【摘要】：隨著光纖通信技術(shù)的問(wèn)世和迅速發(fā)展,通信領(lǐng)域產(chǎn)生了前所未有的巨大變革。大容量、高速度、低損耗、高可靠性的光開(kāi)關(guān)將扮演越來(lái)越重要的角色,并將為通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。光開(kāi)關(guān)是光插分復(fù)用器和光交叉互聯(lián)設(shè)備的核心元件,并在光纖網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)保護(hù)倒換、批量檢測(cè)光學(xué)器件、在線監(jiān)測(cè)等許多功能。熱光開(kāi)關(guān)由于具有尺寸小、延展性強(qiáng)、長(zhǎng)周期穩(wěn)定性好,利于集成等許多優(yōu)點(diǎn)而引起了人們極大的興趣。而且它的串?dāng)_、插入損耗、開(kāi)關(guān)時(shí)間等特性參數(shù)也能夠滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域的要求,因而受到廣泛的關(guān)注。本文就是以聚合物材料為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)、制備了熱光開(kāi)關(guān)器件,并對(duì)其特性進(jìn)行了研究。論文主要進(jìn)行了以下工作:1.用電磁理論方法研究了光在波導(dǎo)中的傳輸特性。從麥克斯韋方程組出發(fā),推導(dǎo)出了光的波動(dòng)方程以及平板波導(dǎo)的橫向亥姆霍茲方程;用有效折射率法分別對(duì)三層平板波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)和脊型波導(dǎo)進(jìn)行了模式分析,推導(dǎo)出了TE導(dǎo)模和TM導(dǎo)模的特征方程,從而計(jì)算出了這兩種不同模式下的有效折射率;對(duì)熱光效應(yīng)進(jìn)行了介紹,因?yàn)榫酆衔锊牧暇哂休^大的熱光系數(shù)和較小的熱傳導(dǎo)系數(shù),因此是制備熱光器件波導(dǎo)的比較理想的材料;通過(guò)求解熱傳導(dǎo)的速率方程,即傅里葉定律,得到了熱擴(kuò)散方程的普遍形式,由此得到了穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程;給出了定溫表面、定熱流密度表面和對(duì)流條件表面三類最常見(jiàn)的邊界條件;介紹了MZI型熱光開(kāi)關(guān)的工作原理,推導(dǎo)出了輸出光強(qiáng)的表達(dá)式。2.設(shè)計(jì)并制備了硅基聚合物波導(dǎo)MZI熱光開(kāi)關(guān)。由于SU-8光刻膠具有熱光系數(shù)大、透明性高,力學(xué)性能良好、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),因此我們選擇它作為波導(dǎo)芯層;聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料價(jià)格低廉、易于自主合成、介電性能好、易于形成良好的薄膜,而且薄膜厚度和折射率易于調(diào)節(jié),和芯層材料SU-8的折射率也比較匹配,所以被選做包層材料;Si O2材料由于其熱導(dǎo)率高,為了提高器件的響應(yīng)速度,可以使用它作為下包層。根據(jù)已知的邊界條件和初始條件求解了熱傳導(dǎo)方程,確定了不同條件下的熱場(chǎng)分布,從而給出了加熱電極的設(shè)計(jì)原則,在滿足工藝要求下,設(shè)計(jì)的電極盡量窄些,有利于提高電極的加熱效率;對(duì)有機(jī)無(wú)機(jī)混合矩型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的MZI型熱光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使波導(dǎo)滿足單模傳輸條件,并對(duì)其光場(chǎng)和熱場(chǎng)進(jìn)行了分析,給出了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù),盡量減小熱光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)功率,增加響應(yīng)速度,并給出了矩形波導(dǎo)熱光開(kāi)關(guān)的制備流程;對(duì)脊型波導(dǎo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化,分別對(duì)PMMA材料作為下包層和Si O2材料作為下包層的兩種脊型波導(dǎo)的熱光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了光場(chǎng)和熱場(chǎng)的模擬分析,結(jié)果表明PMMA材料作為下包層的熱光開(kāi)關(guān)確實(shí)有比較小的開(kāi)關(guān)功率,而Si O2材料作為下包層的熱光開(kāi)關(guān)具有較短的開(kāi)關(guān)時(shí)間;還對(duì)脊型波導(dǎo)的制備流程進(jìn)行了介紹。3.因?yàn)楹蚐i O2材料相比,PMMA材料具有較小的熱導(dǎo)率,因而采用PMMA材料作為下包層的熱光開(kāi)關(guān)具有較低的開(kāi)關(guān)功率和較慢的響應(yīng)速度,而采用Si O2材料作為下包層的熱光開(kāi)關(guān)具有較高的開(kāi)關(guān)功率和較快的響應(yīng)速度,針對(duì)這一矛盾,具有空氣槽的聚合物/二氧化硅混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān)被提出。對(duì)這種新結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并通過(guò)模擬對(duì)這三種不同的開(kāi)關(guān)進(jìn)行了比較分析,分析發(fā)現(xiàn),因?yàn)橛辛丝諝獠劢Y(jié)構(gòu),由于Si O2材料取代PMMA材料作為下包層所引起的熱量的損耗被完全彌補(bǔ)了,這種結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān)可以具有非常小的開(kāi)關(guān)功率;對(duì)有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了制備,并對(duì)其靜態(tài)特性參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,在1550 nm波長(zhǎng)下,熱光開(kāi)關(guān)的纖纖插入損耗為9.6 d B,開(kāi)關(guān)功率為3.4 m W,消光比為29.6 d B,10%-90%的上升時(shí)間為183.1μs,下降時(shí)間為139.9μs;將測(cè)試結(jié)果與沒(méi)有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了對(duì)比分析,其開(kāi)關(guān)功率明顯低于沒(méi)有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān);最后對(duì)有空氣槽和沒(méi)有空氣槽兩種結(jié)構(gòu)的表面熱場(chǎng)分布進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比分析,直觀地反映了有空氣槽結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)具有非常好的聚熱能力。4.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱光開(kāi)關(guān)的工作溫度對(duì)熱光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)功率、消光比、Al電極電阻以及插入損耗的影響,結(jié)果表明工作溫度對(duì)熱光開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間、消光比及Al電極電阻幾乎沒(méi)有影響,而對(duì)下降時(shí)間和開(kāi)關(guān)功率的影響主要是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)加熱器位于樣品的下方,不利于熱量的散失引起的;插入損耗在較低溫時(shí)不受溫度的影響,而在較高溫時(shí)(50℃以上),隨著溫度的升高,插入損耗有所下降。通過(guò)對(duì)熱光開(kāi)關(guān)施加脈沖,使其長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)開(kāi)關(guān)工作,在連續(xù)反復(fù)開(kāi)關(guān)一千五百萬(wàn)次以上仍然能穩(wěn)定地工作;在25℃-85℃之間進(jìn)行溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn),反復(fù)10次后,器件沒(méi)有裂痕,插入損耗沒(méi)有發(fā)生改變,驗(yàn)證了其可靠性能良好;對(duì)熱光開(kāi)關(guān)的偏振相關(guān)損耗進(jìn)行了測(cè)試,指出脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān)比矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān)具有更大的偏振依賴性;最后,對(duì)熱光開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,我們制備的硅基聚合物熱光開(kāi)關(guān)具備較好的穩(wěn)定性和可靠性。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN253

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本文編號(hào)：2729029