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。     

SOI光波导和集成波导光开关矩阵

报道了基于SOI(silicon-on-insulator)材料的光波导和集成波导光开关矩阵的最新研究进展.给出了截面为梯形的脊波导的单模条件,设计制备了MMI(multimode interference)集成耦合器和基于Mach-Zehnder光波导干涉仪的热光型2×2光开关,开关转换速度达到了5～8μs,驱动功耗仅为140mW,是当前国际上同类型光开关中转换速度最快的.在此基础上制备成功了4×4波导光开关矩阵,并实现了光信号在不同信道间的转换.     

SOI光波导和集成波导光开关矩阵

报道了基于SOI(silicon-on-insulator)材料的光波导和集成波导光开关矩阵的最新研究进展.给出了截面为梯形的脊波导的单模条件,设计制备了MMI(multimode interference)集成耦合器和基于Mach-Zehnder光波导干涉仪的热光型2×2光开关,开关转换速度达到了5～8μs,驱动功耗仅为140mW,是当前国际上同类型光开关中转换速度最快的.在此基础上制备成功了4×4波导光开关矩阵,并实现了光信号在不同信道间的转换.     

聚合物/SiO2混合波导2×2热光开关的制备与测试

利用聚合物材料SU-8作为芯层、聚合物材料PMMA作为上包层、无机材料SiO2作为下包层,设计并制备了一种有机/无机混合波导2×2定向耦合-马赫曾德尔(DC-MZI)热光开关。为了保证波导中的单模传输、减小模式辐射和衬底泄露损耗、缩短响应时间并降低器件功耗,对其结构参数做了优化。利用涂膜、湿法刻蚀等工艺制备了器件样品。在1 550nm波长下,器件的交叉态和直通态的驱动功率分别为0和7.8mW(开关功率为7.8mW),交叉态和直通态的两端口串扰分别为-9dB和-12.8dB。在方波驱动电压信号作用下,测得器件交叉端口的上升时间和下降时间分别为138μs和136μs,直通端口的上升时间和下降时间分别为63μs和140μs。制备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,在低功耗、快速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。     

SOI光波导和集成波导光开关矩阵

报道了基于SOI (silicon-on-insulator）材料的光波导和集成波导光开关矩阵的最新研究进展. 给出了截面为梯形的脊波导的单模条件，设计制备了MMI (multimode interference）集成耦合器和基于Mach-Zehnder光波导干涉仪的热光型2×2光开关，开关转换速度达到了5～8μs，驱动功耗仅为140mW，是当前国际上同类型光开关中转换速度最快的. 在此基础上制备成功了4×4波导光开关矩阵，并实现了光信号在不同信道间的转换.     

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。     

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8×8SOI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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种新型2×2 SOI热光开关

设计并制作了一种新型的SOI 2×2马赫-曾德(MZ)热光开关.这种光开关采用了深刻蚀结构的配对多模干涉耦合器,同时,为了保证单模传输和调制,在连接波导和调制臂区域采用了浅刻蚀结构.深刻蚀结构增强了多模干涉耦合器对光场的限制,有利于自映像质量的提高,从而减少了自映像损耗和不均衡度,同时也提高了制作容差.基于强限制配对干涉耦合器的新型热光开关,其插入损耗为-11.0 dB,其中包括光纤-波导耦合损耗-4.3 dB,上升和下降开关时间分别为3.5μs和8.8μs.     

4×4热光SOI波导开关阵列

设计并制作了阻塞型和完全无阻塞型4×4热光SOI(silicon-on-insulator)波导开关阵列。开关单元采用了多模干涉耦合器(MMI)-MZI(Mach-Zehnder interferometer)结构的2×2光开关。阻塞型光开关附加损耗为4.8～5.4dB,串扰为-21.8dB～-14.5dB。完全无阻塞型光开关阵列附加损耗为6.6～9.6dB,串扰为-25.8～-16.8dB。两者的消光比都在17～25dB内变化,开关单元功耗小于230mW。器件的开关时间小于3μs。功耗和开关速度都明显优于SiO2基和聚合物基的开关阵列。     

一种新型2×2 S0I热光开关

设计并制作了一种新型的SOI 2×2马赫一曾德（MZ）热光开关。这种光开关采用了深刻蚀结构的配对多模干涉耦合器，同时，为了保证单模传输和调制，在连接波导和调制臂区域采用了浅刻蚀结构。深刻蚀结构增强了多模干涉耦合器对光场的限制，有利于自映像质量的提高，从而减少了自映像损耗和不均衡度，同时也提高了制作容差。基于强限制配对干涉耦合器的新型热光开关，其插入损耗为-11．0dB，其中包括光纤波导耦合损耗4．3dB，上升和下降开关时间分别为3．5μs和8．8μs。     

基于SOI悬浮波导的中红外热光调制器的分析

设计了一种基于SOI（Silicon-On-Insulator）单模中红外低损耗悬浮脊波导的MMI-MZI型热光调制器。对单模悬浮脊波导和基于悬浮波导的调制器的参数进行了分析,并给出了工艺实现方法。在波长5.4 μm,采用3D-BPM（Beam Propagation Method）方法对热光调制器的模型进行了传输特性的仿真。结果表明在加热电极长度为3 mm时,热光作用区通过很小的温度变化ΔT=5.3℃时,可以实现消光比为-40 dB。该中红外器件尺寸大,设计和制作容差大,在中红外硅基光子学有着重要的应用。     

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。     

低串扰Y分叉1×2热光型数字光开关

设计了一种基于聚合物材料热光效应的1×2数字光开关(DOS)新结构。该结构将Y分叉DOS与具有引导和可变光衰减(VOA)功能的S弯曲过渡波导集成,在不增加器件结构的基础上,可大大提高开关性能,并采用填埋尖角的方法改进设计Y分叉,增大了Y分叉角度的范围,降低了工艺难度。由光束传输法(BPM)模拟表明,对于波长为1.55μm、Y分叉角度α=0.3°和计算功耗为120 mW时,该结构可实现低于-40 dB的串扰,插入损耗小于0.5 dB,具有很好的极化独立性和波谱平坦性、良好的稳定性和可重复性以及易于集成等特点。     

聚合物绝热分叉型数字热光开关

利用有机聚合物材料的电光效应和热光效应研究并制作2×2绝热分叉波导数字型光开关,采用光纤直接耦合方法测量了器件在1.31μm红外光通信波段的数字开关特性.     

聚合物绝热分叉型数字热光开关

利用有机聚合物材料的电光效应和热光效应研究并制作2×2绝热分叉波导数字型光开关,采用光纤直接耦合方法测量了器件在1.31μm红外光通信波段的数字开关特性.