大学本科毕业设计论文有机聚合物波导的热光效应研究

1南京邮电大学毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 有机聚合物波导的热光效应研究专 业 光电信息工程学生姓名 班级学号 指导教师指导单位 光电工程学院 日期： 年 月 日至 年 月 日 2毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文） ，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名：日期： 年 月 日3摘 要本文围绕有机聚合物的热光效应进行研究，致力于提高热光型器件的热光调制效率。所谓热光效应，指的是光学介质的折射率随着温度变化而发生变化的物理效应。利用有机聚合物材料的热光效应研制和开发的热光型光电子器件极化依赖性极小，这是电光性光电子器件无法比拟的。结合有机聚合物光电子器件制作工艺的优越性，热光型光电子器件实际应用中有相当强的竞争力。因此，对聚合物光波导中的热光效应的研究具有重要现实意义。本文通过建立对聚合物光波导器件的热学模型 ，研究聚合物材料内的热传导和温度场线，分析热电极结构参数与热光调制效率的关系，并对热电极的结构进行优化，从而提高热光调制效率。主要工作如下：（1）举出一种标准的热光型器件的模型，并根据其构造建立起了热学模型，对其温度场和折射率分布进行稳态分析。（2）利用 comsol 软件进行仿真，计算出器件在非均匀温度场下的有效折射率，绘制出器件有效折射率与电极温度的关系图。（3）针对标准器件的电极和尺寸提出了改进方案，在改变了电极结构参数后分析有效折射率的改变，得到了比较优化的电极参数和器件尺寸。关键词：热光效应；温度场线；有效折射率；热电极；4ABSTRACTThe so-called thermo-optic effect, referring to the physical effects of optical media whose refractive index changes follow the temperature. The polarization-dependence of the thermal-optical optoelectronic devices which are developed by utilizing thermo-optic effect of organic polymer materials, which is batter than the devices utilizing elect-optical. Combine the advantages of the production process of organic polymer optoelectronic devices, the thermo-optical optoelectronic devices are very competitive in the practical application . Therefore,the research of thermo-optic effect of the polymer optical waveguide has important practical meaning.In this paper a thermal model of polymer optical waveguide devices was set up .with this the heat transfer and temperature field line in the polymer material was reseached, and the relationship between the structure parameters of thermal electrode and the efficiency of thermo-optic modulation was analyzed. Thus the thermal electrode structure was optimized to improve the efficiency of the thermo-optic modulation.The main work is as follows：（1）Establishing a standard thermo-optic device model according to its structure, obtaining the temperature field and the refractive index distribution by steady simulation.（2）Using COMSOL software, calculating the effective refractive index of device in a non-uniform temperature field , drawing out a diagram of effective refractive index of device for different electrode temperatures .