硅基聚合物热光开关器件及其可靠性研究

发布时间：2020-06-25 07:12

【摘要】：随着光纤通信技术的问世和迅速发展,通信领域产生了前所未有的巨大变革。大容量、高速度、低损耗、高可靠性的光开关将扮演越来越重要的角色,并将为通信技术的进一步发展发挥越来越重要的作用。光开关是光插分复用器和光交叉互联设备的核心元件,并在光纤网络中能够实现自动保护倒换、批量检测光学器件、在线监测等许多功能。热光开关由于具有尺寸小、延展性强、长周期稳定性好,利于集成等许多优点而引起了人们极大的兴趣。而且它的串扰、插入损耗、开关时间等特性参数也能够满足许多应用领域的要求,因而受到广泛的关注。本文就是以聚合物材料为基础,设计、制备了热光开关器件,并对其特性进行了研究。论文主要进行了以下工作:1.用电磁理论方法研究了光在波导中的传输特性。从麦克斯韦方程组出发,推导出了光的波动方程以及平板波导的横向亥姆霍兹方程;用有效折射率法分别对三层平板波导、矩形波导和脊型波导进行了模式分析,推导出了TE导模和TM导模的特征方程,从而计算出了这两种不同模式下的有效折射率;对热光效应进行了介绍,因为聚合物材料具有较大的热光系数和较小的热传导系数,因此是制备热光器件波导的比较理想的材料;通过求解热传导的速率方程,即傅里叶定律,得到了热扩散方程的普遍形式,由此得到了稳态热传导方程;给出了定温表面、定热流密度表面和对流条件表面三类最常见的边界条件;介绍了MZI型热光开关的工作原理,推导出了输出光强的表达式。2.设计并制备了硅基聚合物波导MZI热光开关。由于SU-8光刻胶具有热光系数大、透明性高,力学性能良好、热稳定性好等优点,因此我们选择它作为波导芯层;聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料价格低廉、易于自主合成、介电性能好、易于形成良好的薄膜,而且薄膜厚度和折射率易于调节,和芯层材料SU-8的折射率也比较匹配,所以被选做包层材料;Si O2材料由于其热导率高,为了提高器件的响应速度,可以使用它作为下包层。根据已知的边界条件和初始条件求解了热传导方程,确定了不同条件下的热场分布,从而给出了加热电极的设计原则,在满足工艺要求下,设计的电极尽量窄些,有利于提高电极的加热效率;对有机无机混合矩型波导结构的MZI型热光开关进行了结构设计,使波导满足单模传输条件,并对其光场和热场进行了分析,给出了最佳的结构参数,尽量减小热光开关的开关功率,增加响应速度,并给出了矩形波导热光开关的制备流程;对脊型波导进行了设计和优化,分别对PMMA材料作为下包层和Si O2材料作为下包层的两种脊型波导的热光开关进行了光场和热场的模拟分析,结果表明PMMA材料作为下包层的热光开关确实有比较小的开关功率,而Si O2材料作为下包层的热光开关具有较短的开关时间;还对脊型波导的制备流程进行了介绍。3.因为和Si O2材料相比,PMMA材料具有较小的热导率,因而采用PMMA材料作为下包层的热光开关具有较低的开关功率和较慢的响应速度,而采用Si O2材料作为下包层的热光开关具有较高的开关功率和较快的响应速度,针对这一矛盾,具有空气槽的聚合物/二氧化硅混合波导结构的热光开关被提出。对这种新结构的热光开关进行了设计,并通过模拟对这三种不同的开关进行了比较分析,分析发现,因为有了空气槽结构,由于Si O2材料取代PMMA材料作为下包层所引起的热量的损耗被完全弥补了,这种结构的热光开关可以具有非常小的开关功率;对有空气槽结构的热光开关进行了制备,并对其静态特性参数和动态特性参数进行了测试,在1550 nm波长下,热光开关的纤纤插入损耗为9.6 d B,开关功率为3.4 m W,消光比为29.6 d B,10%-90%的上升时间为183.1μs,下降时间为139.9μs;将测试结果与没有空气槽结构的热光开关进行了对比分析,其开关功率明显低于没有空气槽结构的热光开关;最后对有空气槽和没有空气槽两种结构的表面热场分布进行了测试和对比分析,直观地反映了有空气槽结构的波导具有非常好的聚热能力。4.通过实验验证了热光开关的工作温度对热光开关的开关时间、开关功率、消光比、Al电极电阻以及插入损耗的影响,结果表明工作温度对热光开关的上升时间、消光比及Al电极电阻几乎没有影响,而对下降时间和开关功率的影响主要是由于实验时加热器位于样品的下方,不利于热量的散失引起的;插入损耗在较低温时不受温度的影响,而在较高温时(50℃以上),随着温度的升高,插入损耗有所下降。通过对热光开关施加脉冲,使其长时间连续开关工作,在连续反复开关一千五百万次以上仍然能稳定地工作;在25℃-85℃之间进行温度循环实验,反复10次后,器件没有裂痕,插入损耗没有发生改变,验证了其可靠性能良好;对热光开关的偏振相关损耗进行了测试,指出脊形波导结构的热光开关比矩形波导结构的热光开关具有更大的偏振依赖性;最后,对热光开关的长期稳定性进行了测试。测试结果表明,我们制备的硅基聚合物热光开关具备较好的稳定性和可靠性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253

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