文档介绍：摘 要
摘 要
论文题目：硅基聚合物平面波导光开关
作 者：闫云飞
专 业：物理电子学
指导教师：张大明 教授
网络互联业务的蓬勃发展改变了通讯业的地位。通讯技术和互联网的不断革
新正在改善着我们的生活、工作以及交流方式。与传统通信系统相比，光纤通讯
系统具有频带宽、传输容量大、损耗小、误码率低和抗电磁干扰能力强等优势。
特别是波分复用技术 (WDM) 在光网络中的应用，有效的实现了光传输网络的
扩容。光开关与光开关阵列在 WDM 光网络中起着光域优化、路由、保护以及自
愈等功能, 是插分复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）的核心技术。由于
聚合物材料具有种类繁多、成本低、加工工艺简单、热光系数大、电光系数高和
电光响应速度快等优点，引起了人们广泛的关注，成为制备热光开关和电光开关
的理想材料之一。本文对硅基聚合物热光开关和电光开关两个方面进行了深入研
究。
在热光开关方面，本文设计了聚合物/二氧化硅混合波导结构，减小了热光
开关的响应时间。首先，介绍了热光开关的物理机制和相关的基本原理，主要包
括以下几个方面：热光效应——解释了折射率和温度之间的相互关系；波导中热
传导和热场分布相关理论——揭示了温度和热驱动功率之间的相互关系；马赫-
曾德尔干涉仪（MZI）型光开关实现开关作用的相关理论——说明了输出归一化
光功率和有效折射率之间的相互关系。这些工作为热光开关的计算和模拟提供了
理论支持。
其次，结合聚合物热光系数大、二氧化硅热传导系数大的优势，设计了聚合
物/二氧化硅混合波导热光开关。由于二氧化硅材料相对于聚合物材料具有较大
的热传导系数，所以采用二氧化硅作为下包层，能够加快热量在下包层中的释放
速度，从而加快热光开关的响应速度。采用二氧化硅材料作为下包层，SU-8 材
料作为波导芯层分别设计、制备了以下三种类型的热光开关。
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吉林大学博士学位论文
（1）采用湿法刻蚀工艺制备了 MZI 型聚合物/二氧化硅混合结构热光开关。通
过对波导传输损耗的模拟，在保证低损耗的情况下，优化了器件的上、下包层厚
度。较薄的上包层能够减小热量在上包层中的分布，降低开关的驱动功率；较薄
的下包层，能够减小热量从波导到衬底的散失时间，加快开关速度。我们还计算
了热电极宽度对加热效率的影响，优化了电极尺寸参数。经测试，所 制备的热光
开关具有快速的响应特性，开关的上升/下降时间为 141/87 μs。由于对结构的优
化设计以及制备工艺的良好控制，器件的热驱动功率为 mW，插入损耗为 12
dB，消光比为 dB，与近期发表的聚合物热光开关相比，开关时间减小了近
一半。
（2）采用脊形波导结构，通过电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，设计并制备
了定向耦合（DC）-MZI 型聚合物/二氧化硅混合结构 2 2 热光开关。使用固体
热传导方程、有效折射率和输出光功率等相关计算理论，计算了波导有效折射率
和温度随加热功率的变化曲线，得到器件的驱动功率为 mW；计算出开关时
间为 107 μs，相同结构聚合物下包层热光开关的开关时间为 174 μs。对制备好的
开关样品进行了测试，器件的驱动功率为 mW，插入损耗为 dB，串扰为
- dB （直通状态）和-31dB（交叉状态），上升/下降时间为 106/93 μs。作为
对比，制备了相同结构聚合物下包层的热光开关，其 上升/下降时间为 174/191 μs。
通过对这种混合波导结构热