（光学工程专业论文）含氟聚酰亚胺聚合物波导的研究.pdf

摘要 摘要 光波导是集成光学的基本单元，同时也是全光网络传输的基础。光波导结构在现代光通 信领域中具有十分重要的用途。有机聚合物具有介电常数小，电光和热光系数大，热损耗小， 易于加工且可垂直集成等优点，目前已经成为制作集成光波导器件很有前景的材料之一。近 年来人们开始广泛关注并开展有机聚合物光波导材料的开发和研究。 本论文主要围绕含氟聚酰亚胺有机聚合物材料的制备及其光波导器件的制作两大主题 进行了较为深入的研究。 由于普通聚酰亚胺分子的c h 键在红外波段有强烈吸收，不利于在集成光学中的应用。 而当分子中用c f 键取代c h 键时，材料则表现出优良的光学性能。本文采用含氟单体4 4 二 ( 六氟异丙基) 一苯二酸酐( 6 f d a ) 、5 , 5 - ( 六氟异丙基) - 二- ( 2 - 氨基苯酚) ( 6 f h p ) 及二氨基 二苯醚( o d a ) 合成了含氟聚酰亚胺6 f d a 6 f h p 和含氟聚酰亚胺共聚物 6 f d a 6 嘣f d a ，6 f h p 。材料的化学和光学性能表征结果显示，这两种材料具有较高的玻 璃化转换温度，在红外通信波段1 5 5 0 r i m 处具有较小的吸收。 在材料制备的基础上，本文采用上述含氟聚酰亚胺共聚物6 f d a 6 刚f i a 6 肿研究 了其平面波导的制各。首先采用旋涂法获得了较高质量的共聚物薄膜，然后在此基础上采用 先进的光波导工艺技术将该材料制备成条波导。测试结果表明，该波导在光通信波段1 5 5 0 r i m 处折射率n = 1 5 2 7 6 ，在较长范围内平均传输损耗小于o 6 6 d b c m ，局部损耗小于o 2 d b c m 。 综上所述，本论文首先在含氟聚酰亚胺光波导材料的制备方面做一些研究工作，获得了 有意义的结果。其次对该材料的光波导工艺进行了较为细致的研究，获得了性能较好的条形 波导。相信在材料和工艺两方面进行改进后，能够获得性能优异的光电子器件。 关键词：导波光学；含氟聚酰亚胺；聚合物光波导 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lw a v e g u i d ei st h eb a s i cs t r u c t u r eo fi n t e g r a t e do p t i c sa n dt h ea l l - o p t i c a ln e t w o r k o p t i c a lw a v e g u i d es t r u c t u r e s a r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h em o d e mo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n o w i n gt ol o wd i e l e c t r i cc o e f f i c i e n t , h i g he l e c t r o - o p t i c ，t h e r m o - o p t i cc o e f f i c i e n t 1 0 wt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , e a s et of a b r i c a t i o na n dc a nb ev e r t i c a li m e g r a t e d ，t h e r eh a sb e e n g r o w i n gi n l m e s ti np o l y m e rw a v e g u i d ed e v i c e si nt h e s ey e a r s t h i sd i s s e a a t i o ni sc o n c e n t r a t eo nt w op r o j e c t s ，i n c l u d i n gt h ep r e p a r a t i o no fo r g a n i c p o l y m e r , a n dt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so f p o l y m e rw a v e g u i d e c o m m o np o l y i m i d e se x h i b i ts t r o n gi n f r a r e da b s o r p t i o nb e c a u s eo fc - hb o n d s ，i sn o t c o m p e t e n tf o rt h e i ra p p l i c a t i o ni ni n t e g r a t e do p t i c b u tt h e s em a t e r i a