開關。硅材料具有大的導熱系數(shù)，因此Si/SiO2熱光開關響應速度快，但是其開關功耗一般較高。為了解決無機波導熱光開關功耗大的缺點，雖然人們研究了各種類型的波導結構(如懸浮型波導結構)，但是，器件的制作工藝相當復雜，而且實驗效果不是十分理想。與無機材料熱光開關相比，聚合物熱光開關具有功耗低和制作工藝簡單的優(yōu)勢，其缺點是響應時間較長，一般為ms量級。 鑒于上述兩類熱光開關的優(yōu)缺點，為了使器件兼具低的功耗和快的響應速度，人們研究了一類有機/無機混合結構的熱光開關。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、無機材料SiO2作為下包層、Si材料作為襯底，制備了多種有機/無機混合結構熱光開關。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速率，同時由于SiO2材料的導熱系數(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間。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下： 1、從麥克斯韋方程出發(fā)，得到電磁場全矢量、半矢量、標量本征方程和邊界條件，利用有限差分法推導出它們的有限差分形式，將此方法應用到矩形波導和脊形波導的模式分析中，并將三個有限差分法的計算結果做了對比；從橫向亥姆赫茲方程出發(fā)得到三層平板波導光場強度分布的解析形式和模式有效折射率，并將其應用到有效折射率法中，推導出矩形和脊形波導的模式有效折射率；采用解析法和有限差分法對二維狹縫(slot)波導模式作了分析，采用半矢量有限差分法對三維狹縫波導作了分析；推導固體熱傳導方程的一般形式和穩(wěn)態(tài)形式，并利用合適的差分網(wǎng)格推導出穩(wěn)態(tài)熱傳導方程的有限差分形式。 2、針對聚合物材料有熱光系數(shù)大、導熱系數(shù)小、制備工藝簡單和成本低的特點，而無機材料具有熱光系數(shù)相對較小、導熱系數(shù)大、制備工藝相對復雜且成本相對較高的特點，提出了有機無機復合波導結構，制備了不同類型的馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)型熱光開關：1)采用濕法腐蝕工藝，充分利用有機無機材料的優(yōu)點，分別以聚合物材料SU-8和PMMA為波導的芯層和上包層，以無機材料SiO2為下包層，制備了1×1MZI熱光開關。通過優(yōu)化設計，確定波導上下包層厚度的理論最佳值，分別為3μm和2μm。利用數(shù)字計算方法給出了熱光開關光場和熱場的分布。對制備好的熱光開關在1550nm下進行了測試，從不同波導尺寸熱光開關的穩(wěn)態(tài)特性測試可以看出，在波導橫截面最佳尺寸為2.5μm×2.5μm時，開關的驅(qū)動功率僅為4mW，消光比高達29.6dB。從開關的動態(tài)特性測試可以看出，開關10-90%的上升時間73.5μs，90-10%的下降時間為96.5μs。2)與1×1MZI熱光開關采用相同的濕法腐蝕工藝和同樣的波導結構體系，制備了有機無機復合波導1×2多模干涉(MMI)MZI熱光開關。通過測試得到此熱光開關的開關功率是9.6mW，在交叉態(tài)的串擾是-23dB，上升和下降時間分別為264μs和444μs。3)為了利于波導之間的耦合，采用ICP刻蝕工藝制備了脊形波導1×2定向耦合器(DC)MZI熱光開關。通過測試得到此器件的開關功率是10.7mW，在交叉態(tài)和直通態(tài)的串擾分別是-11.5dB和-23dB，器件1端口10%-90%上升時間是170μs，90%-10%下降時間是560μs，2端口10%-90%上升時間是200μs，，90%-10%下降時間是560μs。4)同樣利用了脊形波導的耦合，為了減少S型波導對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，測試得到器件的功耗為7.2mW，在交叉態(tài)和直通態(tài)的串擾分別是-22.8dB和-26.5dB。兩個輸出端口在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單模光纖與波導的耦合損耗和器件上的傳輸損耗，通過截斷法可測得波導的傳輸損耗約為2.0dB cm-1。 3、研究了有機無機復合波導1×1MZI和2×2DC-MZI熱光開關的容噪特性，提出容噪特性測試法。對于消光比高達32.6dB的1×1MZI熱光開關，忽略了溫度變化和開關引起的電壓波動，假設通信系統(tǒng)可接受的最小消光比ERm in大于10dB時,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)的串擾分別是-22.8dB和-26.5dB的2×2DC-MZI熱光開關，當疊加了一個頻率為2KHz、峰峰值為2.5V的方波噪聲信號，開關最小的消光比大約為11.3dB，當疊加一個頻率為5kHz、峰峰值為2.5V的方波噪聲信號時，開關的最小消光比增加到24.1dB。通過進一步的測試發(fā)現(xiàn)，當噪聲頻率相同時，熱光開關最小消光比隨著噪聲峰峰Vn oise的增大而減��；當噪聲幅值相同時，熱光開關最小消光比隨著頻率的增大而減小。但是當噪聲頻率足夠大時，器件的最小消光比變化不大，證明器件達到了其噪聲截止頻率。 4、提出了一種有機無機復合波導2×2全內(nèi)反射熱光開關。當從1端口輸入時，開關在交叉態(tài)和直通態(tài)的串擾分別為-24dB和-26dB；當從2端口輸入時，開關在交叉態(tài)和直通態(tài)的串擾分別為-25.7dB和-26.3dB；開關在大于26dB時的功耗約為100mW。通過優(yōu)化波導結構尺寸，器件的功耗降低到59.7mW，在交叉態(tài)和直通態(tài)下的串擾分別為-27.6dB和-35dB。當拓撲的全內(nèi)反射開關陣列是阻塞型的，需要2N11個2×2全內(nèi)反射開關級聯(lián)而成；當拓撲的全內(nèi)反射開關陣列是榕樹型無阻塞N×N開關陣列，需要N2個2×2全內(nèi)反射開關級聯(lián)。 5、針對一般MZI熱光開關光譜很窄的缺點，提出了一種寬光譜熱光開關。此器件含有一個由相位發(fā)生器(PGC)和兩個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產(chǎn)生漂移，而這種漂移在一定范圍內(nèi)能補償熱光調(diào)制區(qū)因波長漂移產(chǎn)生的相位漂移。模擬結果顯示，所設計的寬光譜熱光開關的兩個輸出端口在110nm的波長范圍內(nèi)，消光比都大于30dB。而傳統(tǒng)的MZI型熱光開關的輸出功率譜只有50-60nm，也就是說，本文設計的寬光譜熱光開關的光譜比傳統(tǒng)MZI型熱光開關寬了近一倍。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.1

【共引文獻】

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