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波導(dǎo)熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備
光OMAL歐瑪爾開關(guān)及其陣列在光通信網(wǎng)絡(luò)中具有重要的應(yīng)用，如微光機(jī)電系統(tǒng)光OMAL歐瑪爾開關(guān)、液晶光OMAL歐瑪爾開關(guān)等。與上述光OMAL歐瑪爾開關(guān)相比，波導(dǎo)光OMAL歐瑪爾開關(guān)由于沒有機(jī)械移動(dòng)部件，因而在可靠性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)和潛在應(yīng)用價(jià)值。在波導(dǎo)光OMAL歐瑪爾開關(guān)中，熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)體積小、可擴(kuò)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，是光OMAL歐瑪爾開關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。響應(yīng)時(shí)間和功耗是熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的主要性能指標(biāo)，研制響應(yīng)速度快、功耗低的熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)一直是人們追求的目標(biāo)。

波導(dǎo)熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備
近年來，為了加快響應(yīng)時(shí)間并降低功耗，人們相繼報(bào)道了Si/SiO2熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)和全聚合物熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)。硅材料具有大的導(dǎo)熱系數(shù)，因此Si/SiO2熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)響應(yīng)速度快，但是其OMAL歐瑪爾開關(guān)功耗一般較高。為了解決無機(jī)波導(dǎo)熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)功耗大的缺點(diǎn)，雖然人們研究了各種類型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（如懸浮型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)），但是，器件的制作工藝相當(dāng)復(fù)雜，而且實(shí)驗(yàn)效果不是十分理想。與無機(jī)材料熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)相比，聚合物熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)具有功耗低和制作工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，其缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間較長，一般為ms量級(jí)。鑒于上述兩類熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)，為了使器件兼具低的功耗和快的響應(yīng)速度，人們研究了一類有機(jī)/無機(jī)混合結(jié)構(gòu)的熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)。利用聚合物材料SU-8和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分別作為芯層和上包層、無機(jī)材料SiO2作為下包層、Si材料作為襯底，制備了多種有機(jī)/無機(jī)混合結(jié)構(gòu)熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)。一方面，由于SU-8材料的熱光系數(shù)較大（1.8×10-4K-1），這可降低器件的驅(qū)動(dòng)功率；另一方面，由于PMMA（n3=1.4798@1550nm）與SU-8（n1=1.5742@1550nm）間的折射率差較大，上包層可以制作的較薄，這將加快電極產(chǎn)生的熱量向芯層的傳導(dǎo)速率，同時(shí)由于SiO2材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大，這也將加快芯層中熱量的散失，這些都有利于縮短器件的上升和下降時(shí)間。的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：從麥克斯韋方程出發(fā)，得到電磁場(chǎng)全矢量、半矢量、標(biāo)量本征方程和邊界條件，利用有限差分法推導(dǎo)出它們的有限差分形式，將此方法應(yīng)用到矩形波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的模式分析中，并將三個(gè)有限差分法的計(jì)算結(jié)果做了對(duì)比；從橫向亥姆赫茲方程出發(fā)得到三層平板波導(dǎo)光場(chǎng)強(qiáng)度分布的解析形式和模式有效折射率，并將其應(yīng)用到有效折射率法中，推導(dǎo)出矩形和脊形波導(dǎo)的模式有效折射率；采用解析法和有限差分法對(duì)二維狹縫（slot）波導(dǎo)模式作了分析，采用半矢量有限差分法對(duì)三維狹縫波導(dǎo)作了分析；推導(dǎo)固體熱傳導(dǎo)方程的一般形式和穩(wěn)態(tài)形式，并利用合適的差分網(wǎng)格推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程的有限差分形式。針對(duì)聚合物材料有熱光系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)小、制備工藝簡(jiǎn)單和成本低的特點(diǎn)，而無機(jī)材料具有熱光系數(shù)相對(duì)較小、導(dǎo)熱系數(shù)大、制備工藝相對(duì)復(fù)雜且成本相對(duì)較高的特點(diǎn)，提出了有機(jī)無機(jī)復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，制備了不同類型的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)：1）采用濕法腐蝕工藝，充分利用有機(jī)無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，分別以聚合物材料SU-8和PMMA為波導(dǎo)的芯層和上包層，以無機(jī)材料SiO2為下包層，制備了1×1MZI熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定波導(dǎo)上下包層厚度的理論*值，分別為3μm和2μm。利用數(shù)字計(jì)算方法給出了熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)光場(chǎng)和熱場(chǎng)的分布。對(duì)制備好的熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)在1550nm下進(jìn)行了測(cè)試，從不同波導(dǎo)尺寸熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的穩(wěn)態(tài)特性測(cè)試可以看出，在波導(dǎo)橫截面*尺寸為2.5μm×2.5μm時(shí)，OMAL歐瑪爾開關(guān)的驅(qū)動(dòng)功率僅為4mW，消光比高達(dá)29.6dB。從OMAL歐瑪爾開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試可以看出，OMAL歐瑪爾開關(guān)10-90%的上升時(shí)間73.5μs，90-10%的下降時(shí)間為96.5μs。2）與1×1MZI熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)采用相同的濕法腐蝕工藝和同樣的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)體系，制備了有機(jī)無機(jī)復(fù)合波導(dǎo)1×2多模干涉（MMI）MZI熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)。通過測(cè)試得到此熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的OMAL歐瑪爾開關(guān)功率是9.6mW，在交叉態(tài)的串?dāng)_是-23dB，上升和下降時(shí)間分別為264μs和444μs。3）為了利于波導(dǎo)之間的耦合，采用ICP刻蝕工藝制備了脊形波導(dǎo)1×2定向耦合器（DC）MZI熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)。通過測(cè)試得到此器件的OMAL歐瑪爾開關(guān)功率是10.7mW，在交叉態(tài)和直通態(tài)的串?dāng)_分別是-11.5dB和-23dB，器件1端口10%-90%上升時(shí)間是170μs，90%-10%下降時(shí)間是560μs，2端口10%-90%上升時(shí)間是200μs，90%-10%下降時(shí)間是560μs。

波導(dǎo)熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備
模擬結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的寬光譜熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的兩個(gè)輸出端口在110nm的波長范圍內(nèi)，消光比都大于30dB。而傳統(tǒng)的MZI型熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的輸出功率譜只有50-60nm，也就是說，設(shè)計(jì)的寬光譜熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的光譜比傳統(tǒng)MZI型熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)寬了近一倍。