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基于绝热耦合器型热光开关的设计和制备

杨运达  
【摘要】:随着互联网技术的飞速发展,人们对通信需求的激增给光通信带来了新的发展机遇。光开关作为全光网络中的基本单元,其性能直接影响着光网络系统。设计与制备高性能光开关一直是人们的研究重点。近几年,有机聚合物材料凭借其较大的热光系数、易于制备、价格低廉等优点,成为了研究较为广泛的光开关波导材料之一。对于2×2 MZI热光开关,其常用的定向耦合器与多模干涉耦合器,通常具有较大的波长相关性且工艺容差较小,直接影响了热光开关的工作性能。本文的目的就是要研制出波长无关的高性能MZI型热光开关,选用有机聚合物作为波导材料,设计并成功制备基于绝热耦合器型的2×2 MZI聚合物热光开关。本文首先利用光波导理论对三层平板波导、矩形波导、脊形波导进行模式分析,并阐述基于绝热耦合器型的2×2 MZI热光开关工作原理,以此为热光开关器件设计提供理论指导与支持。然后利用有效折射率法通过数值计算得到聚合物单模波导尺寸。利用光束传播算法,完成聚合物3-dB绝热耦合器以及基于绝热耦合器型的2×2 MZI聚合物热光开关的设计。模拟结果显示,设计的热光开关功耗为5.2 mW,串扰为-36 dB,插入损耗为0.5 dB,开关上升与下降时间分别为350μs和580μs,同时波长范围在1500-1600 nm内串扰低于-25 dB。实验上,我们首先绘制了热光开关器件及其对应电极的掩膜版,通过精准控制制备过程中的旋涂、光刻、刻蚀、切割等步骤的实验参数,最终成功制备了基于绝热耦合器型的2×2 MZI聚合物热光开关。测试结果显示,光开关功耗为6.72 mW,串扰为-28.1dB,插入损耗为12.7 dB,开关上升与下降时间分别为340μs和660μs,波长范围在1511-1600 nm内串扰低于-20 dB。实验测试结果与仿真模拟值相符合。这种基于绝热耦合器型的2×2 MZI型聚合物热光开关同时具备低功耗、低串扰,且具有较好的波长无关性。


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