l se x h i b i te x c e l l e n t p e r f o r m a n c ei no p t i cw h e nt h e i rc - hb e n d sa r er e p l a c e db yc - fb o n d s f l u o r i n a t e d c o p o l y i m i d e s ( 6 f d a 6 f h pa n d6 f d a 6 f h p - 6 f d a o d a ) a l es y n t h e s i z e df r o mf l u o r i n a t e d m o n o m e l b 4 a - ( h e x a f l u o r o i s o p r o p y l i d e n e ) 一d i p h t h a l i ca n h y d r i d e ( 6 f d a ) , 2 , 2 - b i s ( 3 - a m i n o - 4 一h y d r o x y p h e n y l ) h a x a f l u o r o p r o p a n e ( 6 f h p ) a n d4 , 4 - d i a m i n o d i p h e n y le t h e t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e s ec o p o l y i m i d e si nc h e m i s t r ya n dp h o t i c sw e d e t e r m i n e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep o l y i m i d e sh a v eh i 【g hg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea n de x h i b i tl o w a b s o r p t i o n 砒o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw a v e l e n g t h1 5 5 0 r i m b a s e do nt h ep e l y m i d em a t e r i a l s ，f a b r i c a t i o no fc o p o l y i m i d ew a ss t u d i e db yu s i n g 6 f d a 6 f h p - 6 f d a o d a h i g hq u a l i t yc o p o l y i m i d ef i l mc o u l db eo b t a i n e db yc a s t i n gt h e c o p o l y i m i d es o l u t i o no ng l a s ss u b s t r a t e t h e nt h ef i l mw a sm a d ei n t ow a v e g u i d eb yu s i n g e d c a n c e dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s t e s tr e s u l t s 越o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw a v e l e n g t h1 5 5 0 n m i n d i c a t e dt h a tt h ew a v e g u i d ea v e r a g e st r a n s m i s s i o nl o s si sa r o u n d0 6 5 8 d b c ma n dc o u l db ea s l o wa so 2 d b e ma ts o m e p a r t s k e yw o r d s ：o p t i c a lw a v e g u i d e ，f l u o r i n a t e dp o l y i m i d e ，p o l y m e ro p t i c a lw a v e g u i d e i i - 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：墨呈盈日期：竺丑：生：1 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：墨主荭 导师签名： 研究生签名：导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 2 1 世纪被称为高速信息时代，迅猛发展的超大规模集成电路虽在近期内满足了计算速 度和信息储量的要求，但离信息时代所要求的高速度数据传递处理以及大容量信息的运算还 相差很远。