（光学工程专业论文）基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究.pdf

大连理工大学硬士学位论文 摘要 首先运用光波导理论和耦合模理论，建立了微环谐振器传输特性的理论模型，分析 了微环谐振器传输特性和各性能指标随耦合和损耗这两个重要参数的变化关系，并讨论 了等几种常见微环谐振器结构的特点，为微环谐振器的设计提供了理论依据。 介绍了微环谐振器的两种数值模拟方法一时域有限差分法( f d t d ) 和光束传播法 f b p m ) ，对于f d t d 方法，分析了模拟时间、数值色散对模拟结果的影响，从而给出了 选取时间、时问步长和格点的基本原则：对于b p m 方法，讨论了其模拟微环谐振器传 输特性的基本思路，并详细讨论了弯曲波导的基本特性和微环谐振器耦合效率和传输损 耗的计算方法，基于讨论的结果最后得到了微环谐振器的传输特性曲线。通过比较这两 种方法发现f d t d 适合于小尺寸微环的模拟分析，而b p m 适合于大尺寸微环的模拟分 析。 对新型聚合物光子材料p p e s k 的成膜工艺进行了系统的研究，通过旋涂法获得了 厚度均一性和折射率致性良好的薄膜，并分析了溶剂吸水性和挥发性对薄膜质量的影 响。采用棱镜耦合仪测量分析了p p e s k 和氟化p p e s k 的折射率、双折射、热光系数和 光学损耗等光学特性，结果显示该材料是一种具有良好前景的聚合物光子材料。 研究了新型有机无机杂化聚合物光子材料p s q 的成膜工艺，讨论了溶剂挥发性对 薄膜质量的影响，获得了质量优良的薄膜，并测量了它们的基本光学特性。重点研究了 p s q l s ( 液态p s q ) 的固化工艺，通过优化固化工艺使p s q l s 具备了较低的光损耗，同 时讨论了p s q - l s 折射率的调控方法，结果表明p s q l s 是一种性能良好的聚合物光子 材料。 以液态p s q ( p s q l s ) 为波导制备材料，设计了多种掩埋型微环谐振器结构和波导测 试结构，用于微环谐振器和波导基本性能的测试、设计结果和实际器件性能的对比、以 及波导制备工艺的考察等，设计中对微环谐振器的波导宽度、弯曲半径、祸合长度及耦 合间隙( g a p ) 进行了优化，以期获得最小的插入损耗及大的消光比。给出了掩模版的设 计思路和设计结果，并制备出了掩模版。 关键词：聚合物；微环谐振器；p p e s k ；p s q ；光束传播法( b p m ) 基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究 s t u d yo f n o v e l - p o l y m e r - b a s e dm i c r o r i n gr e s o n a t o r a b s t r a c t 1 1 l et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o r i n gr e s o n a t o ra r e a n a l y z e db yo p t i c a l w a v e g u i d ea n dc o u p l e d - m o d et h e o r y , i ts h o w st h a tt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo fm i c r o r i n g r e s o n a t o rd e p e n d sm u c hm o r eo nt w oi m p o r t a n tf a c t o r s ，i e t h ec o u p l i n ge f f i c i e n t , a n dr o u n d t r i pl o s s ，s e v e r a ls t r u c t u r e so ft h em i c r o r i n gr e s o n a t o rs u c ha sa r ea l s oi n t r o d u c e d a n dt h e s e o f f e rt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g no f m i c r o r i n gr e s o n a t o r t w os i m u l a t i o nm e t h o d sf o rm i e r o r i n gr e s o n a t o r ( i e f d t da n db p m ) a r ei n t r o d u c e d f o rf d t dm e t h o d , t h ei n f l u e n c eo ft h es i m u l a t i o nt i m ea n dn u m e r i c a l d i s p e r s i o no n s i m u l a t i o nr e s u l t si sa n a l y z e d ，s ot h eg e n e r a lp r i n c i p l et os e tt