低功耗有机/无机混合结构热光开关的研制

利用聚合物材料SU-8作为芯层、聚合物材料PMMA作为上包层和无机材料SiO2作为下包层,设计并研制了一种有机/无机混合结构的Mach-Zehnder干涉(MZI)热光(TO)开关。为了保证波导中的单模传输、减小模式辐射损耗和衬底泄露损耗、缩短响应时间并降低器件功耗,对其结构参数做了优化。利用化学气相沉积(CVD)、涂膜和湿法刻蚀等工艺制备了器件样品。在1 550nm工作波长下,器件的开和关状态的驱动功率分别为0和13mW(开关功率为13mW),开和关状态间的消光比为18.3dB。在方波驱动电压信号作用下,测得器件的上升和下降时间分别为126和134μs。与无机材料Si/SiO2和全聚合物材料研制的TO开关相比,本文研制的混合结构器件综合利用了芯层聚合物材料热光系数大、上/下缓冲层厚度均较小以及Si/SiO2导热系数大的优点,因此同时具备了较低的功耗和较快的响应时间,在光通信系统中具有较好的应用前景。     

基于Polymer/SiO_2的快速低功耗可变光衰减器的研制

为了有效改善基于无机材料的可变光衰减器(VOA)功耗大以及全聚合物VOA响应速度慢的问题,设计并研制了一种基于有机聚合物/无机SiO2材料的马赫曾德尔干涉仪(MZI)型VOA器件。根据脊型波导结构的单模传输条件,设计并优化了单模波导的截面尺寸,同时对器件结构进行了模拟,采用光刻和显影等工艺制备出功耗较低、响应速度快的VOA器件。在1550nm通信波长下,器件的衰减范围为23dB,最大功耗仅为14mW,器件的上升时间为252μs,下降时间为384μs。实验结果表明,采用有机/无机混合波导结构,并通过对器件结构参数的优化,可以实现功耗低且响应快速的VOA器件。     

650nm波长低功耗聚合物可变光衰减器的研制

为了有效改善基于无机材料的可变光衰减器(VO A)功耗大以及成本高的问题,设计并研制了一种基于有 机聚合物材料的低功耗马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型VOA器件。为保证器件的单模传输,优 化了波导的结构和横截面 尺寸,同时对加热电极的热场分布进行了模拟分析。最后,采用紫外光刻和湿法刻蚀等半导 体工艺,制备出功耗较低、响应速 度较快的VOA器件。在650nm工作波长下,测得器件的衰减为14.6dB,驱动功率仅为12.3mW,器件的上升时间为 240μs, 下降时间为200μs。实验结果表明,采用聚合物材料,并通过对器 件的结构参数进行优化,可研制出工作在可见光波段的低功耗VOA器件。     

基于悬浮波导的低功耗聚合物热光开关

设计制备了一种低功耗的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型聚合物热光开关器件,为降低开关的功耗,将器件加热区的调制臂波导设计成悬浮波导,从而抑制波导芯区处热量向硅衬底的扩散。模拟结果显示,相比于传统波导结构的热光开关,悬浮波导结构可以明显减少热扩散。利用半导体工艺成功制备了具有悬浮波导结构的热光开关器件,在1550 nm工作波长下,热光开关的功耗为9.3 mW,消光比为21 dB,开关的上升和下降时间分别为392μs和697μs。     

SiO2/聚合物Y分支波导型热光开关研究

为提高波分复用(WDM)光通信网中核心器件光开关 的响应速度,设计并制备了SiO₂/聚合物复合型 Y分支结构波导热光开关。器 件选择具有高热导率的SiO₂作为波导的下包层,低成本的聚甲基丙烯酸甲脂-甲基丙烯酸 环氧丙酯共聚物(P(MMA-GMA))作为芯层和上包层,利用束 传播法模拟和优化Y分支波导的设计,通过光刻、刻蚀和蒸发等传统半导体工艺进行器件制 备。实验测得开关插入损耗为12dB, 消光比为18dB,方波驱动的上升和下降响应时间均为200μs。实验结果表明,SiO₂/聚 合物复合波导结构可有效提高热场的扩散速度和折射率调节效率,减小开关的响应时间。     

低功耗聚合物MZI结构热光开关研究

设计并制作了一种基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构的低功耗聚合物热光开关。聚合物材料具有低热导率和高热光系数的优点,可以有效降低热光器件的功耗。在Si O2衬底上,采用热光系数较大的Norland紫外固化胶(NOA73)作为波导芯层,聚甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸环氧丙酯的共聚物[P(MMA-GMA)]作为波导的上包层,设计了热光开关器件,并对光场和热场进行了模拟,采用传统的半导体工艺完成了热光开关器件的制备。器件的测试结果表明,在1550 nm工作波长下,热光开关器件的消光比为20.2 d B,驱动功率仅为9.14 m W,开关的上升时间为174μs,下降时间为292μs。     

