小型化聚合物热光开关及开关阵列的设计与实现

摘要

光开关及光开关阵列作为光通讯系统的重要组成部分，具有通断和切断光路的功能，起着保护光路，波长选择及路由选择的作用，并被广泛地应用于光波分复用(WDM)和光交叉连接器(OXC)中。而有机聚合物材料因其较高的热光系数、低廉的制作成本、光波导加工工艺简单等优点，成为制备光波导器件的理想材料之一，具有广阔的应用前景。随着信息化的快速发展，基于光子的光通信行业也迎来了新的发展要求，光通信器件逐渐向着小型化、低功耗、高速度等方向发展，常见有机聚合物材料所形成的光通信器件，其功耗相对较低，但尺寸较大。本文通过使用折射率差较大的聚合物材料，合理设计器件的结构，能有效降低器件的尺寸，形成低功耗结构紧凑型的聚合物热光开关。 本文首先分析了介质平板波导理论，研究了MMI耦合器的工作原理以及材料的热光效应。基于这些理论分析，本文选用了树脂类聚合物材料中折射率差较大的LFR372和ZPU46分别作为波导包层和芯层材料，设计了小尺寸低功耗的2×2MMI-MZI聚合物热光开关。模拟结果显示，光开关器件的功耗仅为7.6mW，串扰为-30dB，开关速度在亚毫秒量级。利用旋转涂覆法、紫外固化工艺、真空镀铝、光刻、反应离子刻蚀(RIE)、套刻电极、切割、研磨抛光等传统微电子加工工艺，成功制备了聚合物波导光开关器件。之后利用六维对准平台对其动态特性和静态特性分别进行测试，测试结果表明，利用聚合物较大的热光系数以及所选取的较大的折射率差，不但能得到低功耗光开关，还能大大减小器件的尺寸，2×2开关的有效尺寸仅为1.76mm×0.127mm。实验测得的2×2MMI-MZI热光开关的功耗为8.8mW，串扰为-24.0dB，开关时间为820μs，实验制备得到的光开关与模拟得到的结果相符合。 最后利用该2×2MMI-MZI热光开关结构设计并制备了小尺寸的4×4光开关阵列。该开关阵列的有效长度仅为4.77mm。通过微加工工艺成功制备了4×4聚合物光开关阵列。通过测试，开关阵列的最大功耗为26.6mW，串扰为-11.4dB，能基本实现4×4的开关阵列功能。

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