h et i m e s t e pa n dg i r ds i z ei s g i v e n f o rb p mm e t h o d ，t h ei d e ab e h i n dt h ed e s i g no ft h em i c r o r i n gr e s o n a t o ri si n t r o d u c e d ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u r v e d w a v e g u i d ea n dt h em e t h o do f c a l c u l a t i n gc o u p l i n ge f f i c i e n c ya n d p r o p a t a t i o nl o s sa r ea n a l y z e d ，a n df i n a l l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o r i n gr e s o n a t o ri so b t a i n e d b yc o m p a r i n gt h et w om e t h o d s i ti sc o n c l u d e dt h a tf d t di sm o r es u i t a b l ef o rs i m u l a t i o no f m i c r o r i n gr e s o n a t o ro fs m a l ls c a l ea n db p m i sm o r es u i t a b l ef o rm i c r o r i n gr e s o n a t o ro fl a r g e s c a l e t h ef i l mp r e p a r a t i o na n do p t i c a lp r o p e r t i e so f p h o t o n i cp o l y m e rp p e s k i si n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo fs o l v e n th y d r o p h i l i c i t ya n dv o l a t i l i t yo nf i l mq u a l i t yi sa n a l y z e d ag o o d w a v e g u i d e 丘1 1 1 1w i t hh o m o g e n e o u s 如c k n e s sa n di d e n t i c a lr e f r a c t i v ei n d e xi sf a b d c a t e d m o p t i c a lp r o p e r t i e s o fp p e s ka n df l u o r i n a t e dp p e s kf i l m ，i n c l u d i n gr e f r a c t i v e i n d e x ， b i r e f r i n g e n c e ，t h e r m a l o p t i c a lc o e f f i c i e n ta n do p t i c a ll o s s ，a r em e a s u r e da n dc h a r a c t e r i z e d i t i ss h o w nt h a tp p e s ki sap r o m i s i n gp h o t o n i cp o l y m e rm a t e r i a ld u et oi t sf i n e o p t i c a l p e r f o r m a n c e t h ef i l mp r e p a r a t i o no fa n o t h e rk i n do fp o l y m e rp s qi si n v e s t i g a t e d ，t h ei n f l u e n c eo f s o l v e n tv o l a t i l i t yo nf i l mq u a l i t yi s a n a l y z e d ，ag o o dw a v e g u i d ef i l mi so b t a i n e da n dt h e o p t i c a lp r o p e r c i e sa r em e a s u r e d t h ec u r i n gp r o c e s so fp s q l s ( 1 i q u i ds t a t e ) i si n v e s t i g a t e d e m p h a t i c a l l y ，b yo p t i m i z i n gt h ec u r i n gc o n d i t i o n ，t h ep s q l sc o u l dh a v eal o wo p t i c a ll o s s ， t h em e t h o do f t u n i n