电子信息传输方式固有的缺陷包括速度、容量、空间相容性、信息检测精度等方 面，这些因素都制约了电子信息系统在未来信息时代中的广泛应用。与电子传递信息相比， 光子传递信息具有许多优点。如良好的并行性，即光信号可以交叉传送；高频率信息载量大； 宽带宽；高速度；高密度；光束可聚焦以及抗电磁波干扰( 表1 ) 等【1 】o 光纤通讯取代传统 电缆通讯的发展趋势就是高速度传输处理以及运算大容量的信息将依赖于光子学技术的最 好证明。光子学现已为长距离通讯提供了较为成熟的实用技术。传输损耗小和信息容量大是 光纤通讯的最重要的优势。对于传输速度达到1 5 0 g h z k m 的远距离通讯，光纤线路上可以 传递以每秒数十亿次的高速调制激光，由发光二极管而得到的编码信息脉冲调制为5 4 0 m b i t s s 的一路激光信号通过单根光纤便可以同时传送2 4 0 0 0 门以上的通话。这个容量大大 超过了相应尺寸和重量的金属电缆所能提供的容量【2 】。 表1 电子传递信息与光子传递信息比较 电子传递信息光子传递信息 速度慢 容量小 容问相容性限制 信息检测精度有待提高 良好的并行性( 即光信号可以交叉传送) 高频率( 信息载量大) 宽带宽、高速度、高密度( 光束可聚焦) 抗电磁干扰 同样，我们有理由相信集成光路取代集成电路的可行性，以充分发挥光子信息传递最优 越的性质，即有宽广的带宽可供利用。目前集成光路的发展还远远落后于光纤的发展，集成 光路只是集成电路设备的辅助手段。在很长时间内将是电子信息传递与光子信息传递共存的 混合式情况，但采用光作为通信媒质清楚地表明，集成光学只是从纯电子技术到全光子技术 的一种过渡阿。随着信息时代发展提出越来越高的要求在保留电控制的灵活性多功能等特点 基础上不断引入光互连、光调制、光交换等先进的光子学技术，光的宽带和高速传输等特性 最终将得以实际应用【4 l 。 东南大学硕士学位论文 1 2 光波导及有机聚合物光波导概述 1 2 1 光波导概述 2 0 世纪7 0 年代初期，低损耗光纤的应用及其损耗性能的不断提高给光纤通信的发展带来 了新的机遇，全光通信的技术成熟度开始稳步提高。要实现全光通信系统离不开集成光电子 学器件和相应的系统硬件。为了满足这种要求，光电子学的研究中拓展了两个新的研究范围 0 1 ：( 1 ) 光组件的小型化；( 2 ) 光组件间的集成。在这两个研究领域中，平面介质波导起着 极其重要的作用。2 0 世纪6 0 年代早期，首次在实验中观察到沿介质层的光波导现象；不久便 有基于这种现象的新一类有源和无源光电子学元器件问世。这类元器件尺寸小，要求功率低； 与电子元件相比，具有更宽的通带和更好的抗电磁干扰能力，人们期望它在很多场合能取代 集成电路中的电子元件。6 0 年代后期，导波光学元器件领域取得的成就成为“集成光学”和 “集成光电子学”科学的开端。自此，导波光学在理论和应用方面都得到迅速发展。 光波导也是集成光电子学系统中必不可少的部件，集成光电子学同样也离不开光波导理 论的支持。集成光电子学中主要使用的平面介质光波导，主要有平板波导和条形波导两种形 式 丁 _ 图1 - 1 光波导的基本结构 在以玻璃为代表的透明介质衬底的表面上，附着上折射率比衬底略高、厚度可以与波长 相比较的薄膜，光就会被封闭于这种高折射率的薄膜层内构成波导。结构最简单、最基本的 光波导的结构如图1 - l 所示睁“。其中衬底、波导层、及其上包层的折射率分别为行，、一，、 珂。为了能够实现光波导，必须刀， t ， 甩。在图1 1 的结构中，光只有在x 方向是封闭的， 因此被称之为二维光波导( 2 - do p t i c a lw a v e g u i d e ) ，或者平板型光波导( s l a bo p t i c a l 2 - 第一章绪论 w a v e g u i d e ) 。在这种结构中，按照折射率沿x 方向的变化进行分类，又可以将它划分为：折 射率呈阶梯状变化的折射率突变型光波导( s t e p - i n d e xw a v e g u i d e ) 以及折射率慢变的折射率 渐变型光波导( g r a d e - i n d e xw a v e g u i d e ) 。 在二维光波导的情况下，只有沿厚度方向( x 方向) 对光是封闭的，因此波导中的光可 以沿表面( y 方向) 自由传输，这么一来光就有可能全部散失掉。但是实际上利用光波导组 成光调制器和光学开关( 它们统称为光学器件) 的时候，光在y 方向上也必须是封闭的，光 波的分路、弯曲、耦合等也必须都能够控制。像这种在x 方向和y 方向上都将光封闭了的波 导称为三维光波导( 3 - do p t i c a lw a v e g u i d e ) ，通道光波导( o p t i c a lc h a n n e lw a v e g u i d e ) ，或者 条形波导。条形波导的最简单形式是一条高折射率的薄膜窄带淀积在低折射率基片上，称为 脊形波导；条波导的其他常见的形式还有沟道波导、扩散波导等。