典型光子器件和MEMS器件的有限元分析

论文摘要

随着光通信网络技术的发展，对光器件性能提出了越来越高的要求，同时MEMS器件在微波、航天、航空、汽车、生物医学、环境监控等领域也发挥着越来越重要的作用，本论文采用有限元数值分析方法，对采用SOI和PMMA的波导型M-Z热光开关、新型LiNbO3电光调制器和悬臂型MEMS开关等一些典型器件进行了详细计算和分析，考察了其主要结构参数与性能之间的关系，从而为这些器件的优化设计提供了理论依据。论文首先通过热力学分析计算，研究了采用SOI和PMMA的波导型M-Z热光开关的响应时间和功耗，发现SOI热光开关的功耗在0.15W量级，开关的响应时间可达到上升120μs和下降100μs，而PMMA热光开关的功耗只有约3.7mW，比SOI热光开关降低两个数量级，但其开关的响应时间大约为上升16ms、下降19ms，要比SOI热光开关慢两个数量级。进一步论文通过静电分析，研究了传统结构和采用T形电极、脊波导及空气背槽的新型LiNbO3电光调制器的结构参数与性能的关系，发现传统结构很难同时对相速和阻抗实现匹配，而新型结构的LiNbO3电光调制器可以实现相速和阻抗的理想匹配。在前面的分析基础上在我们找到了一组优化结构参数，使得器件的3dB带宽达到98GHz，特性阻抗和损耗系数分别为52Ω和0.464dB／(cm·GHz1／2)，半波电压为7.13V，其整体性能比传统结构的LiNbO3电光调制器有显著提高。最后本文通过力电耦合场分析，对悬臂型MEMS开关进行了研究，计算了不同结构参数条件下的悬臂形变和开关电压，以及实现开关动作所需要的最小驱动电压。论文数值模拟结果与现有文献理论和实验数据相吻合，可作为这些光器件和MEMS器件的优化设计参考，也可以此为借鉴进行其他器件的有限元数值分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光通信网络
• 1.1.1 光通信网络的产生和发展
• 1.1.2 光通信系统中的核心器件
• 1.2 MEMS技术和MEMS器件
• 1.2.1 MEMS技术简介
• 1.2.2 典型射频MEMS器件
• 1.3 有限元数值分析方法及ansys软件简介
• 1.3.1 有限元数值分析方法简介
• 1.3.2 工程分析软件ANSYS介绍
• 1.4 论文内容安排
• 第二章 有限元数值分析方法原理
• 2.1 基本思想
• 2.2 瞬态传热问题的有限元分析原理
• 2.2.1 微分方程、边界条件和初始条件
• 2.2.2 瞬态温度场的有限元离散和泛函变分矩阵表达式
• 2.3 使用ANSYS有限元分析软件求解问题的步骤
• 第三章 波导型M-Z热光开关性能分析
• 3.1 不同结构类型的光开关
• 3.2 SOI热光开关性能分析
• 3.2.1 理论模型
• 3.2.2 开关功耗和温度场分布
• 3.2.3 开关的响应速度
• 2厚度对热光开关性能的影响'>3.2.4 包层SiO₂厚度对热光开关性能的影响
• 2厚度对热光开关性能的影响'>3.2.5 埋层SiO₂厚度对热光开关性能的影响
• 3.3 采用PMMA的M-Z型热光开关性能分析
• 3.3.1 理论模型
• 3.3.2 功耗和温度场分布
• 3.3.3 开关响应速度
• 2衬底厚度对开关功耗和速度的影响'>3.3.4 SiO₂衬底厚度对开关功耗和速度的影响
• 3.3.5 PMMA层厚度对开关功耗和速度的影响
• 3.4 结论与比较
• 3电光调制器性能分析与结构优化'>第四章 LiNbO₃电光调制器性能分析与结构优化
• 3电光调制器的结构'>4.1 LiNbO₃电光调制器的结构
• 4.1.1 电光调制器的典型结构
• 4.1.2 新型电光调制器结构
• 3电光调制器的性能分析'>4.2 传统结构LiNbO₃电光调制器的性能分析
• 4.2.1 基本理论
• 4.2.2 计算与讨论
• 3电光调制器的性能分析'>4.3 新型结构LiNbO₃电光调制器的性能分析
• 4.3.1 调制器的理论模型
• 4.3.2 计算与讨论
• 第五章 静电驱动MEMS悬臂型开关分析
• 5.1 静电驱动MEMS开关的基本原理
• 5.2 计算和分析
• 5.2.1 悬臂型开关模型和尺寸
• 5.2.2 耦合场分析流程
• 5.2.3 开关驱动电压的计算
• 5.2.4 开关的结构尺寸对驱动电压的影响
• 5.2.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