【摘要】：隨著光纖通信技術的問世和迅速發(fā)展,通信領域產(chǎn)生了前所未有的巨大變革。大容量、高速度、低損耗、高可靠性的光開關將扮演越來越重要的角色,并將為通信技術的進一步發(fā)展發(fā)揮越來越重要的作用。光開關是光插分復用器和光交叉互聯(lián)設備的核心元件,并在光纖網(wǎng)絡中能夠?qū)崿F(xiàn)自動保護倒換、批量檢測光學器件、在線監(jiān)測等許多功能。熱光開關由于具有尺寸小、延展性強、長周期穩(wěn)定性好,利于集成等許多優(yōu)點而引起了人們極大的興趣。而且它的串擾、插入損耗、開關時間等特性參數(shù)也能夠滿足許多應用領域的要求,因而受到廣泛的關注。本文就是以聚合物材料為基礎,設計、制備了熱光開關器件,并對其特性進行了研究。論文主要進行了以下工作:1.用電磁理論方法研究了光在波導中的傳輸特性。從麥克斯韋方程組出發(fā),推導出了光的波動方程以及平板波導的橫向亥姆霍茲方程;用有效折射率法分別對三層平板波導、矩形波導和脊型波導進行了模式分析,推導出了TE導模和TM導模的特征方程,從而計算出了這兩種不同模式下的有效折射率;對熱光效應進行了介紹,因為聚合物材料具有較大的熱光系數(shù)和較小的熱傳導系數(shù),因此是制備熱光器件波導的比較理想的材料;通過求解熱傳導的速率方程,即傅里葉定律,得到了熱擴散方程的普遍形式,由此得到了穩(wěn)態(tài)熱傳導方程;給出了定溫表面、定熱流密度表面和對流條件表面三類最常見的邊界條件;介紹了MZI型熱光開關的工作原理,推導出了輸出光強的表達式。2.設計并制備了硅基聚合物波導MZI熱光開關。由于SU-8光刻膠具有熱光系數(shù)大、透明性高,力學性能良好、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,因此我們選擇它作為波導芯層;聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料價格低廉、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材料由于其熱導率高,為了提高器件的響應速度,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方程,確定了不同條件下的熱場分布,從而給出了加熱電極的設計原則,在滿足工藝要求下,設計的電極盡量窄些,有利于提高電極的加熱效率;對有機無機混合矩型波導結(jié)構(gòu)的MZI型熱光開關進行了結(jié)構(gòu)設計,使波導滿足單模傳輸條件,并對其光場和熱場進行了分析,給出了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù),盡量減小熱光開關的開關功率,增加響應速度,并給出了矩形波導熱光開關的制備流程;對脊型波導進行了設計和優(yōu)化,分別對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的熱光開關進行了光場和熱場的模擬分析,結(jié)果表明PMMA材料作為下包層的熱光開關確實有比較小的開關功率,而Si O2材料作為下包層的熱光開關具有較短的開關時間;還對脊型波導的制備流程進行了介紹。3.因為和Si O2材料相比,PMMA材料具有較小的熱導率,因而采用PMMA材料作為下包層的熱光開關具有較低的開關功率和較慢的響應速度,而采用Si O2材料作為下包層的熱光開關具有較高的開關功率和較快的響應速度,針對這一矛盾,具有空氣槽的聚合物/二氧化硅混合波導結(jié)構(gòu)的熱光開關被提出。對這種新結(jié)構(gòu)的熱光開關進行了設計,并通過模擬對這三種不同的開關進行了比較分析,分析發(fā)現(xiàn),因為有了空氣槽結(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了,這種結(jié)構(gòu)的熱光開關可以具有非常小的開關功率;對有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光開關進行了制備,并對其靜態(tài)特性參數(shù)和動態(tài)特性參數(shù)進行了測試,在1550 nm波長下,熱光開關的纖纖插入損耗為9.6 d B,開關功率為3.4 m W,消光比為29.6 d B,10%-90%的上升時間為183.1μs,下降時間為139.9μs;將測試結(jié)果與沒有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光開關進行了對比分析,其開關功率明顯低于沒有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光開關;最后對有空氣槽和沒有空氣槽兩種結(jié)構(gòu)的表面熱場分布進行了測試和對比分析,直觀地反映了有空氣槽結(jié)構(gòu)的波導具有非常好的聚熱能力。4.通過實驗驗證了熱光開關的工作溫度對熱光開關的開關時間、開關功率、消光比、Al電極電阻以及插入損耗的影響,結(jié)果表明工作溫度對熱光開關的上升時間、消光比及Al電極電阻幾乎沒有影響,而對下降時間和開關功率的影響主要是由于實驗時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不受溫度的影響,而在較高溫時(50℃以上),隨著溫度的升高,插入損耗有所下降。通過對熱光開關施加脈沖,使其長時間連續(xù)開關工作,在連續(xù)反復開關一千五百萬次以上仍然能穩(wěn)定地工作;在25℃-85℃之間進行溫度循環(huán)實驗,反復10次后,器件沒有裂痕,插入損耗沒有發(fā)生改變,驗證了其可靠性能良好;對熱光開關的偏振相關損耗進行了測試,指出脊形波導結(jié)構(gòu)的熱光開關比矩形波導結(jié)構(gòu)的熱光開關具有更大的偏振依賴性;最后,對熱光開關的長期穩(wěn)定性進行了測試。測試結(jié)果表明,我們制備的硅基聚合物熱光開關具備較好的穩(wěn)定性和可靠性。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN253

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本文編號：2729029