英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用于低功率开关的短路光纤方向耦合器
Luca Civita, Rita Asquini, Luca Martini and Antonio drsquo;Alessandro*
Department of Information Engineering, Electronics and Telecommunications Sapienza University of Rome via Eudossiana, 18 – 00184 Rome, Italy
*antonio.dalessandro@uniroma1.it
关键词：光流体，定向耦合器，液晶，PDMS，集成光学。
摘要
我们证明由定向耦合器制成的聚二甲基硅氧烷通道填充向列型液晶，鉴于低功耗柔性光开关。通过这种光学通道的光的传输是偏振不敏感的。对于任何输入偏振，可以在1550nm的波长处以大于20dB的消光比进行光的耦合。也可以获得短至45mu;m的定向耦合器，其中波导之间的间隙仅为0.3mu;m。描述了沉积在PDMS上的ITO电极的初步制造以改变耦合器状态。通过施加电压，平行于所施加电场的液晶分子的重新定向提高了液晶的折射率，因此，注入一个波导中的光保持在同一波导中，而没有耦合确定定向耦合器的条状态。在扫描电极显微镜下的图像显示可以获得具有约27nm的厚度的具有良好均匀性的ITO电极。还制造了光刻掩模用于最终开关制造。
- 介绍
光流体学是一个新的领域，其中光子学与微流体技术的组合用于制造便宜，灵活和可重构的设备，从数据通信到传感和生物医学实验室的芯片应用[1]。
最近数据中心的大规模发展，被认为是新经济的支柱，以及不断增加的互联网流量强度需要更高和更高水平的能量来维持。所需的能量包括更高水平的资源需求以及尤其是与耗散的功率相关的严重的环境问题。 据估计，2009 - 2017年期间电信网络的总能耗每年增长约5％[2]。尽管许多公司正在采用数据中心最佳实践来降低功耗，但在研究方面，许多努力都致力于寻找新技术，这些技术能够大大减少能源系统要求和功耗。这种努力还涉及在不同级别，机架到机架，板到板以及甚至芯片到芯片的级别的互连。对计算机网络和数据中心的进一步发展的强烈限制是由于金属互连的高损耗[3]。
光子组件可以是简单的解决方案，因为功率需求通常显着低于电气对应物。 这增加了大量的数据容量和透明度。硅光子学的最新进展使得片外通信带宽可能取得重大进展。然而，这是以电子器件中的一些额外功率消耗为代价的，这是由于增加的处理和缓冲，几乎不能避免[4]。然而，当前的光子系统使用电流驱动激光器，其功率需求仍然相当高，并且需要减小，特别是对于短距离连接。光学互连的功率消耗事实上主要与不能以足以节省功率的速度打开和关闭的激光二极管相关。当距离长于1-5米时，光学互连成本通过其比金属电缆的效率更高的功率效率来补偿[5]。因此重要的是寻找新的技术平台以在数据通信和其它有趣的新应用领域中使用光学互连获得最好的益处，例如与光流体装置相关的那些，其特征在于通过操纵流体改变其光学性质的可能性。
光流体装置的主要特征是集成和可重构性，其允许用于生物技术，化学合成和用于环境监测，医学诊断和化学武器应用的分析化学的芯片上的紧凑微系统。 此外，集成光学和微流体装置之间的组合增加了便携性和灵敏度。光流体器件只有通过使用可靠和低成本的技术才能成功。如果与集成光学中采用的传统玻璃或半导体制造相比，通常采用标准软光刻法以降低的成本制造柔性聚合物衬底中的甚至复杂的微流体结构。
液晶（LC）已经被证明是有效的材料，以使得用于可切换和可重新配置波导的电学上的[6] [7]和光学上的[8]控制的芯在光学通信中用于1.55mu;m的波长[9]。 特别地，具有可忽略的电流吸收和非线性光学特性的附加优点的有效电光效应允许非常低的功率消耗，而没有明显的能量耗散。这些特性使得基于LC的光子器件成为数据通信和光流体应用的潜在候选[10]。最近聚二甲基硅氧烷（PDMS）获得了很多关注用来制造微流体柔性通道。制造由填充有向列型液晶（NLC）的PDMS通道（称为LC：PDMS波导）制成的光波导，并且它们在可见光和近红外波长下显示出偏振无关的光透射[11]。这种解决方案允许通过利用LC中的有效电光和非线性光学效应来设计和制造可切换和可调谐器件。关于经典集成器件的这种方法的一个优点是在能量耗散和驱动功率两方面功率预算的大大降低。在本文中，我们报告了由LC：PDMS波导制成的定向耦合器的行为，当与ITO电极集成时，其可以作为光开关。
