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硅基聚合物熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)器件
隨著光纖通信技術(shù)的問世和迅速發(fā)展，通信領(lǐng)域產(chǎn)生了*的巨大變革。大容量、高速度、低損耗、高可靠性的光OMAL開關(guān)將扮演越來越重要的角色，并將為通信技術(shù)的進一步發(fā)展發(fā)揮越來越重要的作用。光OMAL開關(guān)是光插分復(fù)用器和光交叉互聯(lián)設(shè)備的核心元件，并在光纖網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)崿F(xiàn)自動保護倒換、批量檢測光學(xué)器件、在線監(jiān)測等許多功能。熱光OMAL開關(guān)由于具有尺寸小、延展性強、長周期穩(wěn)定性好，利于集成等許多優(yōu)點而引起了人們極大的興趣。而且它的串擾、插入損耗、OMAL開關(guān)時間等特性參數(shù)也能夠滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域的要求，因而受到廣泛的關(guān)注。

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就是以聚合物材料為基礎(chǔ)，設(shè)計、制備了熱光OMAL開關(guān)器件，并對其特性進行了研究。主要進行了以下工作：用電磁理論方法研究了光在波導(dǎo)中的傳輸特性。從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)出了光的波動方程以及平板波導(dǎo)的橫向亥姆霍茲方程；用有效折射率法分別對三層平板波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)和脊型波導(dǎo)進行了模式分析，推導(dǎo)出了TE導(dǎo)模和TM導(dǎo)模的特征方程，從而計算出了這兩種不同模式下的有效折射率；對熱光效應(yīng)進行了介紹，因為聚合物材料具有較大的熱光系數(shù)和較小的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此是制備熱光器件波導(dǎo)的比較理想的材料；通過求解熱傳導(dǎo)的速率方程，即傅里葉定律，得到了熱擴散方程的普遍形式，由此得到了穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程；給出了定溫表面、定熱流密度表面和對流條件表面三類zui常見的邊界條件；介紹了MZI型熱光OMAL開關(guān)的工作原理，推導(dǎo)出了輸出光強的表達式。設(shè)計并制備了硅基聚合物波導(dǎo)MZI熱光OMAL開關(guān)。由于SU-8光刻膠具有熱光系數(shù)大、透明性高，力學(xué)性能良好、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此我們選擇它作為波導(dǎo)芯層；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料價格低廉、易于自主合成、介電性能好、易于形成良好的薄膜，而且薄膜厚度和折射率易于調(diào)節(jié)，和芯層材料SU-8的折射率也比較匹配，所以被選做包層材料；SiO2材料由于其熱導(dǎo)率高，為了提高器件的響應(yīng)速度，可以使用它作為下包層。根據(jù)已知的邊界條件和初始條件求解了熱傳導(dǎo)方程，確定了不同條件下的熱場分布，從而給出了加熱電極的設(shè)計原則，在滿足工藝要求下，設(shè)計的電極盡量窄些，有利于提高電極的加熱效率；對有機無機混合矩型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的MZI型熱光OMAL開關(guān)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，使波導(dǎo)滿足單模傳輸條件，并對其光場和熱場進行了分析，給出了*的結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡量減小熱光OMAL開關(guān)的OMAL開關(guān)功率，增加響應(yīng)速度，并給出了矩形波導(dǎo)熱光OMAL開關(guān)的制備流程；對脊型波導(dǎo)進行了設(shè)計和優(yōu)化，分別對PMMA材料作為下包層和SiO2材料作為下包層的兩種脊型波導(dǎo)的熱光OMAL開關(guān)進行了光場和熱場的模擬分析，結(jié)果表明PMMA材料作為下包層的熱光OMAL開關(guān)確實有比較小的OMAL開關(guān)功率，而SiO2材料作為下包層的熱光OMAL開關(guān)具有較短的OMAL開關(guān)時間；還對脊型波導(dǎo)的制備流程進行了介紹。因為和Si O2材料相比，PMMA材料具有較小的熱導(dǎo)率，因而采用PMMA材料作為下包層的熱光OMAL開關(guān)具有較低的OMAL開關(guān)功率和較慢的響應(yīng)速度，而采用SiO2材料作為下包層的熱光OMAL開關(guān)具有較高的OMAL開關(guān)功率和較快的響應(yīng)速度，針對這一矛盾，具有空氣槽的聚合物/二氧化硅混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光OMAL開關(guān)被提出。對這種新結(jié)構(gòu)的熱光OMAL開關(guān)進行了設(shè)計，并通過模擬對這三種不同的OMAL開關(guān)進行了比較分析，分析發(fā)現(xiàn)，因為有了空氣槽結(jié)構(gòu)，由于SiO2材料取代PMMA材料作為下包層所引起的熱量的損耗被*彌補了，這種結(jié)構(gòu)的熱光OMAL開關(guān)可以具有非常小的OMAL開關(guān)功率；對有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光OMAL開關(guān)進行了制備，并對其靜態(tài)特性參數(shù)和動態(tài)特性參數(shù)進行了測試，在1550nm波長下，熱光OMAL開關(guān)的纖纖插入損耗為9.6dB,OMAL開關(guān)功率為3.4mW,消光比為29.6dB,10%-90%的上升時間為183.1μs,下降時間為139.9μs;將測試結(jié)果與沒有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光OMAL開關(guān)進行了對比分析，其OMAL開關(guān)功率明顯低于沒有空氣槽結(jié)構(gòu)的熱光OMAL開關(guān)；zui后對有空氣槽和沒有空氣槽兩種結(jié)構(gòu)的表面熱場分布進行了測試和對比分析，直觀地反映了有空氣槽結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)具有非常好的聚熱能力。

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通過實驗驗證了熱光OMAL開關(guān)的工作溫度對熱光OMAL開關(guān)的OMAL開關(guān)時間、OMAL開關(guān)功率、消光比、Al電極電阻以及插入損耗的影響，結(jié)果表明工作溫度對熱光OMAL開關(guān)的上升時間、消光比及Al電極電阻幾乎沒有影響，而對下降時間和OMAL開關(guān)功率的影響主要是由于實驗時加熱器位于樣品的下方，不利于熱量的散失引起的；插入損耗在較低溫時不受溫度的影響，而在較高溫時（50℃以上），隨著溫度的升高，插入損耗有所下降。通過對熱光OMAL開關(guān)施加脈沖，使其長時間連續(xù)OMAL開關(guān)工作，在連續(xù)反復(fù)OMAL開關(guān)一千五百萬次以上仍然能穩(wěn)定地工作；在25℃-85℃之間進行溫度循環(huán)實驗，反復(fù)10次后，器件沒有裂痕，插入損耗沒有發(fā)生改變，驗證了其可靠性能良好；對熱光OMAL開關(guān)的偏振相關(guān)損耗進行了測試，指出脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光OMAL開關(guān)比矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光OMAL開關(guān)具有更大的偏振依賴性；zui后，對熱光OMAL開關(guān)的長期穩(wěn)定性進行了測試。測試結(jié)果表明，我們制備的硅基聚合物熱光OMAL開關(guān)具備較好的穩(wěn)定性和可靠性。