尺寸有限的光束在自由空 间或者平板波导中传播时，由惠更斯原理，光束将会发散或者扩张。然而在条波导中无论传 输多远，光波都被限制在同样的尺寸内并保持一定的波场形式。小宽度长距离限制光场的能 力是条形波导的重要性质【l l - “。 1 2 2 有机聚合物光波导概述 随着光网络中的宽带通信的进一步成功，数据通信和计算将依赖于基于光波导器件的光 器件，例如光分离器，光合波器，复用器( h f l ) ，解复用器，光开关，调制器，可调滤波 器。可调光衰减器( v o a ) ，光放大器和其他集成光学器件，基本的设计和制作集成光波导 器件已初具规模，在材料领域中却还没有完全的胜者。今天光纤已经应用于高速数据传输， 虽然光纤提供了便利的长距离传输光信息方式，但是对于传输复杂高密度的线路是不容易实 现的。除光纤易碎和震动敏感性外，光纤设备的制作也比较困难，特别是断口数量多时导致 的结果是成本很高，而光波导材料弥补了这种不足。i l i v 族半导体材料l n p 广泛地应用于波 导制作，这种材料在主动器件上具有很大的潜力，如1 5 5 0 n m 附近的激光器和光探测器的集 成。然而，对于近期销售光器件的情况来看，半导体材料的价格昂贵。1 9 8 0 年n 1 v r 首先提出 s i 基的平面光波器件，即通过应用较为接近的s i 基集成电路的制造技术，实现基于s i 的平面 光波器件( p l c ) ；然而，制作出第一批商业产品花费了将近1 5 年的时间。近来，光开关和 阵列波导光栅( a w g ) 结构的复用器和解复用器在d w d m 系统中占据s i 基平面光波器件技 术的主要应用“3 1 。出于成本考虑，高的开关功率需要s i 基开关器件，然而，低波长调节范围 和中心波长温度依赖性是s i 基a w g 主要的问题。在可选材料体系中，聚合物是高集成光器 件和光路值得期待的材料选择。聚合物材料是制作集成光器件很有前景的材料，因为聚合物 东南大学硕士学位论文 材料为集成光学器件提供了快速响应，低成本的优点。相对于s i 具有低光损耗和小的双折射， 由于聚合物具有比s i 大的热光系数，所以其受热能量转换效率高，高的折射率比值使得其器 件尺寸更小。此外，聚合物提供了一个理想的平台，通过选择掺杂或反应可以用来与其他复 杂的材料结合e 1 4 - 1 7 】。 聚合物波导材料具有以下优点： 1 制作高质量的聚合物波导材料相对容易，同时波导材料的折射率也易于调整。 2 器件制作工艺简单，并与传统的半导体工艺相容，有利于大规模的生产，成本 低。 3 材料可旋涂在许多类型的基底上，有利于与其它的光电子器件集成。 4 。 材料种类多，因而可选择损耗低且偏振无关的材料来制作期间。双折射小，制 成波导器件性能受偏振影响较小。 1 3 光波导材料 1 3 1 集成光波导材料的共同要求 作为“集成”器件或体系，必须有衬底层、波导层和覆盖层，它们分别由不同材料构 成。首先，光波导材料应当“透”光，即在器件工作频段具有足够小的光吸收。其次，要保 证光波导的波模式传播要求。光传输的波导部分的工作频段的折射率应大于衬底层和覆盖层 的折射率。由于大多数情况下衬底层的折射率大于覆盖层的折射率，因此波导层与衬底层的 折射率差a n 是一个非常重要的参数。这一参数主要是由所构成的光波导的光传输特性决 定。例如，对只传输一个模式的单模平板波导，波导厚度应满足1 1 8 l w 睨* a ( 2 4 2 n a n ) ( 1 1 ) 式中形为最低高次模的截止波导宽度。由第2 章的分析可知，条形波导为实现单模传输条件， a n n 一般取0 1 扣1 0 。衬底和波导层的材料应当能控制到这一折射率差值。选用材料时 还要考虑到工艺性能，包括不同层之问的附着粘合性能。当然，很多情况下，波导层与衬底 层也可以使用同一材料，折射率差异是通过工艺手段实现的，例如，通过扩散或者离子交换 实现波导层的折射率要求。 集成光学器件的不同功能，确定了它所使用材料的特性。集成光学器件包扩无源器件和 有源器件。无源光元件如光波导耦合器、阵列波导光栅等等，本身不包含光与电子体系相互 作用导致的光增益或光电转换等功能，制作这些器件的材料被称为被称为无源材料。与之相 d 第一章绪论 对应，有源光器件如半导体激光器、光放大器、半导体探测器等所使用的材料称为有源材料。 显然，对有源、无源这两大类材料的要求、加工方法及应用等都有一定的区别，但既然 都属于集成光学器件的结构材料，就必须满足以下一些共同的基本要求： ( 1 ) 材料要易于形成质量良好的光波导。而且形成的光波导能满足器件功能的要求。其 中最重要的是在可见工作波长范围内，光传输损耗要小，即材料的“透明度”要高。一般要 求光波导的损耗在l d b c m 以下。此外，还要求材料的工艺性能好，能用适当的、容易实现 的方法，在相应的衬底及覆盖层之间形成折射率较高的波导层。 ( 2 ) 集成性能好，希望能在同一衬底上制备出尽量多的不同功能元件。这对实现单片 集成是十分重要的。