（测试计量技术及仪器专业论文）单模sio2—pmma脊形光波导电磁场特性研究与器件设计.pdf

摘要 摘要 近几年来，光遥信的迅猛发展大大推动了集成光学的发展。其中，薄膜光波 导可构成诸如振荡、放大、调制、偏转、传输、检测等种种有源或者无源元件， 是光集成器件的基础。由于聚合物与铌酸锂( l i n b 0 3 ) 和硅基半导体等光集成材 料相比具有自己的很大优势，其具有成本低廉、透明性好、加工工艺简单并且成 膜性好等优势。由于其经济性和实用性，人们正在致力于有机聚合物光波导材料 在光电集成方面中的应用研究。论文主要是研究聚合物掺杂s i 0 。的p m m a ( 聚甲 基丙烯酸甲酯) 脊形薄膜光波导。所做工作包括它的理论分析设计与工艺研究。 重点是利用电磁场理论进行波导的结构设计。 论文的主要研究工作与取得的成果有： 1 、基于电磁场的基本理论，分析了光波导的光传输原理，选择p d m s ( 聚二甲 基硅氧烷) 作为光波导的包层材料，p m m a 作为光波导的芯层材料。 2 、运用有效折射率法获得不同光波导结构尺寸的单模色散曲线。 3 、运用有效折射率法获得p m c t a 脊形光波导的单模条件，即得外脊厚度t z 内脊 厚度d 及脊宽w 内脊厚度d 的截止值。 4 、对比有效折射率法求得的有效折射率竹。与精确性高的有限差分法求得的 n ，以验证有效折射率法仿真的数据可靠性； 5 、分别用有效折射率法和有限差分法仿真单模电磁场在脊形光波导中的传输情 况，对不同尺寸波导的电磁场及有效折射率结果进行对比并讨论不同尺寸的 光波导电磁场在波导中受约束情况，获得脊形光波导的优化尺寸结构。 6 、研究结果表明： ( 1 ) 一定波长及一定折射率分布下，p m m a 脊形光波导中的各结构尺寸若已满 足单模条件时，尺寸越大，有效折射率越大，将越有助于模场限制在脊芯中； ( 2 ) 由于在水平方向上芯层的折射率分布不一样，因此在满足单模条件下，弱 化了外脊厚度t z 尺寸对模场限制的作用，因此在设计中不须特意设计t z ，紫 外光漂白一段时间后折射率达到理想值后，也将从p m m a 薄膜厚度变化量随 光漂白时间变化的拟合曲线获取外脊厚度t 2 值。 单模& 0 2 - - p m m a 脊形光波导电磁场特性研究与器件设计 7 、用旋涂法涂覆删a 薄膜平面光波导，讨论不同旋涂速度和固化时间等工艺条 件对其质量的影响。 8 、运用紫外光漂白法使p m m a 薄膜形成脊状，并且使折射率达到设计所定值。工 艺上，制定两个p m 姒脊形光波导的工艺制备流程，比较不同工艺流程的工艺 效果，通过实验获得科学的工艺条件。 9 、运用棱镜耦合法测试p m m a 平面光波导光传输特性；运用光纤与波导直接耦合 装置对脊形p m m a 光波导进行损耗测试，功率计测得损耗值为1 3 d b ，并进行 误差分析，提出优化测试系统。 关键词：聚甲基丙烯酸甲酯( p 姗a ) ；紫外光漂白法；薄膜脊形光波导 a b s 打a c t a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，t h ef a s t d e v e l o p m e n t o fo p t i c mc o m m u n i c a t i o nh a sh i g h l y a d v a n c e di n t e g r a t eo p t i c s f i l mo p t i c a lw a v e g u i d ei st h eb a s eo fi n t e g r a t e dp h o t o n i c a c t i v ed e v i c e sa n dp a s s i v ed e v i c e s ，i n c l u d i n go s c i l l a t o r , a m p l i f i e r , m o d u l a t o ra n d d e f l e c t o ra n ds oo n c o m p a r e dt ol i n b 0 3a n ds i s e m i c o n d u c t o ra n do t h e ri n t e g r a t e d p h o t o n i cm a t e r i a l s ，p o l y m e rh a sg r e a ta d v a n t a g e si ns o m ef i e l d s i th a sl o wc o s t ，h i g h t r a n s p a r e n c e ，s i m p l ef a b r i c a t i o na n dg o o df i l mc h a r a c t e r i s t i c b e c a u s eo fi t se c o n o m y a n dp r a c t i c a b i l i t y , p o l y m e rw a v e g u i d ed e v i c e sh a v eb e e nt h eh o t s p o to fr e s e a r c hi n t h e s ey e a r s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e ss i 0 2 - p m m af i bo p t i c a lw a v e g u i d e ，i n c l u d i n g i t st h e o r e t i c a ls t u d ya n di t st e c h n i c s t h ek e yi st od e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h eo p t i c a l w a v e g u i d eb a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y t h i sd i s s e r t a t i o nc o v e r st h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： 1 a n a l y z i n gt h e o r i e so fp r o p a g m i o no fo p t i c a lw a v e g u i d ea n dh o wt oc h o o s et h e m a t e r i a l so ft h ew a v e g u i d el a y e ra n dt h ec l a d d i n gl a y e rf o rp m m ap o l y m e r o p t i c a lw a v e g u i d e 2 a c q u i r i n gt h en o r m a l i z e dd i s p e r s i o nc u r v e so fd i f f e r e n tr i bo p t i c a lw a v e g u i d e s t r u c t u r e sb ye i m 3 a c q u i r i n gs i n g l e m o d ec o n d i t i o n so ft h ep m m a r i bo p t i c a lw a v e g u i d eb ye l m ， i n c l u d i n gc u t o f f v a l u eo ft 2 da n dw d 4 c o m p a r i n gt h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e x e so fo p t i c a lw a v e g u i d e sb ye l ma n df d i no r d e rt oc o n f i r mt h er e l i a b i l i t yo fe i m 5 s i m u l a t i n gs i n g l e m o d ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fo p t i c a lw a v e g u i d eb ye i m a n d f d c o m p a r i n gs i n g l e m o d ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dp r o p e r t i e sa n dt h ee f f e c t i v e r e f r a c t i v ei n d e x e so fd i f f e r e n ts t r u