gt h er e f r a c t i v ei n d e xi sa l s oi n v e s t i g a t e d ，a n di ts h o w st h a tt h ep s q l si s a p r o m i s i n gp h o t o n i cp o l y m e rm a t e r i a l t h i sp a p e rf i n a l l yd e s i g n st h ep o l y m e rm i c r o r i n gr e s o n a t o rb a s e do np s q l sm a t e r i a l t h ed e s i g ni n c l u d e sd i f f e r e n tk i n d so fb u r i e dm i r c o r i n gr e s o n a t o ra n ds o m e t e s t i n gs t r u c t u r e s b yo p t i m i z i n gt h ew a v e g u i d ew i d t h ，t h er a d i u so ft h er i n g ，t h eg a pa n dt h ec o u p l i n gl e n g t h t h em i c r o r i n gr e s o n a t o rw i t ht h es m a l l e s ti n s e r t i o nl o s sa n dt h el a r g e s te x t i n c t i o nr a t i oc o u l d 大连理工大学硕士学位论文 b eo b t a i n e d t h ei d e ab e h i n dd e s i g na n dl a y o u to f t h ed e s i g n e dm a s ka l eg i v e n , a n dt h em a s k h a sb e e nf a b r i e a t e d k e yw o l d s ：p o l y m e r ；m i c r o r i n gr e s o n a t o r ；p p e s k ；p s q ；b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) 一i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论丈是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 储虢查丝趔 导师签名：叠x 堕笪些 导师签名：建上臼笪i 兰l 诎每年i 一一曰 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 2 0 世纪6 0 年代，集成光学这一新学科的诞生引起全世界物理学、化学和材料科学等 领域科学家的极大关注，从此掀起了研究集成光学的热潮。传统的光学系统体积大、稳 定性差、光束的对准和准直困难，不能适应光电子技术发展的需要。采用类似于半导体 集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光 学系统上述问题的一种有效途径。集成光学的主要研究课题是获得具有不同功能、不同 集成度的集成光路，以实现光学信息处理系统的集成化和微型化。目前，集成光学元件 以其体积小、结构紧凑坚固、抗干扰能力强、稳定可靠、寿命长等优点，在通信、军事、 电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。人们预计，集成光学器件将会像集成 电路一样! 引起信息技术发展的深刻变革。由于微环谐振器具有优异的滤波性能、紧凑 的结构、可高度集成等优点，己经在集成光学领域内引起了科技作者们极大的兴趣，并 对其展开了广泛深入的理论与实验研究。 1 1 微环谐振器的应用 ( a )( b ) 图1 1 微环谐振器的两种基本结构( a ) 双总线结构：( b ) 单总线结构 f i g 1 1 o e o m e u yo f t w ot y p em i c r o r i n gr e s o n a t o r s ( a ) w i t ht w ob u sw a v e g u i d e ；( ”w i t ho n eb m w a v e g u i d e 光微环谐振器的概念与结构是由m a r c a t i l i l l 】在1 9 6 9 年提出的，但直至近年由于平面 工艺水平不断地提高，基于平面波导技术的光微环谐振器才受到人们的关注和研究而得 以迅速发展，并成为构建和实现集成光子学功能器件的重要的基础光波导单元。微环谐 振器的两种基本结构如图1 1 所示，由微型环状波导与作为输入输出总线的直波导耦合构 成，微型环状波导的谐振效应使其具有独特的波长选择、高q 因子等特性，并且由于其 结构紧凑的特点，在实现新一代光通信和高速全光信号处理系统核心集成光子学功能器 件中，具有十分重要和广阔的应用前景。