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硅基聚合物电光开关的优化设计与分析模拟

作　者: 郑传涛
导　师: 马春生
学　校: 吉林大学
专　业: 物理电子学
关键词: 集成光学 电光开关 开关电压 插入损耗 串扰 输出光谱 开关时间
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


基于极化聚合物材料和电光效应的电光开关具有响应速度快、开关电压低、插入损耗小、串扰低、开关时间短、加工工艺简单、折射率易调整等优点,在光通信系统中具有光路保护、光路切换、光域优化及路由、光上下路复用、光交叉连接等功能。作为本论文的理论基础和设计依据,针对所设计的电光开关用到的波导结构和电极结构,本论文分别给出了介质吸收型脊形波导、金属包层型脊形波导的模式特性分析方法和共面行波电极、微带行波电极、屏蔽行波电极的电场分布分析方法。作为本论文的重点核心内容,在上述分析方法的基础上,为了降低开关电压、降低插入损耗和串扰、拓宽输出光谱以及放宽器件制作容差,本论文对几种不同结构的电光开关做了结构改进和新型设计。首先,优化设计了交叉式推挽微带四电极定向耦合电光开关以及两节、三节交替反相电极定向耦合电光开关。所给出的新型交叉引线式推挽微带四电极结构的电光调制效率是一般共面电极结构电光调制效率的5倍,从而大大降低了开关电压。其次,为了减小器件尺寸同时降低开关电压,设计了单节电极和两节交替反相电极Y型耦合器电光开关,在相同的结构参数下,这两种器件可以获得更小的尺寸以及更低的驱动电压。第三,为了解决传统结构MZI电光开关的电光区相移随波长的漂移问题,通过引入相位发生器(PGC),设计了新型改进结构的宽光谱非对称一阶PGC MZI电光开关和宽光谱对称N阶PGC MZI电光开关,并通过对PGC结构参量的优化,其产生的相移可有效地补偿波长漂移引起的相移漂移,因此大大拓宽了器件的输出光谱。作为本论文的另一重点核心内容,优化设计了几种高速聚合物电光开关并给出了其新型的时频响应特性分析方法和趋肤效应特性分析方法。一方面,为了使器件在较高频率下具备正常的开关功能,本论文设计了阻抗匹配型定向耦合电光开关和MMI MZI电光开关,并针对这两种器件,给出了其时频响应特性的新型分析方法,得到了上升时间、下降时间、延迟时间、开关时间和截止开关频率等参数的表达式。另一方面,为了解决一般电极结构下无法同时获得高电光调制效率、较好的阻抗匹配和较低的折射率失配问题,本论文设计了屏蔽电极定向耦合高速电光开关和屏蔽电极Y型耦合器高速电光开关,并针对这两种器件,给出了其趋肤效应特性的新型分析方法,推导了门限频率和有效电极厚度等公式,讨论了趋肤效应对器件的微波特性参数、响应特性参数、插入损耗、串扰、截止开关频率和3dB微波调制带宽等性能的影响。与其它数值模拟方法相比,本论文给出的解析设计方法可更为全面地对器件进行优化设计和模拟,具有简捷实用、公式规整和精度高等优点,可用于电光开关以及同类器件的结构设计、理论分析、参数优化和特性模拟,并在其实验室制作和加工方面也具有一定的指导意义和实用参考价值。