目前还没有找到能够实现所有功能的高集成度的理想材料。 ( 3 ) 经济性。包括材料本身的经济性以及加工的经济性，这在很大程度上决定了集成 光学器件的实用性。 除以上应满足的共同要求外，不同器件对材料的某些特殊物理性质或参量又有不同的要 求。例如，对应光通信工作波段，半导体光源器件要求半导体材料具有合适的带隙和较低的 阈值，光开关、调制器等器件要求材料具有与器件工作原理相应的( 电光、声光、磁光、热 光等) 高品质因素等。晶体芯片还要求纯度和切割的光轴取向符合要求【1 1 ，1 9 】。 1 3 2 光波导材料研究概况 目前在不同程度上适合集成的材料有很多，它们以不同的结构和原理能够实现一种或 多种器件。这些材料主要包括v 族化合物半导体材料，l i n b 0 3 ，s i ，s o l ( s i l i c o no ni s o l a t o r ) ， s i 0 2 ，有机聚合物等等。这材料各有特点，能够实现的器件也不尽相同。下面简单对它们做 概括性的介绍。 1 、介质材料： 虽然集成光学的最佳设想是把从光源到探测器的整个集成光路全部集成在同一个衬底 上，以形成一个紧凑、密集、体积小巧的单片集成光路，从而最大程度地体现出集成光学的 全部优点。但是，无论从整个光路的研制水平，或单个功能器件的研制和开发应用来看，目 前仍需要那些某一方面性能( 如电光、声光、磁光、热光等) 特别优异的无源介质材料来研 制如光开关、调制器、耦合器、转换器等功能器件。这些介质材料包含l i n b 0 3 、l i t a 0 3 晶 体和z n o 晶体等两大类。l i n b 0 3 是由来已久的波导类器件材料，以前主要利用其二次电光效 应，多应用在干涉型、相位调制型光子器件( 如m - z 干涉器、b o a 开关等 2 0 - 2 ”) 中，今年来 t i ：e r ：l i n b 0 3 在波导激光器中也有应用2 4 - 2 5 1 。总体来说，l i n b 0 3 为材料的光子器件的优点是 5 东南大学硕士学位论文 材料成本低，工艺相对简单。但是由于干涉型、相位调制型器件的体积相对来说是比较大的， 因此其集成度具有一定的限制。另# l i n b 0 3 制作工艺与半导体工艺的兼容性、l i n b 0 3 与半 导体光子器件的可集成性方面也较差，在半导体光子器件占优势的今天，这无疑是个较大的 缺点。z n o 晶体具有优良的压电特性，同时还显示出很强的电光效应和很大的非线性光学效 应，而且容易制作成薄膜。在利用这些效应的器件中，尤其是使用非压电衬底的声光器件中， z n o 晶体是非常重要的波导材料【1 1 l 。 2 、半导体材料： 根据能带结构，半导体材料分为直接带隙材料和间接带隙材料两种。s i 作为常规半导体 电子材料，也能较好地实现光子器件，但由于它是间接带隙材料，因此主要应用于无源光子 器件中。目前除了直接的s i 基光波导以外，s o l 也是s i 材料应用与光子器件中的一个重要形 式，因为它对波长大于1 2 m 的光具有很好的限制，此外它还能充分利用相当成熟的s i t 艺 来提高自身的结构可实现性和灵活性，因而在不同器件集成、多功能集成方面具有明显的优 势1 2 6 1 。s i 材料应用于光子器件的另一个重要的形式是近几年迅速崛起的m e m s 光开关阵列 1 2 7 1 。虽然还有很多问题尚待解决，但其大规模集成的前景和高消光比特性已经引起人们的 高度重视。直接带隙半导体材料包含i n g a a s p 材料体系、氮化镓( g a n ) 系和m g z n s s e 体系 三大类。i n g a a s p 材料体系可以制作光源、光放大器和光探测器等多种有源光器件，便于光 电子集成和全光集成，易于小型化，还具有电光效应和非线性效应，可用于制作电光集成器 件。g a a s 不存在硅材料的两个缺点，硅的弱点恰是g a a s 的长处。相的g a n 为直接带隙半 导体材料，禁带宽度为3 3 9 e v 。a i 掺入g a n 改变其晶格常数，纤锌矿g a n 和a 1 n 的晶格常数 分别为4 = 3 1 8 9 a 、口= 3 1 1 2 一，大约有2 的失配。i n 掺k g a n 导致带隙宽度变小，晶 格常数增大。三元化合物i n l 。g a i n 和a i 。g a l - x n 也都是直接带隙半导体材料，禁带矿度分别 近似线性地从1 9 5 e v 变到3 3 9 e v 和从3 3 9 e v 变到7 2 8 e v ，覆盖了整个可见光到紫外光波段。 难以找到其他材料体系能象g a n 基半导体材料这样在可见到紫外波段具有如此宽的可调的 连续线性变化的直接带隙。这对于光电器件的应用是十分重要的，其中特别引人注目的是蓝 光到紫外波段。在光存储、光通信、彩色图像显示、军事应用和医疗设备等方面有着广阔的 前景1 1 l - 1 2 1 。很长一段时问以来，二元化合物z n s e 、z n s 和三元化合物z n s s e 被认为可能用于 制作蓝光激光器的材料。