非对称电极Y分叉型1×2 Ti：LiNbO3数字光开关研究

论文摘要

人们对光网络容量史无前例的需求促使了光交换网、光开关及其阵列的发展。铌酸锂作为制作光开关的衬底材料，因为其良好的电光系数、易于制作的特性和合适的价格，已经被广泛研究了几十年。除此之外铌酸锂基制作的开关速度非常快，达到纳秒量级。它的发展方向主要是低端口快速光开关阵列。本论文首先综合比较了制作开关的各种材料、结构和开关效果，然后结合本实验室现有的条件，选择了Ti∶LiNbO3波导作为我们的研究对象，提出一种关于非对称电极低串扰1×2数字光开关的新型设计。它是在Y分叉后端引入S弯曲波导电光可变光衰减器（Variable Optical Attenuator VOA），通过在Y分叉处的非对称电极和弯曲波导的弯曲电极施加相同的同步电压，可以控制光的传播通道，实现较低的串扰。S弯曲波导结构在其相应弯曲部位配以共面电极，可以用来增大辐射损耗进而降低串扰。通过理论研究和软件模拟，确定了单模波导传输条件，选取合适的Ti条厚度60nm，扩散时间9～10h，波导宽度6～7μm等。本文对S型VOA的半径，波导宽度，弯曲形状等因素对弯曲波导型作了研究，在较低电压下，VOA实现了＞20dB的消光比，插入损耗也比较小，符合我们设计的目的。优化后的开关设计参数为：开关有效长度约27mm，Y分叉角为0.18°，电极边缘最佳间距3.5μm，VOA长12mm。采用有限差分光束传播方法来分析。Beamprop软件计算得到的结果为：使用TM模调制，在光波长为1.55μm时、外加驱动电压为6V左右时，得到了＜-30dB的串扰值，比不带VOA的开关串扰小约5dB。在实验方面，我们也对光刻、剥离、磨片等工艺步骤进行了探索，找到了较好的工艺参数。但由于时间和实验条件的限制，目前实验完成了波导制作和通光测试，下一阶段电极制作有待继续。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光开关技术概论
• 1.2.1 光开关在光网络中的应用方向
• 1.2.2 光开关分类及介绍
• 1.2.3 数字光开关
• 1.3 光开关国内外进展
• 1.4 本论文主要内容
• 参考文献
• 3波导技术'>第二章 Ti:LiNbO₃波导技术
• 3材料特性'>2.1 LiNbO₃材料特性
• 3电光效应'>2.1.1 LiNbO₃电光效应
• 2.1.2 晶轴取向
• 3波导'>2.2 Ti:LiNbO₃波导
• 2.2.1 Ti扩散波导浓度分布数学模型
• 3波导单模截止条件'>2.2.2 Z切 Ti:LiNbO₃波导单模截止条件
• 2.2.3 Ti扩散浓度分布及对折射率影响
• 2.2.4 模式匹配条件
• 参考文献
• 第三章 弯曲波导型电光可变衰减器设计分析
• 3.1 弯曲损耗原理
• 3.2 弯曲波导型电光 VOA设计原理
• 3.3 弯曲波导的优化分析
• 参考文献
• 3数字光开关设计'>第四章 非对称电极 Y分叉型Ti:LiNbO₃数字光开关设计
• 4.1 Y分叉数字光开关工作原理
• 4.2 算法分析
• 4.2.1 FD-BPM算法分析
• 4.2.2 BPM算法边界条件
• 3电极调制分析'>4.3 LiNbO₃电极调制分析
• 4.3.1 集总参数式光波导调制器
• 4.3.2 行波电极光波调制器
• 3数字光开关设计'>4.4 非对称电极 Y分叉型Ti:LiNbO₃数字光开关设计
• 4.4.1 设计原理
• 4.4.2 Y分支尖角的优化设计
• 4.4.3 开关参数优化
• 4.4.4 版图制作
• 参考文献
• 第五章 工艺制作及测试
• 5.1 基片清洗
• 5.2 波导制作
• 5.2.1 光刻
• 5.2.2 提浮法制作 Ti膜图形
• 5.2.3 Ti扩散
• 5.3 缓冲层和电极制作
• 5.4 端面抛光
• 5.5 制作过程中出现的问题
• 5.6 通光
• 参考文献
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢辞
• 附录:硕士期间发表论文及申请专利情况