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《吉林大学》 2017年
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聚合物平面光波导热光器件及其稳定性研究

于跃洋  
【摘要】:在光纤通信系统中,各种大容量、高速度、低损耗、高可靠性的光电子器件被广泛地应用,其中,平面光波导型的器件正越来越被重视,并成为近年来新的研究热点。基于热光效应的波导光开关和可变光衰减器也正在从实验室走向实际应用,这两种器件也是光插分复用器和光交叉连接器的核心元件,在光纤网络中能够实现波分复用/解复用、自动保护倒换、光功率均衡、在线监测等功能。光波导型热光器件由于具有尺寸小、结构紧凑、易与其它波导器件集成以及长期稳定性好等许多优点而引起了人们极大的兴趣,波导型热光器件的指标如插入损耗、串扰,热光开关的开关响应时间和可变光衰减器的最大衰减量等特性参数也能够满足实际应用领域的要求,因而受到国内外研究者的广泛的关注。聚合物光波导具有低损耗、无电磁干扰和易于制备等优点,特别是由于聚合物材料具有更低的热导率,和聚合物光纤具有的良好的兼容性,因此聚合物热光开关可以作为一种信号分配器应用于可见光通信系统中。通过旋涂工艺可以制作多层的薄膜,实现三维光波导器件的集成。本文采用聚合物材料,设计、制备了两种工作于650nm波段的热光器件:热光开关器件和可变光衰减器件,同时对波导型热光开关器件的长期稳定性进行了系统深入的研究。论文开展的创新性工作如下:1、提出并系统研究了一种基于650 nm波段的垂直耦合结构的三维聚合物热光开关器件,光可以在两层垂直方向的波导中相互耦合,两个垂直方向的光波导器件位于相互平行的两层聚合物材料中。通过热电极的作用,可以控制光从上层波导或从下层波导中输出。通过有限元法和光束传播法来优化器件的结构尺寸。本论文制作了两个具有一定角度的矩形波导分别位于平行的两层聚合物结构中。通过精确的波导尺寸和相对位置的设计,这种垂直结构的耦合器可以作为开关和光学阵列使用,对于在同一片芯片上制作高集成度的器件提供了基础。聚合物材料用的是与塑料光纤相兼容的P(MMA-GMA)材料,当电极工作时,产生了温度梯度并引起了电极下方波导有效折射率的变化,进而下层波导中的光将被耦合到上层波导中。制备的热光开关器件在电功耗为57.7 m W时,可以达到高达27.5 d B的消光比,其中器件的上升和下降时间分别为639.8μs和758.2μs。我们连续测量了125天下开关的消光比,证明器件具有良好的稳定性。这种三维的波导结构证明了多层的光学印刷器件可以应用于光通讯网络中并且增加了光学通信器件的功能性。2、设计和制作了一种工作在650nm波段的基于聚合物/二氧化硅材料多模干涉的可变光衰减器件。可见光衰减器是一种重要的器件,该器件可以被应用在塑料光纤交叉连接波分复用网络中参与调节不同光通道之间的能量和使之均等化。器件的模式传输条件、多模干涉区尺寸的设计和锥口的设计采用有限元分析法。热场的分析是基于材料的性质,并给出了器件优化后的电极角度。设计并制作的器件在650nm波段下,功耗21m W时,消光比为26.5d B,其中器件的响应时间(上升和下降时间)分别为51.99μs和192μs。时间稳定性测量结果表明器件在具有良好的开关稳定性。3、选用PMMA基材料和紫外曝光交联型材料(SU8)以及MZI光波导结构,设计并制备了三十余个聚合物平面光波导热光开关器件,详细研究了芯片的切、磨、抛工艺以及器件的封装技术。封装后的器件分成两组:一组进行了室温下长时间的性能测试,时间间隔为1-3个月,一般器件测试时间在一年以上,室温下测试器件的最长时间为680天,测试结果表明插入损耗的最大变化量为15%;第二组进行温度循环实验,循环条件是-40℃到+85℃,其中-40℃停留25分钟,上升时间45分钟,+85℃停留24分钟,下降时间50分钟,循环周期144分钟,将封装的热光开关分别进行2小时以及168小时的循环后进行性能测试,测试结果表明器件的插入损耗最大变化量为18%。两组实验的结果表明,制备的热光器件的主要性能指标都具有非常好的时间稳定性和可靠性。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN252

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