基于微流控技术光开关有限元方法分析与研究

摘要

光开关是新一代全光网络的关键器件，主要用来实现全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。目前应用较多的光开关有：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交换介质可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。基于MEMS光开关交换技术的解决方案已广泛应用于骨干网或大型交换网，但机械式光开关开关时间较长，一般为毫秒量级，有的还存在回跳抖动和重复性差的问题。本文提出的微流控光开关将现代微流控技术和微光电子技术相结合，通过电控方法改变微流控芯片波导结构，实现光路变化。因此具有良好的可靠性，和MEMS相比其没有机械损耗，使用的开关次数更多、可重复性好、结构简单、有利于光开关集成化、微型化及制作。
　　 本研究应用电磁场理论推导平面波导中电磁场的模式、模场特性及光在波导层的传输功率，用马卡梯里近似方法求解条形波导电磁场近似解，由边界条件得到本征值方程，分析了条形波导横向电磁场的分布特性，讨论了单模传输条件。提出了一类新型基于微流控技术光开关的设计，应用PDMS材料特性，通过电控方式实现光开关功能。基于光开关特殊的波导结构，论文采用有限法对光开关不同结构的波导层电场进行了数值求解，在ANSYS软件环境下建立了光开关的实体模型、有限元分析模型，并研究和选取了合适的边界条件和激励。在此基础上，通过计算仿真得到光波导层相应的电场分布，对光开关波导层的结构进行分析和优化，优化后各电场分量的幅值均有不同程度的提高，为后续光开关的进一步研究和制作奠定理论基础。有限元法凭借其对光波导任意形状的适应性、高的计算精度等特点，将在光波导分析中起到越来越重要的作用。因此，探索光波导有限元分析方法，建立相应的数学模型，研究实用的设计软件，具有极其重要的意义，所获得结果必将对光波导器件的分析和研究起到指导作用。