用这些材料制作的光泵浦和电子束泵浦激光器已经实现。对于 z n s s e 材料而言，随着s 含量的变化，晶格常数的变化大约为4 。如果s 的含量不太高，三 元化合物可能形成稳定的闪锌矿结构。 6 第一章绪论 3 、s i c h ( 玻璃) 玻璃是各向同性的非晶态材料，也是具有代表性的光学材料，比较容易制成光波导。早 期研制的玻璃光波导是溅射玻璃波导。例如，在清洁的普通玻璃衬底( = 1 5 1 5 5 的显 微镜载玻片) 上，溅射上一层厚度小于l l a n 的康宁7 0 5 9 玻璃( 玎= 1 6 2 ) 形成了薄膜平面光 波导。这种波导的传输损耗小于l d b c m 。s i 0 2 光波导与s o l 相比具有如下的优势：制作比较 简单，在材料的生长过程中可以方便地根据器件的需要适当改变材料的结构，这给制作各种 不同结构器件带来了方便；而i s i o z 的热稳定性很好，特别适合制作热光器件1 2 8 1 。近年来， 人们利用玻璃折射率随温度变化的特性，制作了各种导波光学元件，使玻璃在集成光学中得 到了广泛应用。 4 、磁性材料： 集成光学中，可以利用的磁光材料包括磁性晶体和磁性薄膜1 3 0 l 。以y i g 为代表的磁性 石榴石薄膜是制作磁光集成器件的重要波导材料。y i g 材料的物理化学性质优良，在近红 外波段吸收小，但其法拉第旋转角以相对较小，不利于器件的小型化和集成化；通常利用 掺杂来提高其法拉第旋转角。 5 、聚合物材料 聚合物材料成本较低，工艺简单，适合大规模生产；聚合物材料还具有电光和热光效应， 适合制作电光和热光集成器件【3 1 1 。聚合物光波导一般都有很小的传输损耗，但稳定性较差。 早在2 0 世纪7 0 年代初期，p k 啊就用射频放电使有机化学材料( 如乙烯基三甲基硅烷) 在玻璃衬底上聚合，形成密实、光滑、坚固的聚合物薄膜波导。这种波导在工作波长 0 4 0 7 5 p m 的范围内具有极高的“透明度”，传输损耗只有0 0 4 d b c m 。 对制作好的聚合物薄膜进行化学处理，或者由两种有机材料混合淀积等方法来控制薄膜 的组分或结构，也能获得所需折射率差的波导。用于光波导的聚合物材料主要有聚甲基丙烯 酸甲酯( p m m a ) 、环氧树脂( e x p o x y ) 、苯并环丁烯( b e n z o c y e l o b u t e n e ，b c b ) 、氟化聚酰 亚胺( p o l y i m i d e ) 、聚碳酸酯( p o l y c a r b r a t e s ，p c ) 、氟化环丁基( p f c b ) 芳香醚等，其衬底材 料主要采用硅。聚合物光波导的最初应用于多模光纤用光波导，以后进行了单模光波导的开 发。此外，目前对聚合物阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d e - g r a t i n g ，a w g ) 及光调制器等 集成光学器件的研究也越来越多。p m m a 是透明度非常高的塑料材料，广泛用于眼镜等透 镜、短距离光纤、阵列波导光栅的研制。氟化聚酰亚胺是一种耐热性好的苯环芳香族塑料材 料，用不同氟含量的聚酰亚胺聚合物，通过控制氟含量，可以改善折射率的变化。 与半导体、无源介质材料等光波导材料相比，聚合物光波导材料具有如下的优点： 7 东南丈学硕士学位论文 ( 1 ) 价格低，制作简单：不必经过扩散、蒸发及外延等真空工艺，可以用涂敷和光照等 过程，制作工艺及设备简单，因而可以降低成本，展现了光部件低成本化的很大可 能性。材料本身的低成本和旋转涂敷等工艺原理上的低成本结合起来，预计这些聚 合物材料今后会成为集成光学器件的重要材料。 ( 2 ) 材料可以淀积在半导体衬底上，便于实现混合光电集成。 ( 3 )聚合物光波导具有较低的传输损耗：它与光纤的耦合损耗也相当低。 ( 4 )可以有效利用折射率变化获得强度和相位调制。 ( 5 ) 可以根据需要，通过调节有机材料的组分以实现电光、热光等特性。 尽管有机聚合物材料本身的诸多优点决定了它非常适合制各光波导材料但是这类波 导材料机械强度差，易被污染而且不易清洗，因此还需要进行大量的研究工作才能实现实用 化 1 4 本论文的意义和工作 有机聚合物波导课题是当前的一个研究热点。这个课题包含着两个研究方面，一个是性 能优异的有机聚合物波导材料的研究，另一个是在成熟的波导理论指导下的聚合物波导器件 的制作工艺方法研究。 本文第二章简要分析了介质平面波导理论。由平面波导的射线光学理论，当入射角足够 大时，光波在波导层的两个分界面上都发生全反射。在这种情况下，光进入波导层后便被封 闭在里面沿z 字形路线传播，从而形成“导模”。由波动理论，导模在波导层内形成x 方向 的驻波，在覆盖层和衬底内形成振幅沿x 方向指数衰减的消逝场。但并不是所有入射角满 足o o 见 0 的光都能在波导中传播并构成导模。实际上，构成导模的口只能是有限个离 散值，导模属于离散谱。另外，根据平面波导的电磁理论可分析平面波导内部的场的分布。 