Analysis and Design of Optical Switches with Thermal Compensating Mechanism

本論文設計具熱補償機構之機械式光開關，並分析這些光開關之熱反應。首先，提出一具熱補償機構之新型光開關，並使用參數化繪圖程式以自動繪製光開關之實體模型；光開關之實體模型可利用ACIS SAT檔案格式輸出，接著在有限元素軟體ANSYS中匯入此SAT檔案，以供對光開關進行熱分析。根據BELLCORE測試規範，定義不同之負載與邊界條件施加於分析模型之上，以計算出光開關之溫度分佈與熱變形。最後製作此光開關之初形，光開關在一精密定位平台上進行組裝，此平台整合了電荷耦合元件影像處理單元與壓電微動平台以供精確定位。完成封裝之新型光開關需根據BELLCORE測試規範進行各種光學測試；由分析與實驗量測結果可知，採用熱補償設計之光開關，可於溫度變化時補償輸入與輸出光纖之對位誤差，以防止光損耗的產生。This thesis designs optical switches with thermal compensating mechanisms, and then analyzes their thermal responses. First, a novel optical switch with thermal compensating mechanism is proposed, and then a parametric design program is developed for automatically generating the solid model of the switch. The solid model of the switch is exported in ACIS SAT file format to finite element software ANSYS for thermal analysis. According to the BELLCORE specifications, loadings and boundary conditions are defined and applied to the finite element model. The temperature distributions and thermal deformations of the switch are computed by ANSYS. Finally, a prototype of the switch is manufactured. It is assembled on a precision table with CCD image processing units and PZT stages for precision alignment. The packaged optical switch was tested according to BELLCORE specifications. According to results of analysis and experimental measurement, it shows that the developed optical switch can compensate for the misalignment between the input and output fiber tips when ambient temperature varies, and the optical loss can be avoided.誌謝 i 摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 viii 符號說明 ix 第一章 緒論 1 1.1 簡介 1 1.2 文獻回顧 3 1.3 研究的目的與動機 10 1.4 研究的策略與方法 10 1.5 論文大綱介紹 12 第二章 熱分析原理及光耗損相關理論13 2.1 光開關之熱分析 13 2.2空氣熱對流係數之評估 18 2.3光纖對位之光損失 19 2.4 BELLCORE測試規範 24 第三章 光開關之熱補償機構設計與分析方法 26 3.1 新型機械式光開關設計 26 3.2 光開關之被動式熱補償機構設計 29 3.3 光纖對位誤差理論分析 31 3.4 光開關結構之溫度分析 32 3.5 光開關結構之熱變形分析 37 第四章 光開關之熱分析結果 39 4.1 光開關溫度量測與有限元素分析驗證 39 4.2 光開關之溫度分佈分析結果 41 4.3 光開關之熱變形分析結果 43 第五章 光開關之對光實驗結果 47 5.1 光開關組裝 47 5.2 重複性測試 50 5.3 切換時間測試 51 5.4 溫度循環測試 52 第六章 結論與建議 56 6.1 結論 56 6.2 建議 56 參考文獻 58 附錄A 實驗使用儀器之規格 60 作者簡歷 6