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硅基聚合物微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開關(guān)
光OMAL歐瑪爾開關(guān)及陣列是光交叉連接設(shè)備、光分叉復(fù)用設(shè)備以及光路由設(shè)備中的關(guān)鍵器件，在光通信網(wǎng)絡(luò)中起著非常重要的作用。相比無機電光材料，極化聚合物材料具有電光系數(shù)高、響應(yīng)時間短、折射率易調(diào)整、價格低廉、制備工藝簡單等優(yōu)點，在電光OMAL歐瑪爾開關(guān)、電光調(diào)制器等電光器件的制備中具有潛在的應(yīng)用前景。微環(huán)諧振器（MRR）具有結(jié)構(gòu)緊湊、相位易匹配等優(yōu)點，從而廣泛應(yīng)用于光濾波器、波分復(fù)用/解復(fù)用器等器件的設(shè)計和制備中。

硅基聚合物微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開關(guān)
鑒于上述考慮，主要研究MRR輔助的MZI電光OMAL歐瑪爾開關(guān)以及基于MRR濾波特性的波長選擇性無源光OMAL歐瑪爾開關(guān)陣列，設(shè)計新型器件結(jié)構(gòu)，給出其分析理論和參數(shù)優(yōu)化方法，計算并模擬器件性能，為實驗室制備該類以及同類器件提供依據(jù)。介紹了開展聚合物微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開關(guān)及陣列研究的意義。概述了光OMAL歐瑪爾開關(guān)及陣列在光通信網(wǎng)絡(luò)中的主要作用，介紹了光OMAL歐瑪爾開關(guān)的分類。重點闡述了兩種非諧振型波導(dǎo)光OMAL歐瑪爾開關(guān)的研究進展，包括非諧振型電光OMAL歐瑪爾開關(guān)和非諧振型熱光OMAL歐瑪爾開關(guān)，并進一步給出了微環(huán)諧振型光OMAL歐瑪爾開關(guān)及陣列的研究現(xiàn)狀和特點。其次，針對所設(shè)計器件用到的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用微擾法和微分法分析了高折射率襯底上的五層平板波導(dǎo)、雙金屬包層型平板波導(dǎo)、介質(zhì)吸收型矩形波導(dǎo)的模式特性，通過詳細的理論推導(dǎo)，得到了各波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式特征方程和振幅衰減系數(shù)的表達式。分析了雙矩形波導(dǎo)的定向耦合和彎曲耦合特性、矩形波導(dǎo)的彎曲損耗特性。給出了微環(huán)諧振理論，為微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開關(guān)及陣列的優(yōu)化設(shè)計和分析模擬奠定了理論基礎(chǔ)。采用耦合模理論、微環(huán)諧諧振理論和電光調(diào)制理論，重點設(shè)計并分析模擬了三種結(jié)構(gòu)可擴展型光OMAL歐瑪爾開關(guān)及陣列器件：設(shè)計并優(yōu)化了一種基于N階側(cè)向耦合微環(huán)諧振器的馬赫-曾德爾干涉儀（MRR-SC-MZI）電光OMAL歐瑪爾開關(guān)。推導(dǎo)了器件的輸出光功率、插入損耗、串?dāng)_、3 dB帶寬等表達式。在1550 nm工作波長下，優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析模擬了器件性能，并重點總結(jié)了OMAL歐瑪爾開關(guān)特性隨其擴展參數(shù)N的關(guān)系式。計算結(jié)果表明，所有N≥1的器件均可執(zhí)行正常的OMAL歐瑪爾開關(guān)功能，當(dāng)要求驅(qū)動電壓小于5V時，要求8≥N≥2.針對N=2-8的7個MRR電光OMAL歐瑪爾開關(guān)，交叉態(tài)的驅(qū)動電壓范圍為0-2.32 V,直通態(tài)電壓的范圍為0.96-4.83 V；直通態(tài)的插入損耗為0.85-0.35dB,交叉態(tài)的插入損耗為0.14-1.70 dB；直通態(tài)的串?dāng)_范圍為-20.79--31.11dB,交叉態(tài)的串?dāng)_范圍為-13.86--20.36 dB.7個器件的3-dB的電學(xué)調(diào)制帶寬范圍為18.5-28.0 GHz；兩個輸出端口的3-dB光學(xué)調(diào)制帶寬分別為18.1-40.0GHz和32.0-55 GHz.在相同的電光區(qū)長度和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該MRR-SC-MZI電光OMAL歐瑪爾開關(guān)的驅(qū)動電壓比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的MZI電光OMAL歐瑪爾開關(guān)的驅(qū)動電壓小10～250倍。設(shè)計并優(yōu)化了一種2N+1階串聯(lián)耦合微環(huán)諧振馬赫-曾德爾干涉儀（MRR-MZI）電光OMAL歐瑪爾開關(guān)。