有机聚合物波导光开关理论与实验研究

摘要

光交叉连接（OXC）和光上下路复用（OADM）模块是构成全光网的核心器件，而光开关则是这两种模块的基本构成单元，在全光网（AON）中起着不可替代的作用。由于全光网对信息传递、处理速率的要求，需要响应快速、性能优良、成本低廉的光开关。近年来备受关注的有机聚合物波导光开关能够满足全光网对器件的要求，逐渐成为了国际上的研究热点。本文主要对有机聚合物波导光开关进行了理论和实验研究工作。 本文研究了有效折射率方法（EIM）以及有限差分光束传输算法（FD-BPM），并利用C++语言编写了能够对波导器件进行设计和优化的FD-BPM模拟软件。文中详细讨论了热光效应及热光开关工作机理，对已有的温度场分析公式进行了修正，同时讨论了电极与波导芯层间距对传输损耗的影响，开关时间的估算方法等。 本文设计了1×1，1×2和2×2热光开关器件结构，针对传统结构的热光开关存在着串扰大、尺寸大、驱动复杂、插损大等缺点，提出了一种低串扰热光开关，以及一种基于阵列波导光栅（AWG）结构的热光开关设计方案。并利用FD-BPM对这两种器件的工作特性进行了模拟验证。 基于有机聚合物材料电光性质，本文设计了马赫——泽德干涉（MZI）结构的1×1，1×2和2×2电光开关。提出了一种基于垂直集成的低损耗电光开关、同时提出了一种基于MZI非对称结构的低串扰电光开关设计方案。 本文最后利用旋转涂覆工艺、镀膜工艺、光刻工艺、反应离子刻蚀工艺等工艺，在实验上成功制备了有机聚合物波导光开关芯片。测试结果显示1×1光开关插入损耗约为7．68dB，消光比大于23dB，开光时间小于2．8ms。测试结果验证了设计思想，为光开关的产品化奠定了实验基础。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1 光开关在光通讯网络中的应用

1.2 光开关的主要类型

1.2.1 机械式光开关

1.2.2 非机械式光开关

1.3 光开关波导材料的发展状况

1.3.1 常见光开关波导材料比较

1.3.2 有机聚合物波导材料及加工工艺的研究进展

1.4 有机聚合物波导光开关的研究进展

1.5 本论文的主要研究内容和创新点

参考文献

第二章 光波导器件设计的算法与软件实现

2.1 介质平板波导

2.1.1 平板光波导的几何光学模型

2.1.2 平板波导的电磁理论

2.2 三维光波导的分析方法

2.2.1 矩形介质光波导的马卡提里近似解法

2.2.2 等效折射率法近似

2.2.3 矩形波导截面尺寸设计

2.3 有限差分光束传输算法

2.3.1 Finite—Difference BPM公式表示

2.3.2 透明边界条件(TBC，Transparent Boundary Condition)

2.3.3 利用帕德(Padé)近似算子的宽角分析

2.4 FD—BPM程序的实现

2.4.1 傍轴近似

2.4.2 Padé(2,2)阶近似

2.5 FD—BPM模拟仿真软件的编写

2.5.1 程序设计流程图

2.5.2 二维FD—BPM模拟软件的功能介绍

2.6 本章小结

参考文献

第三章 有机聚合物热光开关的设计

3.1 热光开关的调制机理

3.1.1 热光效应

3.1.2 热传导及热场分析

3.1.3 加热电极

3.1.4 开关时间

3.2 波导热光开关的基本工作原理

3.2.1 耦合模理论

3.2.2 MZI结构光开关的基本工作原理

3.2.3 Y分支DOS结构光开关的基本工作原理

3.3 传统波导结构热光开关的设计

3.3.1 光开关中波导结构设计步骤

3.3.2 MZI结构热光开关的设计

3.3.3 Y结DOS结构1 ×2 热光开关的设计

3.4 新型波导结构热光开关的设计

3.4.1 低串扰热光开关的设计

3.4.2 基于阵列波导结构的1 ×N热光开关设计

3.5 本章小结

参考文献

第四章 有机聚合物电光开关的设计

4.1 聚合物的极化

4.1.1 极化概述

4.1.2 极化的方法

4.1.3 极化聚合物的类型

4.2 极化聚合物的线性电光效应

4.3 聚合物电光开关基本工作原理

4.4 传统波导结构电光开关的设计

4.4.1 MZI结构电光开关光波导结构参数设计

4.4.21 ×1 的电光开关设计

4.4.31 ×2 的电光开关设计

4.4.42 ×2 的电光开关设计

4.5 新型波导结构电光开关的设计

4.5.1 基于垂直集成的低损耗电光开关设计

4.5.2 基于非对称MZI结构的低串扰电光开关设计

4.6 本章小结

参考文献

第五章 聚合物波导光开关的制备及工作特性分析

5.1 聚合物波导光开关器件的制备

5.1.1 器件工艺流程

5.1.2 实验设备、试验过程及结果

5.2 光波导特性参数的表征

5.2.1 棱镜—波导耦合系统工作原理

5.2.2 光波导薄膜厚度和折射率的测量

5.2.3 聚合物薄膜传输损耗的测量

5.2.4 聚合物薄膜热光系数的测量

5.2.5 光波导特征参数测试结果

5.3 波导器件测试系统及相关器件参数定义

5.3.1 波导器件测试系统

5.3.2 波导器件工作特性参数定义

5.4 聚合物波导器件的测试

5.4.1 聚合物直波导的测试

5.4.2 聚合物热光开关特性参数的测量

5.5 光开关存在的问题及改进方案

5.5.1 直波导插入损耗的分析及改善途径

5.5.2 光开关工作特性的分析及改善途径

5.6 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

攻读博士学位期间的研究论文和专利成果

致谢