2.LC：PDMS波导
LC：PDMS定向耦合器由两个相同的波导组成，如图1所示。1.液晶分子垂直取向，以与PDMS表面，而无需使用如通常的LC标准电光设备所需的任何取向层。这是由于PDMS内表面和向列LC分子之间的界面疏水相互作用。
图.1 LC：PDMS无源定向耦合器的原理图3D视图
LC：PDMS波导可以通过标准的铸造和成型技术，通过毛细管作用的填充程序，在PDMS通道中的真空下在80℃的各向同性相下渗透LC。制造过程是简单的，其中一个模具，通过使用通过软光刻产生的SU-8 2005，2.5cm的times;2.5cm的硅结晶晶片上。
首先用2％的HF溶液清洗该晶片，以除去天然氧化物。在该过程之后，将负性光致抗蚀剂SU 8旋涂在处理过的表面上，以获得5mu;m的PDMS（Sylgard 184，Dow Corning）中的引导件的厚度。 通过在80℃下在真空烘箱中用其各向同性相的LC E7填充PDMS通道并在室温下冷却，获得最终的波导。 不需要取向层来获得LC分子取向。
- 液晶波导建模
在液晶的向列相中，分子沿着由定义特殊平均分子取向的单位矢量alpha;限定的共同方向排列，使得NLC宏观上是各向异性的和单轴的。 此外，通过单轴张量和各向异性矩阵描述了作为电导磁率和磁导率以及导电率的所有量值。
Oseen-Frank自由能通过以下等式描述：
（1）
自由能最小化以获得分子指向矢取向 的PDMS通道内的NLC。单位向量用于定义分子的归一化指向矢，在我们的模型中定义为相对于参考系统的倾斜和扭转角的函数，其中z轴被选择为平行于指向矢。通过相对于轴线z的theta;的极角theta;（倾斜）和方位角phi;（扭曲）检测各个分子的取向，形式相对于x轴。在（1）中，三个常数Ki定义NLC的失真类型，其值为K1 = 12times;10-12N，K2 = 9times;10-12N，K3 = 9times;10-12N。参数K1与喷射变形成比例，K2与扭转变形成比例，K3与弯曲变形成比例。通过使用COMSOL Multiphysics进行自由能的最小化，COMSOL Multiphysics提供了LC波导内部的折射率的分子取向和相关分布。
- LC：定向耦合器的模拟
在各向异性束传播器中实施折射率的分布，以观察在1550nm波长处的定向耦合器性能。波导具有长度为2mu;m的边的正方形截面。在模拟中，我们使用1.689的非寻常折射率和1.5的普通折射率，并且PDMS的折射率为1.3997。
图2表示通过间隙为0.3mu;m的定向耦合器的光束传播的三维表示。
图2.波导之间的间隙为0.3mu;m的定向耦合器
模拟表明光功率的完全交换发生在仅仅45mu;m处，消光比（ER）定义为波导输出处的功率电平之间的比率约为11dB。 如图1所示，对于1mu;m的间隙，可以获得耦合长度为500mu;m的ER在20dB以上的值。 我们最后观察到耦合与输入光的偏振无关。
图3.消光比和耦合长度对耦合器间隙
- ITO电极
在定向耦合器的设计中，包括电极来控制定向耦合器状态。图4示意性地示出了获得LC分子的重新取向的面内ITO共面电极。事实上，在两个电极之间施加电压，电场诱导平行于所施加的电场的水平分子取向。
已经通过溅射工艺执行了初步的ITO电极制造。将一层ITO沉积在PDMS的表面上，在不同的温度下，和150℃，在不同的沉积时间下，30s-90s。
图4.用于LC面内切换的具有ITO共面电极的定向耦合器。分子的重新定向遵循施加到电极的电压。
使用以下参数实现整个过程：1.2times;10 -5毫巴的真空，25℃，无氧气的氩气通量，衬底温度为100℃。在150℃下，表面变得太粗糙，如果与在100℃下制造的样品相比，结果是缺乏均匀性。
图5.通过施加电压以具有平行于所施加电场的LC分子的重新取向而获得的条状态的定向耦合器。
通过扫描电子显微镜（SEM）（Zeiss Auriga和Gemini家族）检查ITO样品。 每个样品被适当地切割成具有可见的横截面以检查ITO层的质量及其厚度。
图6显示在100℃下以30s的暴露时间制备的样品的SEM图片。样品以63°的角度倾斜，因此实际厚度通过将图像中检测到的24.5nm除以sin（63°）获得。 因此，ITO厚度的实际值估计等于27.5nm。
图6是在PDMS衬底上的ITO层的SEM照片。
- 结论