目前，微环谐振器结构在研究中已被大量地应 基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究 用于设计制作激光器【2 】，光学滤波器 3 】，光波导分插复用器【4 卅，调制器川，光开关 8 - 9 ， 光延时线【1 0 1 ，色散补偿器【l l 】，以及生物、化学传感器 2 q 5 垮。 1 激光器 在微环结构中，环形波导实现着同f p 腔类似的作用，如果在环形波导中加入光增 益介质则能实现激光器的功能。基于微环结构的激光器具有体积小、不需要设计两个高 反射镜、便于集成等优点。 2 光波导陷波滤波器 陷波滤波器可滤除输入信号中的某一个不需要的频率，是脉冲整形网络的重要元 件。对图1 1 ( b ) 所示的微环结构，当环形波导的绕行周损耗( r o u n d t r i pl o s s ) 与耦合区的耦 合效率( c o u p l i n ge f f i c i e n c y ) 相等时，微环谐振器在谐振波长处的输出为零，如图1 2 所示， 通过设计控制谐振波长，从而可以滤去不需要的频率，实现选择性很高的滤波效应。 p p a b s i l 等p 】利用该结构实现了消光比大于2 0 d b 的陷波滤波器。 w 撕j q l g t hf ，m ) 图1 2 周损耗与耦合效率相等时，单总线波导微环结构的传输特性 f i g 1 2 t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co f o n eb u sw a v e g u i d em i c m r i n gr e s o n a t o rw h i l et h er o u n dt r i pl o s si s e q u a lt ot h ec o u p l i n ge f f i c i e n c y 3 光波导分插复用器 在光网络的分插复用单元中需要对信号进行上传和下载，微环谐振器与直波导相结 合可构成上传下载单元，图1 3 是级联双环谐振器构成的四信道上传下载滤波器结构示 意图1 4 j ，该结构只用两根总线波导( b u sw a v e g u i d e ) 就实现了信号的上传和下载。当信道 带宽为2 5 g h z 时，双环谐振器的自由光谱范围( f s r ) 至少为1 0 0 g h z ，把每个双环谐振器 单元的谐振波长调到相应信道的中心波长，从而可以实施四个信道的分插复用。图1 4 ( a ) 是垂直耦合微环谐振器构成的八信道上传下载滤波器【5 1 ，该垂直结构有着非常独特的优 点，能对总线层和环形谐振腔层分别进行优化，使总线层具有低的输入输出损耗和传输 大连理工大学硕士学位论文 损耗，环形波导层结构更紧凑，并且具有低的弯曲损耗，图1 4 ( b ) 分别描绘了t e 模输出 谱。s t c h u 等人f 6 】利用紫外辐照( u v - t r i m m i n g ) 技术制成了半径为1 0 l _ t m 、f s r 为2 0 m 的 垂直耦合环形谐振腔阵列，集成度高j 送10 4 1 0 5 个c m 2 。 图1 3 级联的双环谐振器构成的四信道上传下载滤波器1 1 f 嘻1 3 f o u r - c h a n n e la d d d r o pf i l t e ru s i n gd o u b l e r i n gr e s o n a t o r s ( a ) ( b ) 图1 4 ( a ) 垂直耦合微环谐振器构成的信道上传下载滤波器巴( b ) d m p 端t e 模的滤波特性 f i g 1 4 ( a ) e i g h t - c h a n n e la d d d r o pf i l t e ru s i n gv e r t i c a l l yc o u p l e dm i c r o r i n gr e s o n a t o r s ；( b ) t ef i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i ca td r o pp o r t 4 调制器 光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，发展体积小、便于集成的光调制器， 对大规模集成光路的实现有着巨大的意义。微环谐振器优异的波长选择特性使其可以方 便地实现调制的功能，通过电光效应改变微环谐振器的谐振波长，从而可以达到对光强 度的调制。匡 c o m e l l 大学设计制作的基于微环结构的光调制器口】如图1 5 所示，结构紧 凑，基于s i z e 艺，与大规模集成工艺兼容。 基于新型聚合物材料的微环哲陆器的基础研究 ( c ) 图1 5 基于微环谐振器的电光调制器f 】( a ) 设计原理图；制作出的器件；( c ) 测试结果 f i g 1 5 e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o rb a s e da nm i e r o r i n gl e s o i l a = l o r ( a ) s c h e m a t i cl a y o u t ；( b ) f a b r i c a t e dd e v i c e ； ( c ) m e a s u r e dr e s u l t 5 光开关 光开关是实现全光网路交叉互联的关键器件。