全文目录


提要  4-10
第1章 绪论  10-32
  1.1 课题研究背景和意义  10-13
    1.1.1 光纤通信技术及优势  10-11
    1.1.2 密集波分复用(DWDM)系统  11-12
    1.1.3 DWDM 系统中的光开关技术  12-13
  1.2 光开关技术分类及特点  13-18
    1.2.1 光开关概述  13-15
    1.2.2 光开关分类和特点  15-18
  1.3 电光开关及阵列的研究进展  18-24
    1.3.1 基于电光效应的无机材料波导电光开关及阵列  18-21
    1.3.2 基于载流子注入效应的化合物半导体波导电光开关  21-23
    1.3.3 基于晶体偏折效应的电光开关  23-24
    1.3.4 电光晶体光开关的理论研究进展  24
  1.4 极化聚合物波导电光开关及研究进展  24-29
    1.4.1 极化聚合物电光材料的分类及特点  24-26
    1.4.2 极化聚合物电光材料的研究状况  26
    1.4.3 极化聚合物波导电光开关的研究进展  26-29
  1.5 本论文的主要研究内容与创新点  29-32
第2章 电光开关的波导结构与分析方法  32-47
  2.1 电光开关的波导结构  32-35
    2.1.1 介质材料和波导模式的损耗表征  32-33
    2.1.2 金属介质的复介电常数和光频特性  33-34
    2.1.3 电光开关的波导结构  34-35
  2.2 高折射率衬底上非对称五层平板波导  35-37
    2.2.1 TM 模式的特征方程  36
    2.2.2 衬底的泄露损耗  36-37
  2.3 介质吸收型脊形波导  37-39
  2.4 金属包层型非对称七层平板波导  39-42
  2.5 金属包层型脊形波导  42-43
    2.5.1 双金属包层型脊形波导  42-43
    2.5.2 单金属包层型脊形波导  43
  2.6 脊形波导的等效与耦合  43-45
    2.6.1 脊形波导的等效折射率分析法  43-44
    2.6.2 双脊形波导的定向耦合  44-45
  2.7 本章小结  45-47
第3章 行波电极的结构设计与分析方法  47-68
  3.1 聚合物的极化及其电光特性表征  47-51
    3.1.1 聚合物薄膜的极化  47-48
    3.1.2 电光调制理论  48-49
    3.1.3 极化聚合物的电光特性  49-51
  3.2 行波电极的结构设计与特性参数  51-53
    3.2.1 共面行波电极  51
    3.2.2 微带行波电极  51-52
    3.2.3 屏蔽行波电极  52
    3.2.4 微波特性参数  52-53
  3.3 基于保角变换原理的共面电极分析  53-57
    3.3.1 保角变换的一般结论  53-54
    3.3.2 半无限大平面到四边形的施瓦兹变换  54-55
    3.3.3 共面电极的施瓦兹变换  55-56
    3.3.4 电场分布  56-57
  3.4 镜像分析法  57-58
  3.5 基于保角变换法和镜像法的电场分布求解  58-59
  3.6 点匹配法  59-62
    3.6.1 点匹配法的一般求解模型  59-61
    3.6.2 边界条件  61
    3.6.3 电场分布  61-62
  3.7 扩展点匹配法  62-64
    3.7.1 单电极的求解  62-63
    3.7.2 推挽异性对称双电极的求解  63-64
    3.7.3 推挽同性对称双电极的求解  64
  3.8 屏蔽电极的电场分布  64-65
  3.9 电极的等效模型与阻抗匹配  65-67
    3.9.1 低开关频率下的阻抗匹配  65
    3.9.2 高开关频率下的阻抗匹配  65-66
    3.9.3 不同电极结构下的特征阻抗要求  66-67
  3.10 本章小结  67-68
第4章 电光开关的优化设计与分析模拟  68-114
  4.1 交叉式推挽微带四电极定向耦合电光开关  68-75
    4.1.1 器件结构  68-69
    4.1.2 理论分析  69-70
    4.1.3 参数优化  70-73
    4.1.4 性能模拟  73-75
    4.1.5 对比讨论  75
    4.1.6 结论  75
  4.2 两节交替反相电极定向耦合电光开关  75-82
    4.2.1 器件结构  75-76
    4.2.2 理论分析  76-78
    4.2.3 参数优化  78-79
    4.2.4 性能模拟  79-81
    4.2.5 方法验证  81
    4.2.6 结论  81-82
  4.3 三节交替反相电极定向耦合电光开关  82-88
    4.3.1 器件结构  82
    4.3.2 理论分析  82-84
    4.3.3 参数优化  84-85
    4.3.4 性能模拟  85-87
    4.3.5 方法验证  87
    4.3.6 结论  87-88
  4.4 单节电极 Y 型耦合器电光开关  88-92
    4.4.1 器件结构  88
    4.4.2 理论分析  88-90
    4.4.3 参数优化  90
    4.4.4 性能模拟  90-91
    4.4.5 方法验证  91
    4.4.6 结论  91-92
  4.5 两节交替反相电极 Y 型耦合器电光开关  92-97
    4.5.1 器件结构  92
    4.5.2 理论分析  92-94
    4.5.3 参数优化  94-95
    4.5.4 性能模拟  95-96
    4.5.5 方法验证  96-97
    4.5.6 结论  97
  4.6 推挽电极 MZI 电光开关  97-102
    4.6.1 器件结构  97-98
    4.6.2 理论分析  98-99
    4.6.3 参数优化  99-100
    4.6.4 性能模拟  100-101
    4.6.5 方法验证  101-102
    4.6.6 结论  102
  4.7 宽光谱非对称一阶 PGC MZI 电光开关  102-107
    4.7.1 器件结构  102-103
    4.7.2 理论分析  103-104
    4.7.3 参数优化  104-105
    4.7.4 性能模拟  105-106
    4.7.5 方法验证  106
    4.7.6 结论  106-107
  4.8 宽光谱对称 N 阶 PGC MZI 电光开关  107-112
    4.8.1 器件结构  107-108
    4.8.2 理论分析  108-109
    4.8.3 参数优化  109-110
    4.8.4 性能模拟  110-111
    4.8.5 方法验证  111-112
    4.8.6 结论  112
  4.9 本章小结  112-114
第5章 高速聚合物电光开关的优化设计与新型分析方法  114-146
  5.1 阻抗匹配型定向耦合电光开关的时频响应特性分析  114-122
    5.1.1 结构与优化  114-115
    5.1.2 时频响应特性  115-121
    5.1.3 误差分析  121
    5.1.4 结论  121-122
  5.2 阻抗匹配型 MMI MZI 电光开关的时频响应特性分析  122-130
    5.2.1 结构与优化  122-126
    5.2.2 时频响应特性  126-129
    5.2.3 方法验证  129
    5.2.4 结论  129-130
  5.3 屏蔽电极定向耦合电光开关的趋肤效应分析  130-138
    5.3.1 结构与优化  130-133
    5.3.2 趋肤效应分析  133-137
    5.3.3 方法验证  137-138
    5.3.4 结论  138
  5.4 屏蔽电极 Y 型耦合器电光开关的趋肤效应分析  138-145
    5.4.1 结构与优化  138-141
    5.4.2 趋肤效应分析  141-144
    5.4.3 方法验证  144-145
    5.4.4 结论  145
  5.5 本章小结  145-146
结论  146-150
参考文献  150-160
攻读博士学位期间发表的论文及参加项目  160-163
致谢  163-164
摘要  164-168
Abstract  168-172

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光纤元件
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