由LC：PDMS波导制成的定向耦合器通过使用NLC E7设计。对于1mu;m的耦合器间隙，观察到光的偏振不敏感耦合具有20dB以上的ER。对于仅0.3mu;m的间隙计算了11dB的ER。在这种情况下，在1550nm的波长处获得仅45mu;m的耦合长度。
为了获得光学开关，共面ITO电极也被考虑用于NLC的平面内切换。 通过施加几伏的电压，NLC的重新定向提高了LC的折射率，并且在一个波导中注入的光保持在同一波导中而没有耦合，确定定向耦合器的条状态。
我们已经证明，ITO电极可以通过在PDMS溅射过程进行沉积。已经获得的27.5毫微米的导电的ITO层。已经基于在柔性PDMS衬底中的NLC的电光效应来制造低功率光开关来设计ITO电极。
已经制造了设计的定向耦合器和开关的掩模，包括所有提出的耦合器间隙，以实验证明计算的消光比和对应的耦合长度。 最终器件的制造正在进行中，它们的光学表征将在下一篇文章中公布。
参考文献
[1] Psaltis, D., Quake, S. R., and Yang, C. H., “Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics”, Nature, 2006, 442(7101), pp. 381-386.
[2] Lange, C., Kosiankowski, D., Weidmann, R., and Gladisch, A., “Energy Consumption of Telecommunication Networks and Related Improvement Options”, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., 2011, 17(2), pp. 285-295.
[3] Bergman K. and Wang, H., [Optical Interconnects for Future Data Center Networks], Springer (2013).
[4] Lim, A. E-J., Song, J., Fang, Q., Li, C., Tu, X., Duan, N., Chen, K. K.,Tern, Roger, P.-C., and Liow, T.-Y., “Review of Silicon Photonics Foundry Efforts”, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., 2014, 20(4), p. 8300112.
[5] Borkar, S., “Role of Interconnects in the Future of Computing,” J. of Lightw. Technol., 2013, 31(24), pp. 39273933.
[6] drsquo;Alessandro, A., Asquini, R., Menichella, F., Ciminelli, C., “Realisation and characterisation of a ferroelectric liquid crystal bistable optical switch”, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2001, 372, pp. 353-363.
[7] Donisi, D., Bellini, B., Beccherelli, R., Asquini, R., Gilardi, G., Trotta, M., and drsquo;Alessandro, A., “A switchable liquid-crystal optical channel waveguide on silicon”, IEEE J. Quantum Electron., 2010, 46(5), pp. 762-768.
[8] drsquo;Alessandro, A., Asquini, R., Trotta, M., Gilardi, G., Beccherelli R., and Khoo, I. C., “All-optical
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[139494]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