强度依赖的非线性特性已被用于实现 全光开关，但是由于材料的限制，非线性系数大的材料的损耗通常也比较大，因此实现 非线性特性所需的能量必须很高，才能克服损耗带来的损失。目前普遍采用的非对称马 赫一增德尔( m z ) 干涉仪型光开关的阈值功率大多超过i o o w l ”】，而提供如此高能量所需 的器件一般较昂贵。微环谐振器的谐振效可以加强光与非线性介质总用的次数，因而成 为非线性研究中降低开关阈值功率的一种有效方法。v v a i l 9 】等人采用g a a s - - a 1 g a a s $ 0 作了基于微环谐振器的全光开关，阈值功率仅为m w 量级，开关时间达到t p s 量级。 6 平面波导光延时线 光延时线能对光信号产生时间延迟在通信系统中起着重要的作用。例如在光时分 复用系统中，为了达到同步的目的，需要对光信号作一定的时间延迟，微环谐振器构成 大连理工大学硕士学位论文 的光延时线【lo 】能够将光信号限制在其中往复传播，不需增加器件的物理长度就可以产生 足够的延迟，而且可以利用级联不同数量的环产生不同的时间延迟量。 7 光波导色散补偿器 色散补偿一直是光通信领域研究的热点。不同频率的光在光纤中传播，由于群速度 不同而产生色散，使得脉冲展宽，从而使相邻的脉冲发生干扰，最终造成传输信号失真。 级联微环谐振腔构成的全通滤波色散补偿器( 如图1 6 ) 具有损耗低、色散量大、时延波动 小等特点，同时色散的正负可以通过调谐环的相对相位来获得。m a d s e n c k 等【“1 利用级 联微环谐振器设计出色散量- 4 2 0 0 p s n m 、时延波动q - 5 p s 、损耗 3 d b 、自由光谱范围 1 2 5 g h z 、通带宽度4 5 g h z 的多通道色散补偿滤波器，可以对色散量为士1 7 p s ( 咖k m 。1 ) 的单模光纤传输2 5 k m 造成的色散进行补偿。 图1 6 级联微环谐振腔色散补偿器1 1 1 】 f i g 1 6m u l t i p l e s t a g ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t o ru s i n gm i c r o r i n g s 局乜 图1 7 生物传感器结构1 2 】 图1 8 微盘谐振器的光场分布( a ) 有生物微粒；( b ) 无生物微粒 f i g 1 7g e o m e t l yo f t h eb i o s e n s o r f i g 。1 8 ( a ) f i e l dd i s t r i b u t i o no f t h em i c r o c a v i t yr e s o n a t o r ( a ) a b s e n c ea n d ( b ) p r e s e n c eo f aa b s o r b i n gp a r t i c l e ， 8 生物传感器 生物传感器是用生物活性材料( 酶、蛋白质、d n a 、抗体、抗原等) 与物理、化学传 感器的有机结合，是发展生物技术不可缺少的一种先进的检测方法与监控手段，也是物 质分子水平的快速、微量分析方法。图1 7 是用于探测生物病原体的微盘谐振器结构i 1 2 】， 基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究 当生物物质落到圆盘上的灵敏区时，由于生物微粒对光的吸收，圆盘谐振腔的透射率将 发生改变，如图1 8 所示。通过监测透射率的变化可反映生物病原体的数量。由于在谐振 状态下，光波在圆盘内往复传播，与病原体多次发生相互作用，因此传感的灵敏度很高。 1 2 有机聚合物光波导材料的优点 光通信技术的高速发展，推动了材料科学的发展。传统的光波导材料主要是s i 、s i 0 2 和化合物半导体等无机材料，基于无机材料的相关光子集成器件虽具有光损耗低和光学 性能稳定等优点，但其制备需要昂贵的大型设备条件以及扩散、蒸发和外延等真空工艺， 制备工艺过程复杂、成本高，在某种程度上制约了其应用的普及，尤其在特别关注器件 和系统成本的各种局域光通信网的应用中显得尤为突出。 有机聚合物是另一类重要的光波导基础材料，由于其具有无机材料所无法比拟的许 多优点，因而基于各种不同有机聚合物光波导材料的单元和集成光子学功能器件的研究 和开发，近年来受到人们的极大关注，成为了目前国际上光子学器件研究和开发的最活 跃的前沿领域之- - 1 1 7 】，并被公认为是实现低成本、高性能光电子功能器件的极具优势和 发展潜力的选择之一。 