2×2光波导开关的理论研究与工艺制备

论文摘要

如今光纤传输技术发展飞速,光通信被利用于传输、路由、分配和发送语音、视频、数据、Internet和多媒体等等各个不同类型的信息,全光网络越来越多的走进了人们的生活。光开关是新一代全光网络的关键器件,主要用来实现全光层次的路由选择,波长选择,光交叉连接,自愈保护等功能。通过光纤或光学元件的移动使光路发生改变的机械式光开关开关时间较长,一般为毫秒量级,有的还存在回跳抖动和重复性差的问题。而通过电光效应、磁光效应、声光效应以及热光效应以改变波导折射率,使光路发生改变的波导型光开关具有开关时间短、体积小、稳定性好、便于光集成或光电集成的优点。目前国内外研究机构研究高性能的波导型光开关有其重要性和迫切性。本文首先对以铌酸锂为基底的2×2定向耦合器型光波导开关进行了深入的理论研究,分析了光在平面波导和条型波导中的传输理论,并用有效折射率法建立了模式的本征值方程,导出了波导的有效折射率,并在此基础上分析了光开关的工作原理,导出了耦合长度表达式; 本文以光传输的耦合模方程为基础,根据晶体的电光效应原理,设计出了光开关的单电极结构和反向交替?β型电极结构,通过分析对比理论效率和实际工艺的平衡,我们选择了反向交替?β型电极结构来调制2×2光波导开关; 在进行理论研究的同时,本文对光开关的工艺制作:光刻,溅射,扩散,抛磨端面,套刻电极等每一步工艺都进行了深入详细的实验研究。我们在现有的实验条件下,经过反复实验,分析和改进,克服了光刻,溅射,扩散等各个阶段中的难题,总结出各部分最优的工艺参数,制备出了2×2定向耦合器型光波导开关,在本文的最后对制备出的光波导开关的各种损耗进行了分析,建立了测试系统,对光开关进行了通光测试,并对本2×2定向耦合器型光波导开关以后的耦合封装V型槽进行了设计。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引论
• 1.2 光开关在全光网络中的作用
• 1.3 光开关研究新进展
• 1.3.1 机械式光开关
• 1.3.2 波导型光开关
• 1.3.3 液晶光开关
• 1.3.4 其他光开关
• 1.4 本论文的工作与意义
• 第二章 光在介质中传播的理论分析
• 2.1 介质平面波导分析
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 对称渐变折射率波导
• 2.1.3 非对称渐变折射率波导分析
• 2.2 条形波导分析
• 2.2.1 概述
• 3波导的折射率分布'>2.2.2 Ti:LiNbO₃波导的折射率分布
• 2.3 有效折射率法
• 2.4 单模条形波导的设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 光开关的原理分析
• 3.1 电光效应原理
• 3.2 铌酸锂晶体的线性电光效应
• 3.3 不同方向外电场所引起的电光效应
• 3.3.1 电场沿z轴方向
• 3.3.2 电场沿y轴方向
• 3.3.3 电场沿x方向
• 3.4 2×2 光波导开关工作原理
• 3.4.1 光波导开关的基本工作情况
• 3.4.2 光波导开关的性能指标
• 3.5 本章小结
• 第四章 2×2 光开关电极的设计
• 4.1 光波导耦合理论
• 4.1.1 耦合长度的计算
• 4.1.2 △ β对功率耦合的影响
• 4.2 电极的设计
• 4.2.1 单电极结构
• 4.2.2 反向交替△ β型电极结构
• 4.2.3 电极讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 2×2 方向耦合器型光波导开关的制备工艺
• 5.1 光刻工艺
• 5.2 溅射和扩散
• 5.3 电极制备
• 5.4 本章小结
• 第六章 2×2 光开关的参数测试
• 6.1 2×2 光开关芯片的制作结果
• 6.2 2×2 光开关芯片的性能估算与参数测试
• 6.2.1 参数估算
• 6.2.2 通光测试结果
• 6.3 2×2 光开关芯片的封装工艺的讨论研究
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