（3）Improving the electrode design and the size of the standard device. Analyzing the change of effective index after changing the electrode structures, and putting forward a optimize parameters of the electrode structure and the size of the device. Key words：thermo-optic effect；Temperature field line；Effective refractive index；thermal electrode5目 录第一章 绪论 11.1 研究有机聚合物波导的热光效应的目的和意义 11.2 有机聚合物波导热光效应的研究概况 21.3 本文的工作 4第二章 对有机聚合物波导器件进行热学分析 52.1 引言52.2 热传导学原理52.3 搭建热光器件的热学模型62.4 热光器件的热学模拟 72.5 本章小结9第三章 对有机聚合物波导 103.1 引言 103.2 聚合物材料的折射率分布 103.3 分 析 电 极 温 度 与 器 件 有 效 折 射 率 的 关 系 113.4 本章小结 12第四章 对电极参数进行优化 134.1 引言 134.2 分析电极参数改变对热光调制效率的影响134.3 本章小结 16结束语 17致谢 18参考文献 19附录 20南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文）- 1 -第一章 绪 论1.1 研究有机聚合物波导的热光效应的目的和意义随着有机聚合物材料的出现和发展，将人们的目光吸引到了有机聚合物材料的热光效应上来。采用有机聚合物材料进行光电子与集成光学器件的研究，最明显的特点是材料价廉，工艺过程简单，这使得器件成本大幅度降低。对于一直以来困扰着有机聚合物器件应用前景的材料老化和环境适应问题，人们从多方面着手进行处理，包括材料本身结构与性能的改善和器件封装方法的进步，直到这些问题得到了较好地解决。人们也发现，有机聚合物可以作为极佳的半导体材料用于发展光子器件的研究，这为实现光源与波导间的材料兼容打下了基础。此外，有机聚合物光波导器件在与光线的耦合中也有耦合损耗低等特点，在光电子与集成光学器件的大规模集成研究中，更具有其他材料所不具备的三维集成优势。因此，进行有机聚合物光波导器件的研究具有重要的现实意义。1.2 有机聚合物波导热光效应研究概况所谓热光效应，指的是光学介质的折射率随着温度变化而发生变化的物理效应。热光效应，它是光学材料的一种光学性质。在给定的温度场中，晶体、半导体材料、玻璃以及其他应用在不同光器件和系统中的光学材料，其折射率不是一个恒定的参数。在一定的压强下，材料的折射率随温度的变化量称之为热光系数。它被定义为 dn/dT，n和 T 分别是材料的折射率和温度，单位是每摄氏度或者每开尔文。一般的，有机聚合物材料的热光系数的值非常小，在 数量级。尽管它的值非常小，但是依然可以借助精密410的手段 来测量它。热光系数的研究，对设计温度相关的非线性光器件、光纤网络通信系统、半导体技术等，都是非常必要的。1.2.1 材料折射率与温度的函数关系 M.玻恩光学原理中的洛伦兹-洛伦茨公式，给出了分子的平均极化率对分子数密度和材料的折射率n的依赖关系： （1-1）2143nN其中，分子的平均极化率是作用在一个分子上的有效场E与分子在场作用下所建立的电偶极矩P之间的比例系数： P=E （1-2）当材料温度发生变化时，分子的平均平动动能随之变化，这将导致分子数密度N变化，而且，由于作用在一个分子上的有效场E是对大量分子的区域取平均而得到的场，它也依赖于分子数密度N，因此，根据洛伦兹-洛伦茨公式，当温度变化时，材料的折射率也将随之变化。假设折射率n随温度T变化的函数关系为：南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文）- 2 -n(T)=f(T) （1-3） 用泰勒级数将上式在T=293k（即20）点展开：（1-4）2000 )(!21)()( TfTfTfn由于绝大多数材料的折射率随温度的变化很小，因此，一般情况下可近似为： （1-5）)()(00ff并且，将折射率随温度变化的一阶导数 称为热光系数。许多材料的热光系数(Tf在一定的温度范围内是常数,材料折射率与温度呈线性关系。例如，常用的冕牌玻璃 K5的热光系数分别为 （-6020）和 （20120） 。C/1074 C/108371.2.2 有机聚合物光波导的机理热光型有机聚合物光波导器件所基于的工作机理是由热光效应来引发器件材料的折射率变化。图 1 给出了器件应用热光效应的基本原理图，图中衬底可以采用玻璃或硅材料。图一：热光效应原理图由于硅材料在热导率等参量上对器件效率、响应速度等方面有较好的影响，所以采用硅材料作基片较多。在热光器件中，材料的热光系数是重要的参数。对于有机聚合物来说，温度变化引起的材料折射率变化主要由材料密度变化决定，这就使得有机聚合物中由温度引起的折射率变化远远大于无机材料中的现象，其热光系数在 10-4/oC 量级。因此，当器件的电极上通过电流时，由电阻发热而使点击成为热源，在器件的波导层及周围形成温度场的变化，以此来改变器件材料的光学特性。