1 2 3 4 和传统无机材料相比，聚合物光波导材料具有以下的优点 优异的衬底兼容性，可与多种不同的衬底材料匹配； 柔韧性、可加工性好： 具备低的光损耗，聚合物材料的损耗主要来自c h 键在红外振动吸收， 子取代c h 中的h 原子的方法，可获得与无机材料相媲美的光损耗； 具备低的双折射，且色散率小，聚合物的双折射最低可达1 0 石量级， 1 0 6 n m ，能与s i 0 2 媲美，远低于半导体和掺杂玻璃； 通过用f 原 色散率可达 5 与硅基半导体材料相比，聚合物的折射率差具有大的调节范围，能够满足各种不同 的应用要求； 6 低的光纤波导耦合损耗，聚合物的折射率与石英玻璃的折射率相近，从而在耦合时 端面的反射很小，同时聚合物材料可以很容易地实现大的波导截面尺寸，其模场直 径和光纤模式可以有很好的匹配，因而具有低的耦合损耗； 7 低的波导散射损耗，聚合物波导结构的折射率差要远远小于硅基材料； 8 成膜工艺简单，采用旋涂成膜法，可以简单快速地制备高质量的薄膜，无论从薄膜 制备的工序还是周期上都要优于大部分的无机材料，从而能够降低成本； 9 。波导器件制备简单，除了传统的半导体器件制备工艺外，还可采用更适于工业化和 大批量生产的微纳米模压【l s 】、光漂白【1 9 1 等技术，大大降低制作工艺难度和成本； 大连理工大学硕士学位论文 1 0 大的热光系数，聚合物的热光系数在1 0 4 量级，比无机玻璃材料大一个数量级， 可大大降低热光调谐功能器件的功耗，并且聚合物大的热光系数使其在实现波导器 件无热化方面具有明显的优势； 1 1 优良的时间响应特性( 其调制频率可大于1 0 0 g h z ) ，较强的光电非线性，因而在超高 速电光调制器件和全光器件的制作上具有巨大的潜力。 1 3 聚合物微环谐振器相关研究的国内外进展和现状 虽然聚合物直至近年来才引起人们的广泛关注，但基于聚合物的环谐振器的研究在 很早以前就已经开始了。早在1 9 7 2 年，贝尔实验室的r u l r i c h 和h p w e b e r l 2 0 1 就将掺有有 机染料6 g 的聚亚安酯涂敷于石英棒上，制作了薄膜激光器，但激光是通过棱镜耦合输出 的。第一个具有总线直波导的微环谐振器是由j h a a v i s t o 和g 。a p a j e r l 2 1 - 于1 9 8 0 年采用聚 合物p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲酯) 制作的，不过环谐振器具有很大的半径为4 5 c m ，且只 是用于波导损耗的测量。y h i d a 等人【2 2 】在1 9 9 2 年制作了第一个真正意义的基于平面光波 导技术的聚合物微环谐振器，环半径为1 5 9 m m 。随着近年来聚合物材料在光学性能方 面取得的较大进展，以及波导制作工艺水平的提高，基于各种新材料、新工艺，并具有 新型功能的聚合物微环谐振器相继报道，并逐渐显示聚合物光波导材料用于微环谐振器 制作的优势1 2 3 0 0 】。 2 0 0 2 年美国南加州大学的p a y a mr a b i e i 等人用c l d l a p c 做出了聚合物微环电光调 制器。 同年，c h u n g y e nc h a o 、l j a y g u o 等人首次采用纳米模压技术制作了p m m a 、p s 、 p c - - 种聚合物微环谐振器，其耦合区间隙仅为2 0 0 n m ，q 值可达5 8 0 0 ，并于2 0 0 3 年将p s 微环应用于生化传感l l ”。 2 0 0 3 年y y a n a g a s e 等人用聚酰亚胺材料制作了环半径为1 0 岬的热光可调谐微环滤 波器，获得了9 4 r t m 的调谐范围。 2 0 0 3 年g t p a l o c z i 等用s u 8 制成了自立式的全聚合物微环谐振陷波滤波器，滤波 器的f s r 为2 4 r i m ，消光比达2 7 d b 。 2 0 0 4 年j k s p o o n 等人采用s o f tl i t h o g r a p h y 方法制成了基于p s 署b s u 8 的微环谐振 器，微环谐振器的插入损耗分别为6 7 d b 和9 9 d b ，q 值可高达1 0 0 0 0 和7 1 0 0 。 同年，w ，y c h e n 等采用b c b 聚合物材料制作了自由光谱范围为2 3 7 n m 的微环谐振 器，其波导宽度仅为0 9 9 m 。 2 0 0 5 年g t p a l o c z i 首次直接电子束曝光交联聚合物的方法制作了基于微环结构的 波长选择内嵌式光反射器，抑制比高于1 0 d b 。 基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究 2 0 0 6 年d r e z z o n i c o 等人采用两步光学微影( o p f i c a lp h o t o l i t h o g r a p h y ) 的方法制备了 基于有机无机杂化材料o r m o c o r e 的微环谐振器，获得了消光比为1 2 d b 的滤波特性。 然而，虽然采用不同聚合物材料制备的微环谐振器和相关功能器件显示了在器件制 作工艺和成本方面的显著优势，但聚合物波导器件的光损耗和热稳定性仍是急需解决的 关键性问题。特别是热稳定性问题，聚合物材料的热老化导致聚合物分子结构发生改变， 致使聚合物光波导光损耗增大，器件的性能劣化，使用寿命变短，这在很大程度上将制 约聚合物微环谐振器的实际应用。目前，许多常用聚合物材料都不能兼顾光损耗和热稳 定性两个方面，因此，研究选择新型聚合物材料，探索既具良好光学特性，又具高热稳 定性的聚合物光波导微环谐振器及其相关光子学功能器件是一项极具重要意义和广阔 应用前景的课题。 