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基于微流控技术的阵列光开关波导结构理论分析及优化

陈思  
【摘要】:随着社会信息化程度的普遍提高,通信网容量增长迅速,当前光网络中光-电-光的交换方式已成为限制通信容量的电子瓶颈。全光交换是光纤通信网的发展方向,光交叉连接(OXC)是全光网的核心,光开关作为OXC的关键器件,是当前光通信领域的研究热点。在光纤通信系统中,光开关阵列的突出特点在于它可以在网络出现拥堵时通过自动保护倒换功能为网络预留备份通道,实现系统的可靠性工作;并且实时监测网络性能和元器件性能。目前应用较多的光开关有:机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。 论文中提出一种波导型微流控光开关,将现代微流控技术和微光电子技术相结合,通过电控方法改变微流控芯片波导结构,实现光路变化。因此具有良好的可靠性,和MEMS相比没有机械损耗,使用的开关次数更多、可重复性好、结构简单、有利于光开关集成化、微型化及制作。论文的主要内容如下: (1)分析了光线在均匀薄膜波导以及介质条形波导中的传播情况,用马卡梯里近似方法求解条形波导电磁场近似解,分析了条形波导横向电磁场的分布特性。 (2)研究了有限元方法在光波导问题中的应用、有限元方法解题的一般步骤,以及有限元网格划分和生成的基本思想。 (3)提出基于微流控方法的波导型光开关模型,并介绍其工作原理。通过Comsol软件仿真了光线在波导层的传输情况,研究了波导层折射率的变化对光开关传输性能的影响。 (4)分别研究了细管偏转角、y方向波导横向偏移的变化对波导层传输性能的影响,由古斯-汉欣位移理论产生联想,提出了一种斜交叉的光开关结构,研究其波导层的传输性能。 有限元法凭借其对光波导任意形状的适应性、高的计算精度等特点,将在光波导分析中起到越来越重要的作用。仿真结果表明,波导层折射率为1.5时,插入损耗最小;x方向波导和y方向波导夹角77.5°时,可减小光开关的插入损耗。由于光开关阵列应用微流控技术,具有体积小易于集成,易构成大容量交换矩阵,可重复性好、结构简单、制作成本低,因此具有研究意义和研究价值。


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