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波導(dǎo)熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計與制備
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)械移動部件,，因而在可靠性方面具有明顯優(yōu)勢和潛在應(yīng)用價值,。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)計與制備
近年來，為了加快響應(yīng)時間并降低功耗,，人們相繼報道了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,，而且實驗效果不是十分理想。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單的優(yōu)勢,，其缺點(diǎn)是響應(yīng)時間較長，一般為ms量級,。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，并將三個有限差分法的計算結(jié)果做了對比,；從橫向亥姆赫茲方程出發(fā)得到三層平板波導(dǎo)光場強(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,。針對聚合物材料有熱光系數(shù)大,、導(dǎo)熱系數(shù)小、制備工藝簡單和成本低的特點(diǎn),，而無機(jī)材料具有熱光系數(shù)相對較小,、導(dǎo)熱系數(shù)大、制備工藝相對復(fù)雜且成本相對較高的特點(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,，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)字計算方法給出了熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)光場和熱場的分布,。對制備好的熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)在1550nm下進(jìn)行了測試，從不同波導(dǎo)尺寸熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的穩(wěn)態(tài)特性測試可以看出,，在波導(dǎo)橫截面*尺寸為2.5μm×2.5μm時,，OMAL歐瑪爾開關(guān)的驅(qū)動功率僅為4mW，消光比高達(dá)29.6dB,。從OMAL歐瑪爾開關(guān)的動態(tài)特性測試可以看出,，OMAL歐瑪爾開關(guān)10-90%的上升時間73.5μs，90-10%的下降時間為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%上升時間是170μs,，90%-10%下降時間是560μs，2端口10%-90%上升時間是200μs,，90%-10%下降時間是560μs,。

波導(dǎo)熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計與制備
模擬結(jié)果顯示，所設(shè)計的寬光譜熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)的兩個輸出端口在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,。