1 4 本论文的研究工作 本论文研究工作是在国家自然科学基金项目“高热稳定性聚合物光波导微环谐振器 及应用基础问题研究( n o 6 0 5 7 7 0 1 4 ) 的资助下开展的，研究基于新型聚合物光波导材料 的微环谐振器，分为理论分析、数值模拟、材料研究和器件设计四个方面。 第二章是微环谐振器的理论分析，运用光波导理论，建立了微环谐振器的传输特性 的理论模型，并分析了耦合和损耗这两个参数对微环谐振器传输特性和各性能指标的影 响，同时还详细讨论了几种常见微环谐振器结构的特点。 第三章介绍了微环谐振器的两种数值模拟方法一时域有限差分法( f d t d ) 和光束传 播法( b p m ) ，对于f d t d ，分析了模拟时间、数值色散对模拟结果的影响，对于b p m ， 讨论了其模拟微环谐振器传输特性的基本思路，详细讨论了微环谐振器耦合效率和损耗 的计算方法，并着重分析了弯曲波导的基本特性。本章最后比较了f d t d 和b p m 这两 种方法的优缺点。 第四、五章为材料研究，分别研究了杂萘联苯型聚芳醚砜酮( p p e s k ) 和聚倍半硅氧 烷( p s q ) 两种具有较高热稳定性的新型聚合物光波导材料的成膜和光学特性，成膜特 性包括成膜工艺、薄膜质量等，光学特性包括折射率、双折射、热光系数、光损耗、热 稳定性及折射率调控等，并分析了影响影响薄膜质量和光学特性的一些重要因素。 第六章为基于p s q 的微环谐振器设计，设计了多种掩埋型微环谐振器结构和波导 测试结构，并设计和制作出了掩模版。 大连理工大学硕士学位论文 2 微环谐振器理论分析 2 。1 微环谐振器理论模型 图2 1 微环谐振器结构示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i co f am i c r o r i n gr e s o n a t o r 对如图2 1 所示的典型微环谐振器结构，运用耦合模理论，可得到其功率传递函数， 不过在进行理论推导前，我们可先对其传输原理作一简要说明：光从i n p u t 端口入射， 当传输至耦合区时，直波导和环之间发生光的耦合，部分光功率耦合至环中。耦合至环 中的光在环中传输约半周后，到达另一个耦合区，再次发生耦合，部分光功率耦合至 d r o p 端1 2 t ，剩余功率传输回到第一个耦合区。若此时光在环形波导中传输一周的相位 差为2 x 的整数倍，则在第个耦合区将发生光的相干加强，其结果是环中光功率增大， 导致d r o p 端光功率也随之增大，t h r o u g h 端光功率减小，如此往复多次，最终将达到一 个光稳态，假设传输过程中不发生光的损耗，则最后从i n p u t 端输入的光功率将全部从 d r o p 端输出，而t h r o u g h 端功率流为零。与此相反，若光在环形波导中传输一周的相位 差是，r 的奇数倍时，在耦合区将产生光相干相消，最后从d r o p 端输出的光功率很小， 此时大部分光仍在原输入波导中传输。上述就是微环谐振器工作的基本原理，它最基本 的作用就是能够实现波长的分离。 在对微环谐振器原理有一基本认识后，下面采用耦合模理论，推导出微环传输特性 茎王堑型窭鱼塑翌型堕丝至堂塑塑茎型塑塞一一 理论公式，为了使结论更具有普遍性，以下推导考虑最典型的情况。根据耦合模理论 3 1 - 3 4 1 ，在微环谐振器耦合区有： ( 州立州三 ( 2 ，1 ) ( ： ：( 乏乏) ( a 亿z ， 其中a i 口：，如，口。，b ，b ：，b 3 ，b 4 为归一化波导模式场振幅，它们的平方即为模式光功率， 毛，如为耦合器振幅耦合效率。不考虑耦合损耗，上式中耦合矩阵应为单位矩阵，因而 有： l k l 2 + 虾= 1 ( 2 3 ) 吲2 + 盯= 1 ( 2 4 ) 假设光在环形波导中传输的振幅损耗系数为y ，相位传输常量为，在两个耦合器之间 的传播距离为l ，则场振幅满足下面的关系： b 3 = e 一7 + 9 。b 2 ( 2 5 ) a 2 = p 一7 + 棚口3 ( 2 6 ) 从以上六式可以得到： 口。：- k ：k 2 e - ( r + a ) ld l ( 2 7 ) 1 - t ；t ； 口45 e - ( r * a ) 2 cd l k ， 6。=再ti-渺te-(r+。#)2口1 ( 2 8 ) 由( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式就可得到微环谐振器功率传输函数： 孵肾两而氅躲2 22 。， 2 钳= 粼罴搿 眨埘 式中口= e - 2 正* p 哪糟为一周振幅损耗因子，k o自由空间波数，厅谚为环形波导中模式 有效折射率。上面的推导过程中我们忽略了模式耦合带来的相位影响，即： k o n 够2 工+ 破+ 以；= k o ”够- 2 n ：r ( 2 1 1 ) 1 0 大连理工大学硕士学位论文 式中r 为环半径，谚和破，分别为系数f 1 、f ：的幅角。利用( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 画出的曲线如 图2 2 所示( p = o 2 ，a 2 = o 9 5 ) ，从图中可以看出，微环谐振器具有优异的波长选择特性， 某些波长及其附近很小波长范围的大部分光功率能够从d r o p 端输出，而其它波长的光 功率仍由原波导进行传输。