高速有机聚合物波导热光开关的研制

摘要

在全光网络中有很多种光交换技术，包括二维或者三维的微型光机电系统(MOEMS)、波导结构、液晶、声光等光开关。其中，波导光开关是基于折射率的控制或者吸收变化来影响光的传输，具有一定的经济性。若将多个光开关单元器件集成在一个基片上，则可以减少单个功能的成本，同时提高了稳定性。波导热光开关是利用热光效应调制折射率的器件，具有尺寸小，可扩展性大的特点，而它的低串扰和低插损特性适用于绝大多数光交换技术的应用。有机聚合物材料具有热光系数大的突出优势，可以实现相位调制所需的低功耗。同时材料的传输损耗小、制备工艺简单，成本低廉，有着非常广阔的市场前景，成为一类极具研究吸引力的集成光波导材料。
　　本文首先阐述了热光开关的工作原理，然后选用韩国ChemOptics公司的紫外固化氟化丙烯酸酯类ZPU系列材料，利用有效折射率法、光束传播法对聚合物热光开关进行了设计和优化。分别设计出了基于聚合物下包以及基于二氧化硅下包的MMI型热光开关，同时对结构尺寸进行了优化，并分别计算了两种结构的开关时间响应特性。接着，本文利用旋转涂覆、光刻、刻蚀等工艺流程分别制备出了这两种类型的聚合物热光开关器件。提出了通过预甩上包来降低Al掩膜引起的传输损耗，并在实验上证实了该方案的可行性并达到了预期效果。本文分别对这两种波导器件的静态和动态特性进行了测试。得到聚合物下包1×2热光开关插入损耗小于9.4dB，串扰大于19.3dB，开关时间小于1.15ms;二氧化硅下包1×2热光开关插入损耗小于9.9dB，串扰大于16.5dB，开关时间小于0.65ms。试验结果表明，利用二氧化硅材料作下包层，能够大大提高开关速度。本文最后还利用光开关单元级联实现了二氧化硅下包的1×4热光开关阵列的设计与制备。测试结果为:插入损耗小于12.9dB，串扰大于18.5dB。实验测试结果很好地验证了设计的思想。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光开关概述

1．1．1 光开关的应用概述

1．1．2 光开关的主要类型

1．2 光开关波导材料概述

1．2．1 常见光开关波导材料

1．2．2 有机聚合物光波导加工工艺

1．3 热光开关的研究进展

1．3．1 数字型热光开关

1．3．2 干涉型热光开关

1．4 本文的工作内容

第二章 聚合物热光开关的结构设计

2．1 热光效应

2．2 介质平板波导

2．2．1 平板光波导的线光学模型

2．2．2 平板波导的电磁理论

2．3 MMI型聚合物热光开关的设计

2．3．1 MMI型光开关的基本原理

2．3．2 矩形波导单模条件及尺寸的确定

2．3．3 MMI型1×2热光开关的结构设计

2．4 本章小结

第三章 聚合物热光开关的制备

3．1 制备工艺流程及设备

3．1．1 工艺流程简述

3．1．2 设备仪器说明

3．2 具体实验步骤

3．2．1 基片清洗

3．2．2 旋转涂覆ZAP1020材料

3．2．3 旋转涂覆下包层

3．2．4 旋转涂覆芯层

3．2．5 真空阻蒸蒸镀Al掩膜层

3．2．6 光刻

3．2．7 刻蚀

3．2．8 电极制备

3．2．9 端面处理

3．2．10 粘电极

3．3 实验中的改进措施

3．4 本章小结

第四章 聚合物热光开关的测试

4．1 光开关工作特性参数

4．2 热光开关的测试

4．2．1 直波导的测试

4．2．2 1×2热光开关特性参数的测量

4．2．3 1×4热光开关特性参数的测量

4．3 光开关存在的问题及对策

4．4 本章总结

总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