基于SU-8材料的无源-有源集成式电光开关设计与制备

对基于SU-8紫外负性光刻胶的无源-有源集成 式电光开关进行了系统的研究。 首先用物理掺杂的方法制备出价格 低廉、性能良好的主客掺杂型电光材料DR1/SU-8,反射法测量其电光系数约为11. 5pm/V@1310nm。为减小器件的插入损耗, 设计了有源芯层为DR1/SU-8、无源芯层为SU-8的倒脊形混合集成式波导结构。制作完 CPW行波电极后,对器件进行接 触极化。实验测得开关的上升时间和下降时间分别为5.6μs和5.2μs,插入损耗为13.8dB,与只用DR1/SU-8作为波导芯层的 器件相比,插入损耗减小了约2.8dB。实验结果表明,这种无源-有 源集成式电光波导有效地减小了器件的插入损耗,为制备 低损耗的电光器件和单片多功能集成器件奠定了一定的基础。     

宽光谱聚合物热光开关的制备及容噪特性研究

利用聚合物/SiO₂混合材料脊形波 导结构以及化学气相沉积(CVD)、涂膜和湿法刻蚀等 工艺,设计并制备了一种低功耗 马赫-曾德尔干涉(MZI)热光开关。测试了波导芯层和包覆层材料的色散特性,模拟分析了 器件的输出功率和光谱性能。以可调 谐激光器作为光源,实验测试了所制备器件的开关、响应和光谱特性。在1〖KG －1/ 6〗550nm中心波长下,器件的开关功耗约为7.8mW, ON与OFF状态间的消光比达32.6dB。在纯净方波驱动电压信号(峰峰 值为3V_pp)作用下,测得器件的上升和下降时间分别 为107μs。保持器件在1550nm波长下的驱动功率不变,测得器 件的输出光谱约为50nm(1520～1570nm),且在此范 围内,器件的消光比大于18dB。利用NE555等 集成电路自主制作了一种噪声幅度可调的含噪信号驱动源,借此研究了器件 的容噪特性。结果显示,当要求器件的消光比大于10dB时,可允许的最大噪声幅度为1.1V_pp。     

基于氮氧化硅与聚合物混合集成低功耗全内反射热光开关

利用具有相反热光特性的氮氧化硅(SiON)与聚合物材料,采用混合集成技术设计了一种低功耗全内反射(TIR)热光波导开关。该光开关通过在两交叉的氮氧化硅波导芯的X结中心部分制作一个深度等于波导芯厚度的狭缝,并在其中填充与波导包层相同的聚合物材料,同时在狭缝聚合物上方制作加热电极来实现开关功能。理论分析表明,通过选择与氮氧化硅折射率相匹配的聚合物材料,并优化设计单模光波导尺寸,两交叉波导间的夹角、所开狭缝的宽度以及相应的加热电极结构,对于1550nm的工作波长,开关的驱动功率在低至2.3mW时仍可实现消光比均大于36dB,串扰均小于-36dB的TE与TM模式。     

8×8重排无阻塞型SOI热光波导开关阵列

设计并制作了一种重排无阻塞型的8×8 SOI热光波导开关阵列。开关单元采用了MMI-MZI结构的2×2光开关。整个器件的开关时间约为2μs。器件中开关单元功耗小于240mW。消光比在17~22dB范围内变化。功耗和开关速度都明显优于SiO2基和聚合物基的开关阵列。     

Si基SiO2波导芯层热应力的理论研究

结合弹性多层板热应力理论和应力集中效应给出了Si基SiO2波导芯层热应力的解析解,推导了芯层应力差的解析表达式.说明对于传统阵列波导光栅,芯层应力差来源于初始翘曲和波导各层热膨胀系数差;系统分析了波导各层材料对芯层应力差的影响,指出调节衬底的热膨胀系数、上包层的热膨胀系数、衬底的厚度和下包层的厚度都可以消除芯层应力差,但改变衬底和上包层热膨胀系数是调节芯层应力差的主要手段;讨论了几种常见金属应力板对芯层应力差的影响.结果表明,在阵列波导底部高温粘贴适当厚度的金属板可消除芯层应力差.     

Si基SiO2波导芯层热应力的理论研究

结合弹性多层板热应力理论和应力集中效应给出了Si基SiO2波导芯层热应力的解析解,推导了芯层应力差的解析表达式.说明对于传统阵列波导光栅,芯层应力差来源于初始翘曲和波导各层热膨胀系数差;系统分析了波导各层材料对芯层应力差的影响,指出调节衬底的热膨胀系数、上包层的热膨胀系数、衬底的厚度和下包层的厚度都可以消除芯层应力差,但改变衬底和上包层热膨胀系数是调节芯层应力差的主要手段;讨论了几种常见金属应力板对芯层应力差的影响.结果表明,在阵列波导底部高温粘贴适当厚度的金属板可消除芯层应力差.     

