全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開關(guān)的研究.pdf

1、光開關(guān)是光交換等系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，長期以來人們提出了很多種設(shè)計方案，但到目前為止還沒有哪一種方案各方面的性能都能滿足商用要求，因此研制高性能的光開關(guān)也就成了工程界急待解決和最有挑戰(zhàn)性的課題之一。采用金內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)開關(guān)，因其相對于傳統(tǒng)機械式和微機械型(MEMS)光開關(guān)天然的速度優(yōu)勢，以及數(shù)字式響應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊、波長偏振不敏感等優(yōu)點，有望成為能滿足光交換系統(tǒng)要求的一種開關(guān)結(jié)構(gòu)。 對全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開關(guān)的研究已有30年，在多種材料

2、上都設(shè)計和制作過這種結(jié)構(gòu)的光開關(guān)，但其性能一直不理想。這其中的一個重要原因就是人們對全內(nèi)反射型光開關(guān)的工作機制缺乏深刻的認(rèn)識，關(guān)于它的理解一直停留在自由空間中常規(guī)的光束反射問題。 事實上，由于全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開關(guān)中光束的反射存在以下特殊性： 1.入射光為窄光束；2.入射角接近90度；3.被反射同時光束還受到波導(dǎo)的限制；4.反射區(qū)的折射率變化常為二維梯度分布。因此它的工作機制遠(yuǎn)比自由空間中的常規(guī)光束反射問題復(fù)雜，也不能簡單

3、地由目前普遍采用的角譜展開法進(jìn)行分析。 本論文的目的是為提高全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開關(guān)性能，系統(tǒng)地建立能描述其工作機制的分析方法并指導(dǎo)器件設(shè)計和制作，在理論和實驗二方面都對全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行深入研究。本論文主要在以下三個方面做出了有創(chuàng)新意義的理論工作： 1.本文提出了廣義的平面波反射與透射的研究思想，并給出了嚴(yán)格的電磁場理論證明，解決了長期以來關(guān)于掠入射極限情況下的古斯?jié)h欣位移的爭論，此外還具體分析了窄光束掠入射時的頻譜

4、疊加效應(yīng)。這一工作不僅可以幫助理解全內(nèi)反射型光開關(guān)的工作機制，它對于處理勞埃德鏡等類似的光學(xué)問題也具有指導(dǎo)意義。 2.本文提出利用模式展開法來分析受限空間中光束的反射，指出了全內(nèi)反射型光開關(guān)中反射的本質(zhì)是奇階模和偶階模之間的簡并。并針對全內(nèi)反射型光開關(guān)功耗較大這一弊端，提出在設(shè)計時通過控制模式激勵來降低其工作對折射率下降的要求。 3.本文具體結(jié)合聚合物熱光效應(yīng)分析光在折射率二維梯度下降場中的反射。在推導(dǎo)熱場分布解析表達(dá)式

5、的基礎(chǔ)上，本文利用射線法來計算光在熱場中的反射軌跡。指出由于折射率在豎直方向的不均勻，不同水平面上的光線反射軌跡不同，最終導(dǎo)致光束在反射后被展寬。根據(jù)該展寬規(guī)律，全內(nèi)反射型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)必須做出相應(yīng)的調(diào)整。大部分實際的反射問題中反射區(qū)的折射率都是二維梯度變化的，本文給出的分析思路對研究這些問題都是有借鑒意義的，如本文提出的一種基于全內(nèi)反射機理的2×3光開關(guān)新結(jié)構(gòu)?；谝陨先齻€理論模型，實驗方面本文分別利用熱光效應(yīng)和載流子注入效應(yīng)進(jìn)行了工作

6、波長為1.55μm的全內(nèi)反射型光波導(dǎo)開關(guān)的制作和測試。首先，本文成功地在有機聚合物(丙烯酸氟化樹脂)材料上制作了2×2的熱光全內(nèi)反射型光開關(guān)單元。測試結(jié)果表明，功耗在80mw時，開關(guān)的消光比高于35dB，同時開關(guān)的速度在5ms左右。此外，本文對傳統(tǒng)的2×2結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，通過設(shè)置分段工作的電極實現(xiàn)了利用全內(nèi)反射原理完成光在三個端口間的切換，成功制作了2×3的光開關(guān)單元。另一方面，本文還進(jìn)行了化合物半導(dǎo)體材料上的高速全內(nèi)反射型光開關(guān)的初步制

7、作。本文設(shè)計并生長了GaAs/GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)材料，摸索了化合物半導(dǎo)體材料上的光波導(dǎo)器件制作工藝，并與北京半導(dǎo)體所合作，進(jìn)行了一次完整的流片。流片結(jié)果中觀察到了初步的光路切換現(xiàn)象，并且器件的響應(yīng)時間在70ns以下，初步實現(xiàn)了高速的目標(biāo)。 最后，本文基于W型五層波導(dǎo)的零階TE模截止特性，提出了一種能用作門開關(guān)或可變光衰減器的具有可調(diào)濾波特性的調(diào)截止型調(diào)制器方案。相較于已報道的其它類型的調(diào)截止型調(diào)制器，它具有尺寸小、工藝簡單、適