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硅基聚合物平面波导光开关

闫云飞  
【摘要】:网络互联业务的蓬勃发展改变了通讯业的地位。通讯技术和互联网的不断革新正在改善着我们的生活、工作以及交流方式。与传统通信系统相比,光纤通讯系统具有频带宽、传输容量大、损耗小、误码率低和抗电磁干扰能力强等优势。特别是波分复用技术(WDM)在光网络中的应用,有效的实现了光传输网络的扩容。光开关与光开关阵列在WDM光网络中起着光域优化、路由、保护以及自愈等功能,是插分复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)的核心技术。由于聚合物材料具有种类繁多、成本低、加工工艺简单、热光系数大、电光系数高和电光响应速度快等优点,引起了人们广泛的关注,成为制备热光开关和电光开关的理想材料之一。本文对硅基聚合物热光开关和电光开关两个方面进行了深入研究。 在热光开关方面,本文设计了聚合物/二氧化硅混合波导结构,减小了热光开关的响应时间。首先,介绍了热光开关的物理机制和相关的基本原理,主要包括以下几个方面:热光效应—解释了折射率和温度之间的相互关系;波导中热传导和热场分布相关理论—揭示了温度和热驱动功率之间的相互关系;马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型光开关实现开关作用的相关理论—说明了输出归一化光功率和有效折射率之间的相互关系。这些工作为热光开关的计算和模拟提供了理论支持。 其次,结合聚合物热光系数大、二氧化硅热传导系数大的优势,设计了聚合物/二氧化硅混合波导热光开关。由于二氧化硅材料相对于聚合物材料具有较大的热传导系数,所以采用二氧化硅作为下包层,能够加快热量在下包层中的释放速度,从而加快热光开关的响应速度。采用二氧化硅材料作为下包层,SU-8材料作为波导芯层分别设计、制备了以下三种类型的热光开关。 (1)采用湿法刻蚀工艺制备了MZI型聚合物/二氧化硅混合结构热光开关。通过对波导传输损耗的模拟,在保证低损耗的情况下,优化了器件的上、下包层厚度。较薄的上包层能够减小热量在上包层中的分布,降低开关的驱动功率;较薄的下包层,能够减小热量从波导到衬底的散失时间,加快开关速度。我们还计算了热电极宽度对加热效率的影响,优化了电极尺寸参数。经测试,所制备的热光开关具有快速的响应特性,开关的上升/下降时间为141/87μs。由于对结构的优化设计以及制备工艺的良好控制,器件的热驱动功率为4.8mW,插入损耗为12dB,消光比为22.5dB,与近期发表的聚合物热光开关相比,开关时间减小了近一半。 (2)采用脊形波导结构,通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺,设计并制备了定向耦合(DC)-MZI型聚合物/二氧化硅混合结构22热光开关。使用固体热传导方程、有效折射率和输出光功率等相关计算理论,计算了波导有效折射率和温度随加热功率的变化曲线,得到器件的驱动功率为6.9mW;计算出开关时间为107μs,相同结构聚合物下包层热光开关的开关时间为174μs。对制备好的开关样品进行了测试,器件的驱动功率为7.2mW,插入损耗为9.2dB,串扰为-26.5dB (直通状态)和-31dB(交叉状态),上升/下降时间为106/93μs。作为对比,制备了相同结构聚合物下包层的热光开关,其上升/下降时间为174/191μs。通过对这种混合波导结构热光开关的优化设计,开关的上升时间减小了39.8%,下降时间减小了51.3%。 (3)采用矩形波导结构,通过湿法刻蚀工艺,设计并制备了多模干涉(MMI)-MZI型聚合物/二氧化硅混合结构2×2热光开关。完成了器件的相关设计、模拟、制备和测试等工作。开关器件的驱动功率为6.2mW,插入损耗为9.8dB,串扰为-28dB (交叉状态)和-28.5dB(直通状态)。器件具有快速响应特性,开关的上升/下降时间为103/91μs。作为对比,制备了相同结构聚合物下包层的热光开关,其上升/下降时间为187/180μs。通过对这种混合波导结构热光开关的优化设计,开关的上升时间减小了44.9%,下降时间减小了49.4%。 在电光器件方面,采用非对称Y分支分束器和耦合器结构,制备了无偏置MZI型电光开关。首先,介绍了电光开关的相关基础理论,包括电光效应的物理机制和非线性聚合物的极化技术及其分类;介绍了直流偏置电压的作用,说明直流偏置电压对器件工作性能的影响,为电光开关的计算和模拟提供了理论支持。 其次,利用非对称Y分支分束器和耦合器结构,将偏置点调至3-dB状态,使得开关器件可以在没有直流偏置的情况下,就能实现线性工作点的调节作用。介绍了物理掺杂DR1/SU-8非线性电光材料的合成过程,由于这种材料具有较高的玻璃化温度(T_g=215℃),在由热松弛导致的电光系数退化方面表现出良好的性能。因此采用这种电光材料完成了电光开关的制备,并详细描述了器件制备的工艺过程。在1550nm的波长下进行了电光开关的性能测试,测得在不加直流偏压的情况下,器件的初始状态为-2.8dB,完成了线性工作点的调节。测得器件的插入损耗为11.9dB。在方波电信号的驱动下,测得电光开关的上升时间和下降时间均处于~10ns水平。


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