給出了器件結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了器件的傳輸光功率、插入損耗、串?dāng)_等表達式。在1550 nm工作波長下，優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了器件性能與階數(shù)N的關(guān)系。分析模擬結(jié)果表明，除了N=0對應(yīng)的的一階MRR-MZI電光OMAL歐瑪爾開關(guān)外，其它N≥1的器件均可執(zhí)行正常的OMAL歐瑪爾開關(guān)功能。為了將此類電光OMAL歐瑪爾開關(guān)的電壓降至1.0 V以下，應(yīng)選取5≥N≥2.針對N=2-5對應(yīng)的4種MRR-MZI電光OMAL歐瑪爾開關(guān)，其OMAL歐瑪爾開關(guān)電壓分別為0.99、0.73、0.57和0.47 V；直通狀態(tài)的插入損耗范圍為1.15～2.26 dB,交叉狀態(tài)的插入損耗范圍為1.95～2.42 dB；直通狀態(tài)的串?dāng)_范圍為-11.04～-17.82 dB,交叉狀態(tài)的串?dāng)_范圍為-10.34～-12.51 dB.該器件的電壓-長度乘積約為0.21 V·mm.當(dāng)波導(dǎo)和電極參數(shù)*相同時，傳統(tǒng)MZI電光OMAL歐瑪爾開關(guān)電壓-長度積（23.45 V·mm）約為該類器件的111.7倍。利用三種不同的基本OMAL歐瑪爾開關(guān)單元，包括交叉耦合單環(huán)諧振器（CCO-MRR），交叉耦合雙環(huán)諧振器（CCT-MRR）和平行耦合單環(huán)諧振器（PCO-MRR），設(shè)計了具有相同OMAL歐瑪爾開關(guān)功能的三種4×4波長選擇性O(shè)MAL歐瑪爾開關(guān)陣列，且三種器件均具有N級級聯(lián)特性，從而可將工作波長擴展至3N個。首先，優(yōu)化了OMAL歐瑪爾開關(guān)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后，給出了三種4×4波長選擇性O(shè)MAL歐瑪爾開關(guān)陣列的拓撲結(jié)構(gòu)，對其OMAL歐瑪爾開關(guān)性能做了詳細的對比分析。結(jié)果顯示，基于CCO-MRR和PCO-MRR的OMAL歐瑪爾開關(guān)陣列的微環(huán)數(shù)量（4個）是基于CCT-MRR的OMAL歐瑪爾開關(guān)陣列的一半（8個），基于PCO-MRR的OMAL歐瑪爾開關(guān)陣列呈現(xiàn)出zui小的插入損耗（0.02-0.6 dB）；基于CCT-MRR的OMAL歐瑪爾開關(guān)陣列顯示出zui小的串?dāng)_（-38 dB）和的波長選擇性；基于CCT-MRR和CCO-MRR的OMAL歐瑪爾開關(guān)陣列具有相同的N級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，然而，基于PCO-MRR的OMAL歐瑪爾開關(guān)陣列由于很多的不可避免的波導(dǎo)交叉難以級聯(lián)。針對微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開關(guān)及陣列，所給出的具有可擴展性的通用結(jié)構(gòu)模型、相關(guān)公式和分析方法均未見詳細報道，具有一定的新意，為人們設(shè)計、模擬和制備具體器件提供了模型和理論依據(jù)。

硅基聚合物微環(huán)諧振光OMAL歐瑪爾開關(guān)
創(chuàng)新點如下：提出一種基于側(cè)向耦合N階微環(huán)諧振器的馬赫-曾德爾干涉儀電光OMAL歐瑪爾開關(guān)的通用結(jié)構(gòu)模型和理論推導(dǎo)，總結(jié)了器件性能隨級數(shù)N的關(guān)系。在相同的電光區(qū)長度和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該器件的驅(qū)動電壓比傳統(tǒng)的MZI電光OMAL歐瑪爾開關(guān)小10-250倍。提出了一種基于2N+1階串聯(lián)耦合微環(huán)諧振器的馬赫-曾德爾干涉儀（MRR-MZI）電光OMAL歐瑪爾開關(guān)的通用結(jié)構(gòu)模型和理論推導(dǎo)，總結(jié)了器件性能隨級數(shù)N的關(guān)系。N=2-5所對應(yīng)的4種電光OMAL歐瑪爾開關(guān)的OMAL歐瑪爾開關(guān)電壓均可小于1.0V.當(dāng)波導(dǎo)和電極參數(shù)*相同時，該器件的電壓-長度積比傳統(tǒng)MZI電光OMAL歐瑪爾開關(guān)小111.7倍。利用三種不同結(jié)構(gòu)的MRR基本OMAL歐瑪爾開關(guān)單元，設(shè)計了具有相同OMAL歐瑪爾開關(guān)功能的三種4×4波長選擇性光OMAL歐瑪爾開關(guān)陣列，并給出了該類器件的N級級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)，其工作波長可由單級器件的3個擴展至級聯(lián)器件的3N個，從而使得該器件在復(fù)雜光片上網(wǎng)絡(luò)中寬光譜信號的路由及OMAL歐瑪爾開關(guān)操作方面具有潛在的價值。