掺杂LiYF_4:Er,Yb纳米晶的聚合物平面光波导放大器

采用高温热分解法合成了粒径约为10nm的LiYF4…Er,Yb纳米晶,将其掺杂入SU-8聚合物作为光波导放大器的有源层。以SiO2作为下包层,P(MMA-GMA)聚合物作为上包层,制备了LiYF4…Er,Yb纳米晶掺杂SU-8聚合物平面光波导放大器。当980nm波长抽运光功率为180mW时,在1535nm波长处获得了2.3dB/cm的相对增益率。     

基于Banyan网络的无阻塞SiO2波导4×4矩阵光开关

提出了一种基于Mach-Zehder干涉仪(MZI)结构开关单元和Banyan网络的严格无阻塞4×4矩阵光开关.相对于Crossbar结构的7级单元级联,Banyan结构只需3级连接.分析了Banyan网络中交叉连接损耗与交叉角度的关系,交叉角30°时损耗为0.09 dB.优化设计了MZI开关单元结构,并制作了2×2光开关,测得插入损耗(IL)为-14 dB、串扰(XT)为-38 dB和功耗为450 mW.设计了基于Banyan网络的4×4光开关,连接波导交叉角为30°.基于光波导平面光波线路(PLC)技术,制作了严格无阻塞的SiO2波导4×4矩阵光开关,测得平均IL为3.95 dB、通道XT为-37 dB、偏振相关损耗(PDL)为0.4 dB、单通道开关功率约为670 mW及开关响应时间小于1 ms.     

有机聚合物1×32波导热光开关阵列

研制出紧凑型树状分支结构马赫-曾德尔干涉(MZ I)型有机聚合物1×2热光开关以及1×32集成波导热 光开关阵列。利用旋转涂覆法、紫外固化工艺、接触曝光、反应离子刻蚀(RIE)、真空镀膜 、切割和抛光等传统 微加工工艺,成功完成了器件制备。通过优化刻蚀工艺,有效减小了刻蚀后波导的表面与侧 壁粗糙度。通过在 波导和金属掩膜层之间添加聚合物隔离层,进一步减小了波导的传输损耗。实验结果显示, 制备的1×2热 光开关插损仅为2.84dB,串扰为－31.13dB ,光开关的电功耗为4.1mW;制备的1×32波 导热光开关阵列插 损为11.8dB, 串扰为－25.3dB,电功耗小于5mW, 器件开关时间 为1.15ms。测试结果与数值模拟结果 吻合很好,研制的光开关有望应用于光交换器(OXC)、 光分插复用器(OADM)以及光 控相控阵天线的波束扫描控制系统中。     

三阶聚合物波导布拉格光栅的设计与制备

利用紫外固化聚合物材料ZPU46和ZPU44分别作为 芯层和包层材料,设计并制备了中心波长在 1550nm附近的三阶聚合物波导布拉格光栅(WBG )滤波器。采用接触式光刻和反应离子刻蚀(RIE)等传统微加工工艺, 在高为4μm的单模矩形波导表面制备周期为1.6μm、高为 680nm的皱褶型光栅结构。实验测得截面 尺寸为4μm×4.2μm和5μm×4.2μm) 的三阶聚合物WBG的谐振波长分 别为1549550.5nm,边模抑制比分别为 19dB,3dB带宽分别为0.4nm和0.6nm,插入损耗为－7d B,与理论设计结果符合较好。     

一种简化的光调制器驱动电路

在采用IC-CAP提取异质结双极晶体管器件的VBIC模型参数的基础上,设计出形式简洁的光调制器驱动电路.电路功耗仅为500mW,在2.5GHz信号下平均上升时间和下降时间(10%～90%)分别为84ps和56ps,输出电压摆幅2.6V.而FUJISTU公司的同类产品FMM3193VI平均上升时间和下降时间(20%～80%)为120ps,功耗为2.1W.     

一种简化的光调制器驱动电路

在采用IC-CAP提取异质结双极晶体管器件的VBIC模型参数的基础上,设计出形式简洁的光调制器驱动电路．电路功耗仅为500mW,在2.5GHz信号下平均上升时间和下降时间（10%～90%）分别为84ps和56ps,输出电压摆幅2.6V．而FUJISTU公司的同类产品FMM3193VI平均上升时间和下降时间(20%～80%)为120ps,功耗为2.1W．     

基于石英衬底的16通道二氧化硅可调复用器/解复用器的单片集成

本文是关于可调复用器/解复用器的单片集成,它由一个16通道200 GHZ的二氧化硅阵列波导光栅和一组马赫增德尔干涉型热光可调光衰减器阵列构成。该集成器件是基于石英衬底的,与基于硅衬底的器件相比,省去了沉积下包层的工艺步骤,并且降低了器件功耗。该集成器件的插入损耗是-5 dB,串扰小于-22 dB。在衰减为20 dB的时候每个通道的功耗只有110 mW。     

快速响应SOI马赫曾德热光调制器

给出了Y分支MZI热光调制器的模型,实验研制了基于SOI(silicon-on-insulator)的MZI热光调制器,调制器的消光比为-16.5dB,开关的上升时间为10μs,下降时间为20μs,相应的功耗为0.39W.