基于微加工技术的光开关及光互连结构研究

论文摘要

本博士论文对基于非硅基微加工技术的光开关的设计分析与器件制作以及基于软光刻技术的微光学器件进行了研究。 本文主体由两大部分构成。第一部分主要是基于非硅基微加工技术的光开关的研究,第二部分则是基于软光刻技术的微光学器件的研究。文中从理论分析和实验验证两个方面对器件的设计分析及制作封装进行了深入的研究。 第一部分包括四个章节,其中前三个章节分别介绍了三种非硅基光开关的设计,驱动原理及测试结果,另外一个章节则对这三种光开关的制作工艺做了一个总结。各章的主要内容分别介绍如下: 其中第二章介绍了由自锁型电磁驱动单元构筑的一种非硅基低电压驱动1×8光开关,该光开关具有小体积,低成本,可扩展的特点。该开关采用的自锁型电磁微镜驱动单元具有落地面积小,集成度高的特点,有很高的通用性,能够组成多种单元阵列,拓展出多种端口光开关。基于此单元的1×2,1×4,1×8,2×2光开关已经试制成功,并通过了浙江省新产品鉴定。 第三章介绍了一种非硅基微机械小型可扩展1×2光开关,该开关封装体积小,开关速度快,功耗低,是一种性能优越的光路切换器件,可广泛应用于光交换网络和光纤测试系统中。通过对原有1×8开关驱动单元的改进,实现了0-5VDC的标准开关电源驱动,便于系统集成,同时继承了原反射单元体积小,切换速度快的特点,通过活动单元的阵列,可将其扩展为1×N光开关。 第四章介绍了光纤直接耦合型非硅基1×2光开关,该器件是在我们前面两种采用光纤准直器类型的光开关基础上研究开发的。该器件使用电磁微线圈驱动一封装在微加工柔性框架上的活动光纤来对准另两根固定光纤,实现光路转换。驱动电压为5V,开关时间小于2ms,插入损耗0.9dB～1.1dB。器件构造工艺采用了CNC雕刻技术和EDM技术。 第五章对前面几种开关器件的制作及封装工艺进行了总结和分析,分开关实现技术、元件分析、封装方式比较、制作工艺流程及专用工装等几个方面进行了详细介绍。总结出了一整套光无源器件制作的工艺流程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 本论文的研究内容、主要工作及创新点
• 1.1.1 本论文的研究内容及结构
• 1.1.2 作者的主要工作
• 1.1.3 本文的主要创新点
• 1.2 技术背景及市场需求
• 1.3 光开关技术现状
• 1.2.1 机械型光开关
• 1.2.2 MEMS型光开关
• 1.2.3 波导型光开关
• 1.2.4 液晶型光开关
• 1.2.5 其他类型的光开关
• 1.3 微加工技术及MEMS概述
• 1.3.1 硅基MEMS技术
• 1.3.2 非硅基MEMS技术
• 1.4 软光刻技术概述
• 1.4.1 工艺简介
• 1.4.2 工艺类型
• 1.4.3 软光刻在微光学中的应用
• 1.5 本章小结
• 第一部分 基于非硅基微加工技术的微机械光开关
• 第二章 非硅基自锁型微机械光开关
• 2.1 工作原理及基本结构
• 2.2 理论分析与计算
• 2.2.1 驱动单元的理论分析
• 2.2.2 开关时间的理论计算
• 2.3 器件性能测试
• 2.3.1 开关时间测量
• 2.3.2 其他测试
• 2.4 本章小结
• 第三章 非硅基小型可扩展1×2微机械光开关
• 3.1 相关背景
• 3.2 器件设计及结构改进
• 3.3 性能测试与比较
• 3.3.1 插入损耗
• 3.3.2 开关时间
• 3.3.3 重复性
• 3.3.4 开关寿命
• 3.3.5 外形尺寸
• 3.3.6 驱动电压及输入功率
• 3.4 本章小结
• 第四章 非硅基光纤直接耦合型光开关
• 4.1 技术背景
• 4.2 器件设计与制作
• 4.3 器件理论分析
• 4.3.1 驱动系统电磁场分析
• 4.3.2 弹性框架性能分析
• 4.4 性能测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 微机械开关器件制作工艺
• 5.1 实现技术简介
• 5.1.1 EDM技术
• 5.1.2 CNC雕刻技术
• 5.2 关键元件性能研究
• 5.2.1 准直器性能理论分析及测试
• 5.2.2 准直器焊接固定稳定性实验研究
• 5.3 器件制作工艺介绍
• 5.3.1 器件的制作工艺步骤
• 5.3.2 封装中的主要问题
• 5.4 准直器对准调节装置
• 5.5 本章小结
• 第二部分 基于软光刻技术的光学器件
• 第六章 基于软光刻的光互连耦合结构
• 6.1 光互连概述
• 6.1.1 光互连的兴起及其发展
• 6.1.2 光互连的分类
• 6.1.3 光互连存在的技术问题
• 6.1.4 光电系统的思路设计
• 6.2 光互联耦合结构方案
• 6.2.1 光互连耦合结构原理
• 6.3 光互连耦合波导的设计
• 6.3.1 已经提出设计方案及其缺点
• 6.3.2 三维光互连耦合波导方案的设计
• 6.4 三种结构的耦合效率模拟
• 6.4.1 光互连耦合波导结构参数设计
• 6.4.2 三种结构耦合效率对比性分析
• 6.5 光互连耦合结构的制作
• 6.6 本章小结
• 第七章 定向耦合器型高聚物光开关
• 7.1 高聚物光开关概况
• 7.2 理论分析
• 7.3 波导结构数值计算及器件性能数值模拟
• 7.3.1 波导结构数值计算
• 7.3.2 器件性能数值模拟
• 7.4 结论
• 第八章 总结与展望
• 8.1 工作总结：
• 8.2 分析与展望
• 【参考文献】
• 附录1：博士期间发表论文：
• 附录2：博士期间授权和申请的专利：
• 致谢