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全内反射型光波导开关的研究

余辉  
【摘要】: 光开关是光交换等系统中的关键器件,长期以来人们提出了很多种设计方案,但到目前为止还没有哪一种方案各方面的性能都能满足商用要求,因此研制高性能的光开关也就成了工程界急待解决和最有挑战性的课题之一。采用全内反射结构的光波导开关,因其相对于传统机械式和微机械型(MEMS)光开关天然的速度优势,以及数字式响应、结构紧凑、波长偏振不敏感等优点,有望成为能满足光交换系统要求的一种开关结构。 对全内反射型光波导开关的研究已有30年,在多种材料上都设计和制作过这种结构的光开关,但其性能一直不理想。这其中的一个重要原因就是人们对全内反射型光开关的工作机制缺乏深刻的认识,关于它的理解一直停留在自由空间中常规的光束反射问题。事实上,由于全内反射型光波导开关中光束的反射存在以下特殊性:1.入射光为窄光束;2.入射角接近90°;3.被反射同时光束还受到波导的限制;4.反射区的折射率变化常为二维梯度分布。因此它的工作机制远比自由空间中的常规光束反射问题复杂,也不能简单地由目前普遍采用的角谱展开法进行分析。 本论文的目的是为提高全内反射型光波导开关性能,系统地建立能描述其工作机制的分析方法并指导器件设计和制作,在理论和实验二方面都对全内反射型光波导开关进行深入研究。本论文主要在以下三个方面做出了有创新意义的理论工作: 1.本文提出了广义的平面波反射与透射的研究思想,并给出了严格的电磁场理论证明,解决了长期以来关于掠入射极限情况下的古斯汉欣位移的争论,此外还具体分析了窄光束掠入射时的频谱叠加效应。这一工作不仅可以帮助理解全内反射型光开关的工作机制,它对于处理劳埃德镜等类似的光学问题也具有指导意义。 2.本文提出利用模式展开法来分析受限空间中光束的反射,指出了全内反射型光开关中反射的本质是奇阶模和偶阶模之间的简并。并针对全内反射型光开关功耗较大这一弊端,提出在设计时通过控制模式激励来降低其工作对折射率下降的要求。 3.本文具体结合聚合物热光效应分析光在折射率二维梯度下降场中的反射。在推导热场分布解析表达式的基础上,本文利用射线法来计算光在热场中的反射轨迹。指出由于折射率在竖直方向的不均匀,不同水平面上的光线反射轨迹不同,最终导致光束在反射后被展宽。根据该展宽规律,全内反射型光开关的结构必须做出相应的调整。大部分实际的反射问题中反射区的折射率都是二维梯度变化的,本文给出的分析思路对研究这些问题都是有借鉴意义的,如本文提出的一种基于全内反射机理的2×3光开关新结构。 基于以上三个理论模型,实验方面本文分别利用热光效应和载流子注入效应进行了工作波长为1.55μm的全内反射型光波导开关的制作和测试。首先,本文成功地在有机聚合物(丙烯酸氟化树脂)材料上制作了2×2的热光全内反射型光开关单元。测试结果表明,功耗在80mw时,开关的消光比高于35dB,同时开关的速度在5ms左右。此外,本文对传统的2×2结构做了改进,通过设置分段工作的电极实现了利用全内反射原理完成光在三个端口间的切换,成功制作了2×3的光开关单元。另一方面,本文还进行了化合物半导体材料上的高速全内反射型光开关的初步制作。本文设计并生长了GaAs/GaAlAs双异质结材料,摸索了化合物半导体材料上的光波导器件制作工艺,并与北京半导体所合作,进行了一次完整的流片。流片结果中观察到了初步的光路切换现象,并且器件的响应时间在70ns以下,初步实现了高速的目标。 最后,本文基于W型五层波导的零阶TE模截止特性,提出了一种能用作门开关或可变光衰减器的具有可调滤波特性的调截止型调制器方案。相较于已报道的其它类型的调截止型调制器,它具有尺寸小、工艺简单、适宜于高密度集成等优点。


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