我们不难发现，图2 2 所示曲线与f p 腔的传输曲线形式相 同，这说明它们有相同的传输特性，其实这两者的基本原理是完全相同的，微环谐振器 的振幅耦合效率k 就相当于f p 腔端面的透射率，t 相当于端面反射率，只是结构和工 作形式不同而已。 2 2 微环谐振器的性能指标 对微环谐振器性能的表征主要有以下指标：谐振波长以，自由光谱范围f s r ，谐 振峰半高全宽旯。，精细度( f i n e s s e ，f ) ，品质因子q ，消光比。下面我们分别介绍 它们的定义及理论公式。 图2 2 微环谐振器传输特性 f i g 2 2 t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co f m i c r o r i n gr e s o n a t o r 2 2 1 谐振波长 顾名思义，就是指能够在环形波导中产生光的相干加强( 谐振) 从而在d r o p 端有最 大输出功率的光波长。由( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式可得微环谐振条件为： k o n e f f 2 r , r = 聊2 万 ( 2 1 2 ) 从而谐振波长为： 以= n e f f 2 z r r m ( 2 1 3 ) 基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究 式中m 为任意非零整数。谐振波长是微环谐振器非常重要的一个方面，实际应用中，通 常要求对谐振波长有非常精确的控制，但设计上的偏差和目前的制作工艺水平都使得谐 振波长的精确控制难以实现，因此，较好的做法是通过后期处理来达到所需的谐振波长 【3 5 - 3 6 1 。 2 2 ，2 自由光谱范围f s r 自由光谱范围f s r 指的是两相邻谐振波长之差，由( 2 1 3 ) 式： m 十1 = 切( 九“) 2 z r m 九聊= 卵咿( 以) 2 r , r 以 ( 2 1 4 ) 于是得到： f s r = 九“一以= 名2 n n 。r ( 2 1 5 ) ：n 一a 罢手为有效群折射率。从( 2 1 5 ) 式可以看出，f s r 与环半径成反比，要增大 自由光谱范围，就需要减小环半径。在光波分复用系统中，为了在下载某一个信道时不 影响其它的信道，微环谐振器的自由光谱范围必须大于系统的总带宽，目前掺饵光纤放 大器的带宽为3 0 h m ，对硅基材料，自由光谱范围大于该值要求环半径至少小于5 p m ， 而对聚合物材料要求环半径至少小于9 p m 。要指出的是，减小环半径并不是增大f s r 的唯一的办法，通过采用双环结构也能够实现口”。 2 2 3 谐振峰半高全宽 微环谐振器的谐振峰半高全宽( f u l lb a n d w i d t ha th a l f - m a x i m u m ) 定义为谐振峰两侧 d r o p 端输出功率为峰值功率一半的两光波的波长差( 或频率差) ，用d b 表示时对应3 d b 处，因而又称之为3 d b 带宽。令3 d b 处对应波长分别为磊、乃，由半高全宽定义： 岫卜两丽老髂翻= 拱将眨 从( 2 1 6 ) 式我们有： 1 一c o s 4 2 2 珂( 磊) r 乞】 = 1 一e o s m 2 z 一4 2 2 l e f t ( 乞) 矗乃】 = 1 一c o s 4 万2 甩( 以) r 以一4 2 2 行玎( 以) r 芘】 z 4 2 2 n 矿( 以) r 以一4 2 2 n , a - ( 磊) r 瓦】2 2 * 【4 万：玎。r ( 以一无) ，甓 2 ，2 = 一垒：；兰岳 笔产二 大连理工大学硕士学位论文 为群折射翠。最后司得： 以母上4 z r 2 n g r 谢 汜m 同理可得： 砖小舞渊 亿 于是我们可以得到微环谐振器半高全宽为： 概= 上2 7 r 2 n s r ，谢 c z 2 2 4 精细度f 当微环谐振器用于波分复用系统时，所能容纳的信道数量由精细度f 决定，f 定义 为自由光谱范围与3 d b 带宽的比值，因此： ，- f s r = 糯 亿z 五删( 1 一口kj p 2j ) 很明显，f 越大，波分复用时所允许的信道数就越多。 2 2 5 品质因子0 微环谐振器的q 值定义为谐振波长和3 d b 带宽的比值 q = 去= 警踽1o t t t 眨z ， 。l ”m 以一f l f 2 1 2 2 6 消光比 消光比定义为d r o p 或t h r o u g h 端输出最大值和最小值的比值取d b 单位，如d r o p 端消光比为： 职) = 1 0 l o g w 蚓卅二) = 2 0 1 0 9 。o ( 兰渊 眨z 2 ， 基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究 2 3 微环谐振器特性分析 2 3 1耦合对徼环谐振器特性的影响一对称耦合 耦合是微环谐振器最为重要的一个参数之一，从( 2 9 ) 到( 2 2 0 ) 可以发现，半高全 宽、精细度、q 因子、消光比与之都有直接的关系。前面的理论分析时将两个耦合器的 耦合设置为不相等非对称耦