聚合物材料SU8和二氧化硅混合集成熱光開關(guān)的研究.pdf

1、隨著光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，集成光電子器件特別是光開關(guān)由于制作簡(jiǎn)單、成品率高、成本低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。本論文首先介紹了集成光電子器件的發(fā)展、光開關(guān)的應(yīng)用以及已有的熱光開關(guān)器件的種類。與鈮酸鋰和Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料相比，二氧化硅材料和聚合物材料在材料成本和制作成本上更具優(yōu)勢(shì)。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于有效地結(jié)合了SU8高熱光系數(shù)和二氧化硅低傳輸損耗、低耦合損耗的優(yōu)勢(shì)，使得器件的功率損耗低、尺寸較小。相較于其他以聚合物材料作為芯層、二

2、氧化硅作為下包層來實(shí)現(xiàn)電光、熱光開關(guān)功能的器件，本論文提出的混合集成熱光是將SU8波導(dǎo)作為MZI的雙臂，二氧化硅波導(dǎo)作為3dB的功分器和合波器。SU8熱光系數(shù)較高，當(dāng)溫度相同時(shí)SU8產(chǎn)生的有效折射率差較大，根據(jù)馬赫曾德干涉儀基本原理可知，Δneff較大時(shí)實(shí)現(xiàn)相同開關(guān)功能所需的傳輸臂長(zhǎng)度較小，減小了器件的尺寸。
　　首先，本文簡(jiǎn)單介紹了平面光波導(dǎo)的基本理論和數(shù)值計(jì)算方法。文中分析了解平板波導(dǎo)的解析方法和求解條形波導(dǎo)的近似方法，以及單

3、模條件、彎曲損耗和模式耦合理論。為了解決復(fù)雜波導(dǎo)和器件的精確求解問題，須要采用數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合本文所要采用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對(duì)器件仿真設(shè)計(jì)所用到的光束傳播方法做了詳細(xì)的理論分析介紹。
　　其次，本文對(duì)混合集成熱光開關(guān)的結(jié)構(gòu)做了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中給出了基于馬赫曾德干涉儀型的混合集成熱光開關(guān)SU8波導(dǎo)和二氧化硅波導(dǎo)的端面耦合方案，并利用模場(chǎng)疊加積分優(yōu)化了方案中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。利用基于光束傳播方法的Rsoft軟件驗(yàn)證了優(yōu)化過后的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，

4、兩波導(dǎo)之間的耦合效率約為0.81。同時(shí)，用Rsoft軟件確定了3dB功分器（合波器）采用多模干涉的結(jié)構(gòu)以及其具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　最后，根據(jù)仿真設(shè)計(jì)得到的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本文進(jìn)行了混合集成熱光開關(guān)的制作。采用了在二氧化硅波導(dǎo)圖形上套刻窗口，旋涂套刻SU8波導(dǎo)的工藝制作方法。同時(shí)，采用兩次勻膠的方法實(shí)現(xiàn)了在6μm二氧化硅臺(tái)階上旋涂光刻膠，成功制備了SU8-二氧化硅混合波導(dǎo)。測(cè)試結(jié)果顯示，溫度變化不到20℃即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，消光比可達(dá)到23