介质平面波导理论是设计和制作光波导器件的理论支持。 本文第三章介绍了各种有机聚合物光波导材料的研究进展。重点介绍了含氟聚酰亚胺的 研究情况，制备方法。同时我们还根据溶液法制备了含羟基活性基团的含氟聚酰亚胺 6 f d a 6 f h p ，对其进行了系列化学和光学性能表征。并在此基础上引入o d a 制备了含氟聚 酰亚胺共聚物6 f d a 6 f h p 6 f d a 由于制备的含氟聚酰亚胺含有羟基活性基团，今后 完全可以根据器件化的需要以侧链形式引入生色基团等小分子以实现热光、电光等器件化要 求。 第四章介绍了目前光波导制各的重要技术，主要研究了含氟聚酰亚胺平面波导的制备。 - 8 第一章绪论 根据我们设计的工艺，从聚合物溶液的制备到光刻、反应离子蚀刻都都做了细致工作。并对 制备的薄膜波导进行了折射率、传输损耗等特性测定。 最后是本文的结束语。 参考文献： 1 s e r v i c er n o n l i n e a rc o m p e t i t i o nh e a t su p 啊，s c i e n c e ，1 9 9 5 ，2 6 7 ：1 9 1 8 - 1 9 2 1 2 s m i t h pw a l l - o p t i c a l d e v i c e s ：m a t e r i a l sr e q u i r e m e n t s j 】p r o cs p i e 1 9 9 3 ，1 8 5 2 ：2 - 9 3 生瑜，章文贡献。金属有机非线性光学材料【j 】，功能材料，1 9 9 5 ，2 6 ：1 - 6 4 胀明德，孙小菡。光纤原理与系统【m 】，东南大学出版社，1 9 9 8 ：1 1 3 5 l s a ics g u i d e d - w a v e a c o u s t o - 4 3 p t i c s ：i n t e r a c t i o n d e v i c e sa n d a p p l i c a t i o n s b e r l i n ：s p f i n g e r - v e r l a g , 1 9 9 0 6 g o e l lje e l e c t r o - r e s i s tf a b r i c a t i o no f b e n d sa n dc o u p l e rf o ri n t e g r a t e do p t i c a lc i r c u i t s a p p l i e do p t i c s ，1 9 7 3 ，( 1 2 ) ：7 2 9 - 9 3 1 7 李家泽，阎吉祥，光电子学基础。北京：北京理工大学出版社，2 0 0 2 8 蔡履中，王彦成，周玉芳。光学。修订版。济南：山东大学出版社，2 0 0 2 9 李玉权利，崔敏。光波导理论与技术。北京：人民邮电出版杜，2 0 0 2 1 0 d a g c o i sm ，l e h e n yrf ，c r o wj 。i n t e r g r a t e do p t o c l e c t r o n i c s s a nd i e g o ：a c a d e m i cp r e s s ， 1 9 9 5 1 1 唐天同，王兆宏。集成光学。北京：科学出版社，2 0 0 5 1 2 唐天同，王兆宏，陈时。集成光电子学。西安：西安交通大学出版社，2 0 0 5 1 3 el i p s c o m b , a d t i c k n o r , m s t i l l e r , a n dw j c h e n e ta 1 i nd e s i g nm a n u f a c t u r i n ga n dt e s t i n g o f p l a n a r o p t i c a l w a v e g u i d e d e v i c e s s p i e b e l l i n g h a m m a 2 0 0 1 ，v 0 1 4 4 3 9 p 1 0 1 4 l e l d a d a , i e e ej s e it o p q u a n t u me l e c t r o n 2 0 0 0 v 0 1 6 p 5 4 1 5 r a n o r w o o d , r b l o m q u i s t , a n dl e l d a d a e ta 1 p r o c s p i e - i n t s o c o p t e n g 1 9 9 8 v 0 1 3 2 8 1 p 2 1 6 l r o b i t a i l l e c l c a l l e n d e r j e n o a d p r o c s p i e - i n t s o c o p t e n g 1 9 9 8 v 0 1 3 2 8 1 p 1 4 - 2 4 1 7 l d a l t o n a d v p o l y m s e i 2 0 0 2 v 0 1 1 5 8 p i 1 8 ，j 、林功郎。