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《吉林大学》 2012年
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极化聚合物集成波导电光开关的分析模拟

王锐  
【摘要】:在波分复用网络中,光开关及阵列均是核心器件。基于极化聚合物材料的电光开关,具有速度快、易于加工等优点,是目前光开关领域的研究热点之一。针对极化聚合物集成波导电光开关,本论文主要开展了新型结构设计及新型分析方法方面的理论研究工作,具体内容如下: 首先,作为器件光学结构的主要设计依据,利用微分法以及微扰法,分析了介质吸收型五层平板波导和金属包层型七层平板波导的模式特性,得到了金属包层型脊形波导的模式特征方程和吸收损耗的表达式,推导了脊形波导的场分布和双定向耦合脊形波导的耦合系数等公式。作为器件电学结构的主要设计依据,分析了外加电场作用下极化聚合物折射率椭球的变化,得到了电光重叠积分因子和模式有效折射率变化的表达式,用点匹配法分析了一般结构微带行波电极的电场分布,给出了微波参数及阻抗匹配等相关计算和设计思想。 其次,作为本论文的主要工作之一,利用串行级联相位发生器和一对微带电极,设计并实现了一种多功能聚合物非对称马赫—曾德尔(MZI)电光开关/滤波器。首先给出了基于两个串行级联相位发生器的光谱周期化聚合物非对称MZI电光开关/滤波器的理论、结构和公式。导出了输出功率、相位补偿条件和消光比补偿条件,得到了开关条件和器件特性的表达式。为了同时实现上述两种补偿条件,在1400~1600nm波长范围内,对非对称MZI开关/滤波器做了设计和优化,实现了均一化的自由光谱区(20nm)。最后,讨论了器件的滤波和开关性能的温度依赖性,并通过对比,证实了该器件的优越性。 所设计的器件具有两个输入端口(A1和B1)和两个输出端口(A2和B2),其中,端口A2包含10个信道(标号为#-7~#+2),端口B2包含9个信道(标号为#-7~#+1),并定义各信道中心波长处的输出光功率达到最大值的状态为ON状态,反之为OFF状态。模拟结果显示,ON和OFF状态电压分别为0和8.06V。在ON状态下,器件工作于滤波器状态,信道间的波长间隔为19.2~21.0nm(设定值为20.0nm),最大周期偏差小于1nm。端口A2的信道#-7~#+2的插入损耗为2.69~19.30dB,端口B2的信道#-7~#+1的插入损耗为2.09~20.20dB。当工作于电光开关状态时,对于端口A2,各信道ON与OFF状态间的消光比大于15.70dB,对于端口B2,各信道ON与OFF状态间的消光比大于12.60dB。 第三,采用两节级联反相共面波导接地(CPWG)电极,优化设计了一种聚合物定向耦合电光开关,该器件在交叉态下具有较大的尺寸误差容许范围,以及较高的开关速度(理论上可达100GHz)。给出了器件的结构和相关理论,应用扩展点匹配法优化了波导和电极参数。基于传输矩阵法和傅里叶变换,提出了一种用于器件时频及相频响应特性的新型傅里叶分析理论。分析了在直流电压作用下器件的静态特性、在偏置余弦信号作用下器件的调制特性,以及在偏置方波信号作用下器件的开关特性。对比分析了本论文设计结果以及BeamPROP软件模拟结果,讨论了该器件和课题组之前报道的两节独立反相电极器件的性能差异。 设计和模拟结果显示,在1550nm波长下,器件直通和交叉状态电压分别为0和2.67V,器件的总长度为8.38mm,插入损耗和串扰分别小于3.89和-30dB。3dB调制带宽和截止带宽频率分别为110.0GHz和131.6GHz。10%~90%上升、下降时间理论上均为3.80ps。通过结构优化,器件的截止开关频率可以达到之前报道的两节反相独立电极器件的9倍以上,这将拓展器件的超高速和大容量应用空间。同时,给出的傅里叶分析方法也可用来评估器件在其他任何形式信号作用下的响应性能。 本论文创新点归纳如下: (1)通过在传统非对称MZI的冲激响应中添加附加相位,使非对称MZI的光谱具有了周期性能,进而得到了相位补偿条件。利用两个相位发生器,给出了用于设计非对称MZI滤波器的新型光谱周期化理论。 (2)利用串行级联相位发生器和一对微带电极,模拟分析并实现了一种光谱周期化、波长选择性、多功能电光开关/滤波器。当无外加电压时,器件工作于ON状态,此时其可等效为一种具有周期化光谱的滤波器;当施加开关电压时,信道中心波长处呈OFF状态,此时其可等效为一种波长选择性电光开关。 (3)由于具有两节独立反相电极的开关不能配置为行波方式,其截止开关频率取决于电极电容和等效电阻的乘积,这一数值一般很小。鉴于此,本论文使用两节反相余弦级联CPWG电极,设计了一种行波配置方式下聚合物定向耦合电光开关,通过对电光区和过渡区波导参数的优化,器件实现了理论上高达100GHz的截止开关频率。 (4)尽管课题组前期提出了针对电光开关时域响应的微元传输分析方法,但该方法仅可用来估计器件在严格阶跃方波电压作用下的响应性能。作为该方法的改进,本论文提出了一种用于分析在偏置余弦和偏置方波作用下器件调制和开关性能的新型傅里叶理论,也可用来估计器件在其他任何形式信号作用下的响应性能。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN256

【参考文献】
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