1.2.3 有机聚合物光波导的研制新型光电子材料是光电子器件发展的基础。从近期来看,有机聚合物是一种非常有潜南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文）- 3 -力的光电子器件材料。由于有机聚合物的合成、加工、器件制备方面相对容易,价格低廉,而且它们具有非线性光学系数较大、介电常数相对较低、容易与半导体器件和光纤集成等优良性能,可以用于制备具有更高的调制频率和较低的驱动功率的光调制器、光开关阵列、可调谐器件、激光器、阵列波导光栅、滤波器等等。有机聚合物具备如下的优点:可以淀积在半导体衬底上,便于实现光路和电路的集成;具有较低的波导传输损耗,与光线的低的耦合损耗;可以根据人们需要,通过调节有机材料的组分以满足电光特性、热光特性和吸收谱特性。1.2.4 制作聚合物材料的薄膜器件的工艺流程制作聚合物材料的薄膜器件有多种方法,如模制方法、客体- 基质方法、旋涂方法,其中旋涂工艺比较简单,只要控制溶液的浓度和甩膜机旋转的速度就能控制聚合物薄膜的厚度,不需要复杂的工艺和仪器,比较适合实验室研究,。有机溶剂选用甲苯,因为甲苯与有机聚合物材料的相溶性好,易于成膜,而且成膜后的膜面光滑均匀。波导衬底材料选用石英玻璃。由于衬底的清洁程度在很大程度上影响到波导的传输特性,所以在成膜前对波导衬底即我们选用的石英玻璃进行清洗是必需的。清洗包括:超声波清洗、丙酮清洗、酒精清洗、去离子水清洗等。把聚合物溶液用甩胶机旋涂在洁净的衬底上,膜厚通过甩胶机转盘的转速和溶液的浓度来控制。转盘转速越快,溶液的浓度越低,薄膜的厚度越薄;转盘转速越慢,溶液的浓度越高,薄膜的厚度越厚。单模模厚大约 1 - 4m ,衬底作为波导的下包层。要制备多模波导需降低转盘转速以增加膜厚。成膜后,将样品放入烘烤箱烘烤,其目的是使薄膜老化坚硬,同时蒸发掉残留在膜表面的溶剂,形成聚合物层。因为薄膜的软化和沾染灰尘都将严重影响到膜的均匀度,而薄膜的均匀度将直接关系到波导的质量,所以烘烤的温度不能超过聚合物的玻璃化温度, 超过聚合物的玻璃化温度,聚合物内的长链分子会发生断裂,聚合物薄膜会软化。在烘烤的过程中也要保证薄膜所在环境的清洁,不能沾染灰尘。1.2.5 集成电路用聚合物光波导材料波导材料最基本的要求为：热稳定性与常规制作工艺相容(光电集成器件的熔结温度一般在 260，短时可能达到 400)；单馍信道光波导折射率精确可控；在13m，155m 和 085m 的波长上损耗低，存 850 nm 波长处的损耗应存0103 dBcm。更为严格的标准是：在 PCB 中的光波导线路长为几十厘米的情况下，波导传输损耗不能大于 01 dBcm，并具有良好的同化加工性。聚合物作为波导材料具有以下优点：可以旋涂在多种基片上(Si，SiO 和玻璃等)，损耗低(互连距离可以较大)，聚合物中引入微电子和光电子材料后在光互连、电互连、南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文）- 4 -绝缘体、保护套等方面有很大的应用潜力，便于加工、具有良好的电学和机械特性(电阻率高、介电常数小)，重量轻、柔韧性好、电光耦合系数较高、响应时间短、热损耗小(一般聚合物的热光效应是硅的 l0 倍，硅基光开关功率为 400500 mw，一般有机聚合物开光功率小于 5 mW)、驱动电压小等。迄今为止，人们尝试了多种聚合物作为光波导材料，其中主要有：聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)及其氟化物和氘化物、环氧树脂、聚苯乙烯(Polystyrene)、聚硅氧烷(Polyorganosilooxane)、交联的苯环丁烷(Benzocyclobutane，BCB)、交联的丙烯酸盐聚合物、含氟聚芳硫醚及含氟聚芳醚、环氧树脂、聚酰亚胺及含氟聚酰亚胺等。1.2.6 热电极的选择设计研制高效率的热光型光电器件, 必须清楚器件中的热学行为, 特别是稳态下的温度场分布情况。同时, 热光器件温度场的建立和去除直接与材料的比热、导热系数等相关, 这决定了热光型器件的响应速度, 也必须清楚器件中温度场的响应情况。热电极的优化设计能够显著提高热光型器件的性能。而电极材料的选择以及与电极相关的一些器件的结构参数的选取是进行热电极优化设计的基础。热光型器件是通过沉积在波导之上的热电极的电阻效应产生的热量来工作的。因此具有大的电阻率是选择热电极材料的重要依据。对于一个性能好的光电子器件，封装以后，就需要稳定性、牢固性好。聚合物热光光开关阵列芯片晶封装以后，电极就必须要牢固的附在开关波导层上，长时间不脱落。否则，开关使用寿命减短导致无法正常工作。而一般来说，高分子材料与金属等其他许多材料附着性较差。这就需要选择与高分子材料附着性较好的电极材料。1.3 本文工作本文对有机聚合物光波导器件的热光效应进行研究，了解其热光调制效率，并对聚合物波导器件建立热学模型 ，研究聚合物材料内的热传导和温度场线，分析热电极结构参数与热光调制效率的关系并对热电极的结构进行优化从而提高热光调制效率。主要工作如下：第一章为绪论，分析了有机聚合物波导热光效应的研究意义，综述了聚合物热光器件的机理，制造和材料性质，说明了电极选用的依据。第二章举出一种标准的热光型器件的模型，并根据其构造建立起了热学模型，对其温度场和折射率分布进行稳态分析。第三章利用 comsol 软件进行仿真，分析