光集成期间。崔凤林译。北京：科学出版社，2 0 0 2 1 9 蔡伯荣等。集成光学。成都：电子科技大学出版社，1 9 9 0 2 0 p e n gj i l l u l id e j i e ，s h e nl e i ，w a n gw e i d o n g an o v e lb o at y p ep o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n t o p t i c a ls w i t c h ，1 9 9 0i e e er e g i o n1 0c o n f e r e n c eo nc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 9 东南大学硕士学位论文 1 9 9 0 i e e et e n c o n 9 0 ，3 o l ，p 1 2 8 1 2 9 2 1 m c g u i r e , a ，t h o m a s a p ，b o o t h , r ，c ，o p t i m i s a t i o n o f l i n b 0 3 b o a w a v e g u i d es w i s h e s o p e r a t i n ga t1 3 1 s m ，e l e c t r o n i c sl e t t e r , v 0 1 2 6 ( 2 5 ) ，p p 2 0 7 7 - 2 0 7 9 ( 1 9 9 0 ) 2 2 w a n g , w ，t a v l y k a e v , r , r a m a s w a m y , r v b a n d p a s st r a v e l i n g - w a v em a e h - z e h n d e rm o d u l a t o r i nl l n b 0 3w i t hd o m a i nr e v e r s a l ，i e e ep h o m n i c st e c h n o l o g y l g t t e r s ，v 0 1 9 ( 5 ) , p p 6 1 0 - 6 1 2 ( 1 9 9 7 ) 2 3 f u j i w a r a , t ，w a t a n a h e , a ，m o r i h ，m e a s u r e m e n to f u n i f o r m i t yo f d r i v i n gv o l t a g ei nt i ： l i n b 0 3 w a v e g u i d e su s i n gm a e h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r s ，i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g y l e t t e l s ，v 0 1 2 ( 4 ) ，p p 2 6 0 2 6 1 ( 1 9 9 0 ) 2 4 s u c h e ，h ，o e s s e l k e , t , p a n d a v e n e s ，j , r , r o c h h a u s e n ks o h l e r , w ，b a l s a m o ，s ，m o n t r o s s e t , i 。w o n g , k k , e f f i c i e n tq - s w i t c h e dn ：e r ：l i n b 0 3w a v e g u i d el a s e r , e l e c t r o n i c s l e t t e r s ，v 0 1 3 4 ( 1 2 ) , p p 1 2 2 8 1 2 3 0 ( 1 9 9 8 ) 2 5 w e s s e l , r , r i c h e n , i l , r o c h h n u s e n ，k ，s u c h e , h ，s o h l e r , w ，s u p e r m o d es t a b i l i z e d c o u p l e d - c a v i t y5 - a n dl o - g l - l zm o d e l o c k e dt i ：e r ：l i w 0 0 3w a v e g u i d el a s e r s ，i e e ej o u r n a lo f q u a n t u ne l e c t r o n i c s ，v 0 1 3 6 ( 3 ) , p p 3 9 4 - 3 9 9 ( 2 0 0 0 ) 2 6 b o u s s e y j ，c h o u t e a t hs , o p t o c l e c t e o n