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硅基聚合物微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)
光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)及陣列是光交叉連接設(shè)備、光分叉復(fù)用設(shè)備以及光路由設(shè)備中的關(guān)鍵器件，在光通信網(wǎng)絡(luò)中起著非常重要的作用。相比無(wú)機(jī)電光材料，極化聚合物材料具有電光系數(shù)高、響應(yīng)時(shí)間短、折射率易調(diào)整、價(jià)格低廉、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)、電光調(diào)制器等電光器件的制備中具有潛在的應(yīng)用前景。微環(huán)諧振器（MRR）具有結(jié)構(gòu)緊湊、相位易匹配等優(yōu)點(diǎn)，從而廣泛應(yīng)用于光濾波器、波分復(fù)用/解復(fù)用器等器件的設(shè)計(jì)和制備中。

硅基聚合物微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)
鑒于上述考慮，主要研究MRR輔助的MZI電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)以及基于MRR濾波特性的波長(zhǎng)選擇性無(wú)源光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列，設(shè)計(jì)新型器件結(jié)構(gòu)，給出其分析理論和參數(shù)優(yōu)化方法，計(jì)算并模擬器件性能，為實(shí)驗(yàn)室制備該類(lèi)以及同類(lèi)器件提供依據(jù)。介紹了開(kāi)展聚合物微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)及陣列研究的意義。概述了光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)及陣列在光通信網(wǎng)絡(luò)中的主要作用，介紹了光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)的分類(lèi)。重點(diǎn)闡述了兩種非諧振型波導(dǎo)光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)的研究進(jìn)展，包括非諧振型電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)和非諧振型熱光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)，并進(jìn)一步給出了微環(huán)諧振型光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)及陣列的研究現(xiàn)狀和特點(diǎn)。其次，針對(duì)所設(shè)計(jì)器件用到的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用微擾法和微分法分析了高折射率襯底上的五層平板波導(dǎo)、雙金屬包層型平板波導(dǎo)、介質(zhì)吸收型矩形波導(dǎo)的模式特性，通過(guò)詳細(xì)的理論推導(dǎo)，得到了各波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式特征方程和振幅衰減系數(shù)的表達(dá)式。分析了雙矩形波導(dǎo)的定向耦合和彎曲耦合特性、矩形波導(dǎo)的彎曲損耗特性。給出了微環(huán)諧振理論，為微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)及陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析模擬奠定了理論基礎(chǔ)。采用耦合模理論、微環(huán)諧諧振理論和電光調(diào)制理論，重點(diǎn)設(shè)計(jì)并分析模擬了三種結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展型光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)及陣列器件：設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種基于N階側(cè)向耦合微環(huán)諧振器的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MRR-SC-MZI）電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)。推導(dǎo)了器件的輸出光功率、插入損耗、串?dāng)_、3 dB帶寬等表達(dá)式。在1550 nm工作波長(zhǎng)下，優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析模擬了器件性能，并重點(diǎn)總結(jié)了OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)特性隨其擴(kuò)展參數(shù)N的關(guān)系式。計(jì)算結(jié)果表明，所有N≥1的器件均可執(zhí)行正常的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)功能，當(dāng)要求驅(qū)動(dòng)電壓小于5V時(shí)，要求8≥N≥2.針對(duì)N=2-8的7個(gè)MRR電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)，交叉態(tài)的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為0-2.32 V,直通態(tài)電壓的范圍為0.96-4.83 V；直通態(tài)的插入損耗為0.85-0.35dB,交叉態(tài)的插入損耗為0.14-1.70 dB；直通態(tài)的串?dāng)_范圍為-20.79--31.11dB,交叉態(tài)的串?dāng)_范圍為-13.86--20.36 dB.7個(gè)器件的3-dB的電學(xué)調(diào)制帶寬范圍為18.5-28.0 GHz；兩個(gè)輸出端口的3-dB光學(xué)調(diào)制帶寬分別為18.1-40.0GHz和32.0-55 GHz.在相同的電光區(qū)長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該MRR-SC-MZI電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的MZI電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓小10～250倍。設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種2N+1階串聯(lián)耦合微環(huán)諧振馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MRR-MZI）電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)。給出了器件結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了器件的傳輸光功率、插入損耗、串?dāng)_等表達(dá)式。