基于静电驱动的F-P腔可调谐光滤波器的设计

论文摘要

可调谐光学滤波器是现代宽带光网中的一种核心器件,在波分复用光纤网络中,它可将光纤中不同波长传输的信号进行复用或解复用,或者在光网络中用作光插、分复用器。本论文的主要工作包括可调谐光滤波器的理论设计,可调谐光滤波原理分析与计算,F-P腔尺寸设计,滤波器性能模拟,静电驱动理论计算,电极施加位置方案比较,ANSYS理论模拟,包括静力学分析和动力学分析等。首先主要对可调谐滤波器的主体部分进行光学结构设计,主要包括F-P腔和DBR反射镜的结构设计。SOI脊型波导的结构设计,基于这些光学结构参数,模拟了该滤波器的性能,并给出了调谐状态下的频移特性。其次,滤波器的结构由SOI光波导、两个DBR反射镜、用于构成F-P腔的硅平台、平台上的电极和支撑梁组成,从滤波器的性能出发确定DBR镜和F-P腔的尺寸,从需要调谐的波长范围计算中间硅平台需要改变的折射率的大小进而计算出电极尺寸以及需要的功耗。在以上工作的基础上利用电磁学、结构动力学、有限元方法等为理论基础,对微机械静电梳状电极两端加电压所产生的静电力,以及静电力所形成的DBR移动电极的形变进行理论分析。再次,对于由两个或多个工程物理场之间相互作用形成的耦合场仅仅依靠理论计算远远不够,我们采用ANSYS有限元分析软件对该耦合场进行模拟,模拟结果与理论设计基本符合。最后对整体模型动态模型进行分析,主要分为模态分析和瞬态动力学分析,寻求整体模型固有频率和主振型,从而了解模型的振动特性,并且分析结构的响应,以计算结构振动时的达到稳态时间和变化规律。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外现状
• 1.3 研究内容
• 第二章 基于SOI 的F-P腔可调谐光滤波器的整体设计
• 2.1 基于SOI波导谐振腔的透射谱分析
• 2.2 F-P腔滤波器的结构优化
• 2.2.1 SOI脊型波导的设计
• 2.2.2 DBR反射结构的优化
• 2.3 可调谐滤波器的实现
• 2.4 器件整体结构设计
• 第三章 静电梳状电极结构设计与分析
• 3.1 静电梳状电极介绍
• 3.2 静电梳状电极结构设计
• 3.3 梳状电极力学分析
• 3.3.1 静电驱动电极工作原理
• 3.3.2 电容静电驱动的边缘效应分析
• 3.3.3 静电驱动负载分析
• 3.4 梳状电极在不同负载下的形变分析的比较
• 3.4.1 集中力负载情况形变梁分析
• 3.4.2 载荷均匀分布在整根梁的形变分析
• 3.4.3 载荷分布在固定梁两端的形变分析
• 3.4.4 载荷分布在固定梁中间部分的形变分析
• 3.5 系统参数优化
• 3.5.1 可调谐滤波器的灵敏度分析
• 3.5.2 固有频率
• 3.5.3 系统的瞬态动力学分析
• 3.6 结论
• 第四章 ANSYS建模及仿真
• 4.1 ANSYS有限元分析
• 4.1.1 ANSYS简介
• 4.1.2 有限元法
• 4.2 梳状电极的静力分析
• 4.2.1 结构静力学ANSYS有限元分析
• 4.2.2 梳状电极的静力学分析
• 4.3 梳状电极的动力学分析
• 4.3.1 动力学分析原理
• 4.3.2 模态分析
• 4.3.3 瞬态动力学分析
• 4.4 总结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 摘要
• Abstract