论文题目: 微流控集成光波导光开关的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 黄腾超
导师: 刘旭
关键词: 光开关,微流控,波导,微机电系统,热毛细效应,折射率匹配液
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 光开关是现代光通讯系统和传感器网络的关键器件,利用微机电系统（MEMS）技术的集成光波导光开关以其体积小、性能高、成本低等优点成为众多解决方案中有力的竞争者之一。本论文以微流控集成光波导光开关为研究对象,从理论与实际工艺制备等方面对其进行探索。 论文将微流控精确,迅速的特点与MEMS批量制造优势相结合,从理论上提出了一种新型热驱动微流控光开关设计,将波导结构和开关功能结构集成在一个基底结构上,使器件阵列具有体积微小,易集成,可靠性好的优点。依据热力学定理和微流体特性,创新地提出了利用表面张力作为光开关器件的驱动力,控制折射率匹配的液体在微通道内秩序流动的方案,提出并建立了流体在微通道内运动的热毛细效应模型。 论文阐述了离子交换制作光波导的一般理论,利用有限差分法研究了离子扩散波导内部离子浓度分布,折射率分布。利用条形函数法分析了电磁波在扩散光波导中的传播理论,较为系统地研究了制备时扩散温度,扩散时间等因素对波导光学性能的影响。并以此为基础,通过K+—Na+二次热交换的方法制备了平面和条形光波导,控制扩散温度和扩散时间,制得了不同工艺条件下的光波导。 在光开关器件的制作工艺中,论文首次提出了“SiO2薄膜辅助硅—玻璃热键合技术”,SiO2作为辅助键合层,减小了由于玻璃、硅材料热膨胀差异带来的内部应力,该技术对硅—玻璃直接键合技术是一项补充。微加热器件的设计制作过程中,论文中提出了硅基底上二次硼扩散制作微电阻的方案,微电阻通入I=40mA,占空比1∶4的电流脉冲时,可以在表面得到100K的温度差。论文创新性地提出了利用压力精确控制微量液体注入液槽的设计方法,解决了微量折射率匹配液进入液槽的技术问题。论文详细阐述了利用湿法腐蚀工艺制备液槽的过程,探索并测量了刻蚀过程中,腐蚀液成分,腐蚀时间,掩膜材料对腐蚀的影响。 制得的光开关插入损耗为2.9dB,开关响应时间为110ms。论文分析了影响其指标的机理和因素。 本论文开展了微流控集成光波导光开关的研究,总结了制作器件的工艺过程当中的一些重要现象和效应。对下一步的工作进行了展望,确定了改进方向与措施。
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
§1.1 光网络概述
§1.2 光开关研究概述
§1.3 MEMS及MOEMS系统研究概况
§1.3.1 MEMS主要加工工艺
§1.3.2 MEMS的主要应用
§1.3.3 光学与微机电系统的结合(MOEMS)
§1.3.4 MOEMS器件的优势与局限
§1.4 MOEMS光开关国内外研究概况
§1.4.1 机械光纤光开关
§1.4.2 扭臂式MOEMS静电光开关
§1.4.3 悬臂梁式MOEMS静电光开关
§1.4.4 MOEMS反射镜式光开关
§1.5 本课题的研究内容及目标
§1.6 课题特色及创新点
§1.7 论文内容
第二章 光开关结构设计和数值模型
§2.1 微流控集成波导光开关的结构设计
§2.1.1 光开关总体结构设计思想
§2.2 微流控集成光波导开关功能的数值模拟
§2.2.1 折射率匹配液在液槽中运动模型
§2.3 本章小结
第三章 离子交换制作玻璃波导的理论模型
§3.1 离子交换玻璃波导理论基础
§3.1.1 离子交换玻璃波导扩散的物理化学过程
§3.1.2 离子交换玻璃波导扩散过程离子浓度分布模型
§3.1.3 离子扩散玻璃波导扩散过程折射率分布模型
§3.2 离子扩散玻璃波导内的电磁波理论
§3.2.1 离子扩散玻璃波导内的电磁波基本理论
§3.2.2 条形函数法计算波导内部电磁场
§3.2.3 离子扩散波导内部电磁场分析
§3.3 液槽的宽度对光开关插入损耗性能的影响
§3.4 本章小结
第四章 光开关制作过程关键工艺的研究
§4.1 光开关光路部分制作关键工艺
§4.1.1 K~+—Na~+二次离子交换制作平面玻璃波导
§4.1.2 K~+—Na~+二次离子交换制作玻璃波导
§4.2 光开关开关功能结构的制作工艺
§4.2.1 液槽的制作工艺的研究
§4.2.2 固体硼离子源二次扩散制作加热电阻阵列
§4.3 注液机构设计
§4.4 三层结构键合
§4.4.1 玻璃—玻璃真空热直接键合工艺
§4.4.2 SiO_2薄膜辅助硅—玻璃热键合技术
§4.5 本章小结
第五章 光开关性能测试结果与分析
§5.1 离子扩散波导性能测试
§5.1.1 平面离子扩散波导性能测试
§5.1.2 条状离子扩散波导性能测试
§5.2 硼扩散微电阻性能测试
§5.2.1 加热系统设计
§5.2.2 测温系统设计
§5.2.3 上位机程序
§5.2.4 测试结果及分析
§5.3 MEMS光开关性能测试系统
§5.3.1 开关响应时间及插入损耗结果与分析
§5.3.2 匹配液运动的前端形状
§5.4 内嵌光纤微流控光开关设计思路
§5.4.1 内嵌光纤微流控光开关设计思路
§5.4.2 开关响应时间及插损耗结果
§5.5 本章小结
总结
参考文献
致谢
攻读博士学位期间的文章
期刊论文
会议论文
发布时间: 2005-07-27
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