基于微流控技术的阵列光开关波导结构理论分析及优化

论文摘要

随着社会信息化程度的普遍提高,通信网容量增长迅速,当前光网络中光-电-光的交换方式已成为限制通信容量的电子瓶颈。全光交换是光纤通信网的发展方向,光交叉连接（OXC）是全光网的核心,光开关作为OXC的关键器件,是当前光通信领域的研究热点。在光纤通信系统中,光开关阵列的突出特点在于它可以在网络出现拥堵时通过自动保护倒换功能为网络预留备份通道,实现系统的可靠性工作;并且实时监测网络性能和元器件性能。目前应用较多的光开关有:机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。论文中提出一种波导型微流控光开关,将现代微流控技术和微光电子技术相结合,通过电控方法改变微流控芯片波导结构,实现光路变化。因此具有良好的可靠性,和MEMS相比没有机械损耗,使用的开关次数更多、可重复性好、结构简单、有利于光开关集成化、微型化及制作。论文的主要内容如下:（1）分析了光线在均匀薄膜波导以及介质条形波导中的传播情况,用马卡梯里近似方法求解条形波导电磁场近似解,分析了条形波导横向电磁场的分布特性。（2）研究了有限元方法在光波导问题中的应用、有限元方法解题的一般步骤,以及有限元网格划分和生成的基本思想。（3）提出基于微流控方法的波导型光开关模型,并介绍其工作原理。通过Comsol软件仿真了光线在波导层的传输情况,研究了波导层折射率的变化对光开关传输性能的影响。（4）分别研究了细管偏转角、y方向波导横向偏移的变化对波导层传输性能的影响,由古斯-汉欣位移理论产生联想,提出了一种斜交叉的光开关结构,研究其波导层的传输性能。有限元法凭借其对光波导任意形状的适应性、高的计算精度等特点,将在光波导分析中起到越来越重要的作用。仿真结果表明,波导层折射率为1.5时,插入损耗最小;x方向波导和y方向波导夹角77.5°时,可减小光开关的插入损耗。由于光开关阵列应用微流控技术,具有体积小易于集成,易构成大容量交换矩阵,可重复性好、结构简单、制作成本低,因此具有研究意义和研究价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 全光网（AON）及其相关技术
• 1.1.1 全光通信概述
• 1.1.2 全光网的部分相关技术
• 1.2 光开关在网络中的应用及其常见分类
• 1.2.1 常见的光开关及其特点
• 1.2.2 光开关在网络中的应用
• 1.3 本课题的主要工作和创新点
• 第二章 条形介质波导的电磁场理论
• 2.1 均匀介质薄膜波导中光线的传播
• 2.1.1 光线的传播路径及光线分类
• 2.1.2 传播时延及时延差
• 2.2 常见的条形介质波导及其马卡梯里近似解法
• 2.2.1 各种条形波导介绍
• 2.2.2 马卡梯里（Marcatili）近似解法
• 2.3 有效折射率法
• 2.3.1 分析基础
• 2.3.2 模式本征方程
• 2.3.3 脊形波导
• 2.4 本章小结
• 第三章 有限元方法在电磁场分析中的应用
• 3.1 有限元方法在光波导问题中的应用
• 3.2 有限元法求解问题的一般计算步骤
• 3.3 网格的划分与生成
• 3.3.1 网格划分的基本思想
• 3.3.2 网格的生成
• 3.4 后处理程序
• 3.5 本章小结
• 第四章 一种基于微流控的光开关模型
• 4.1 光开关的主要性能参数
• 4.2 基于微流控的新型光开关的主体结构
• 4.2.1 微流控技术与微流控分析芯片
• 4.2.2 新型微流控光开关结构的主体结构
• 4.2.3 微流控光开的工作原理
• 4.3 波导层传输性能分析
• 4.3.1 Comsol Multiphysics 软件介绍
• 4.3.2 波导层传输性能分析
• 4.4 波导层材料研究
• 4.4.1 波导材料的折射率对波导层传输性能的影响分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 光开关结构优化
• 5.1 古斯-汉欣（Goos-Haenchen）位移理论
• 5.2 细管偏转角度对波导层传输性能的影响分析
• 5.3 y 方向波导层的横向偏移对传输性能的影响分析
• 5.4 由古斯-汉欣（Goos-Haenchen）位移所联想到的斜交叉结构
• 5.5 光开关阵列
• 5.6 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 硕士研究生期间发表论文情况