在1550 nm工作波長(zhǎng)下，優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了器件性能與階數(shù)N的關(guān)系。分析模擬結(jié)果表明，除了N=0對(duì)應(yīng)的的一階MRR-MZI電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)外，其它N≥1的器件均可執(zhí)行正常的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)功能。為了將此類(lèi)電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)的電壓降至1.0 V以下，應(yīng)選取5≥N≥2.針對(duì)N=2-5對(duì)應(yīng)的4種MRR-MZI電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)，其OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)電壓分別為0.99、0.73、0.57和0.47 V；直通狀態(tài)的插入損耗范圍為1.15～2.26 dB,交叉狀態(tài)的插入損耗范圍為1.95～2.42 dB；直通狀態(tài)的串?dāng)_范圍為-11.04～-17.82 dB,交叉狀態(tài)的串?dāng)_范圍為-10.34～-12.51 dB.該器件的電壓-長(zhǎng)度乘積約為0.21 V·mm.當(dāng)波導(dǎo)和電極參數(shù)*相同時(shí)，傳統(tǒng)MZI電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)電壓-長(zhǎng)度積（23.45 V·mm）約為該類(lèi)器件的111.7倍。利用三種不同的基本OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)單元，包括交叉耦合單環(huán)諧振器（CCO-MRR），交叉耦合雙環(huán)諧振器（CCT-MRR）和平行耦合單環(huán)諧振器（PCO-MRR），設(shè)計(jì)了具有相同OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)功能的三種4×4波長(zhǎng)選擇性O(shè)MAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列，且三種器件均具有N級(jí)級(jí)聯(lián)特性，從而可將工作波長(zhǎng)擴(kuò)展至3N個(gè)。首先，優(yōu)化了OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后，給出了三種4×4波長(zhǎng)選擇性O(shè)MAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)其OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)性能做了詳細(xì)的對(duì)比分析。結(jié)果顯示，基于CCO-MRR和PCO-MRR的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列的微環(huán)數(shù)量（4個(gè)）是基于CCT-MRR的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列的一半（8個(gè)），基于PCO-MRR的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列呈現(xiàn)出zui小的插入損耗（0.02-0.6 dB）；基于CCT-MRR的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列顯示出zui小的串?dāng)_（-38 dB）和的波長(zhǎng)選擇性；基于CCT-MRR和CCO-MRR的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列具有相同的N級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，然而，基于PCO-MRR的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列由于很多的不可避免的波導(dǎo)交叉難以級(jí)聯(lián)。針對(duì)微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)及陣列，所給出的具有可擴(kuò)展性的通用結(jié)構(gòu)模型、相關(guān)公式和分析方法均未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道，具有一定的新意，為人們?cè)O(shè)計(jì)、模擬和制備具體器件提供了模型和理論依據(jù)。

硅基聚合物微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)
創(chuàng)新點(diǎn)如下：提出一種基于側(cè)向耦合N階微環(huán)諧振器的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)的通用結(jié)構(gòu)模型和理論推導(dǎo)，總結(jié)了器件性能隨級(jí)數(shù)N的關(guān)系。在相同的電光區(qū)長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該器件的驅(qū)動(dòng)電壓比傳統(tǒng)的MZI電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)小10-250倍。提出了一種基于2N+1階串聯(lián)耦合微環(huán)諧振器的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MRR-MZI）電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)的通用結(jié)構(gòu)模型和理論推導(dǎo)，總結(jié)了器件性能隨級(jí)數(shù)N的關(guān)系。N=2-5所對(duì)應(yīng)的4種電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)的OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)電壓均可小于1.0V.當(dāng)波導(dǎo)和電極參數(shù)*相同時(shí)，該器件的電壓-長(zhǎng)度積比傳統(tǒng)MZI電光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)小111.7倍。利用三種不同結(jié)構(gòu)的MRR基本OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)單元，設(shè)計(jì)了具有相同OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)功能的三種4×4波長(zhǎng)選擇性光OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)陣列，并給出了該類(lèi)器件的N級(jí)級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其工作波長(zhǎng)可由單級(jí)器件的3個(gè)擴(kuò)展至級(jí)聯(lián)器件的3N個(gè)，從而使得該器件在復(fù)雜光片上網(wǎng)絡(luò)中寬光譜信號(hào)的路由及OMAL歐瑪爾開(kāi)關(guān)操作方面具有潛在的價(jià)值。