c t u r ed i m e n s i o n so ft h eo p t i c a lw a v e g u i d e s ， d i s c u s s i n gf i e l dr e s t r i c t e ds i t u a t i o n sa n da tl a s ta c q u i r i n gt h eo p t i m a ls t r u c t u r e d i m e n s i o n so f r i bo p t i c a lw a v e g u i d e 6 t h el a r g e ro ft h es t r u c t u r ed i m e n s i o n si s ，t h el a r g e ro fe f f e c t i v er e f r a c t i v ev a l u ei s 单模甾0 2 - - p b l m a 脊形光波导电磁场特性研究与器件设计 a ts o m e 五a n ds o m ed i s t r i b u t i o no fr e f r a c t i v ei n d e x e s a n di tw i l lh e l pf i e l d r e s t r i c t e di nt h er i b s ot h a ti t sl i g h ts p o td i m e n s i o nc a nm a t c ht h es i n g eo p t i c a l f i b e rd i m e n s i o np o s s i b l ya n da tl a s ti t sc o u p l i n gl o s s 、订mf i b e rc a nb el o w 7 b e c a u s eo f t h er e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o nd i f f e r e n c eo nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ， t 2h a sl i t t l ei n f l u e n c eo nf i e l do n l yi f i t sd i m e n s i o ni si nt h es i n g l em o d ed i m e n s i o n s od i m e n s i o no ft 2n e e d n tb ed e s i g n e d w h e nt h er e f r a c t i v ei n d e xr e a c h e si t s d e s i g n e dv a l u ea f t e ru vp h o t o - i n d u c e db l e a c h i n g ，t 2w i l lb ea c q u i r e db yt h ec u r v e o f t h i c k n e s sv a r i e t yo f p m m af i l ma sp h o t o b l e a c h i n gt i m ev a r i e t y 8 a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n ts p i n n i n gs p e e d sa n dt h et i m eo f h e a tt r e a t m e n ti n f l u e n c e d t h eq u a l i t yo ft h ef i l m sw h e np m m af i l mp l a n a ro p t i c a lw a v e g u i d eh a sb e e n m a d eb ys p i n n i n gm e t h o d 9 p m m af i l mc a nb e c o m ear i ba f t e rp h o t o i n d u c e db l e a c h i n ga n dt h er e f r a c t i v e i n d e xc a nr e a c ht h ed e s i g n e dv a l u e d e s i g n i n gt w od i f f e r e n tm e t h o d so ft e c h n i c a l p r o c e s so fp m m a r i bo p t i c a lw a v e g n i d e ，c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e o fd i f f e r e n tt e c h n i c a lc o n d i t i o n so ni t sq u a l i t y t h e na c q u i r i n gs c i e n t i f i ct e c h n i c a l c o n d i t i o n s 1 0 c h o o s i n gt h ep r i s m c o u p l i n gm e t h o dt ot e s tt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e p l a n a ro p t i c a lw a v e g u i d e ，a n dt e s t i n gt h et r a n s m i s s i o nl o s so ft h er i bo p t i c a l w a v e g u i d eb yt h ec o u p l i n go p t i c a lf i b e r , a n da n a l y z i n ge r r o ro f t h i st e s t t h el o s s v a l u er e a c h e d1 3 d b b yt e s t i n g f i n a l l yp r o p o s i n g ab e t t e rw a yt o t e s tt h e p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h er i bo p t i c a lw a v e g u i d e k e yw o r d s ：s i 0 2 p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e ( p m m a ) ；u vp h o t o i n d u c e db l e a c h i n g ； f i l mo p t i c a lw a v e g u i d e 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：糌 p 0 年f月3 。日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：第陪 导师签名：童刊a 日期：。6 年$ - j q 旧 日期：2 矿。彭年f 月，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信发展中光电器件概况f 1 】 二十世纪末出现的i n t e m e t 标志着人类社会进入崭新的信息化时代。人们对 信息的需求急剧增加，通信领域的信息传输量正以一种加速度的形式迅速膨胀， 传统的通信技术已经很难满足不断增长的通信容量的要求。光纤通信技术凭借其 巨大潜在的带宽容量、抗电磁干扰、保密性强、传输损耗低等优点，成为支撑通 信业务量增长最重要的通信技术之一。 光纤通信研究开始于二十世纪7 0 年代，在短短3 0 年的时间取得了飞速发展。 第一个商用光纤系统在8 0 年代安装使用。进入9 0 年代后，由于光电子器件、光 纤技术以及系统技术的不断改善和更新，光放大器、光子开关、光逻辑门、光互 联、变频、路由器等众多新颖的光电子器件相继问世，波分复用( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 通信系统的应用推广，光纤通信的极宽频带资源 得以充分发挥。现今超高速、超大容量和超长距离的全光光纤通信系统也已经从 实验室逐步进入工程实施阶段。在全光通信网络中，不仅采用光纤系统传输信号， 而且交换、复用、控制与路由选择也都是在光域内完成，避免了目前光纤通信系 统中由于光一电、电一光转换过程存在的时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点， 标志着全光通信时代的来临。 2 0 世纪6 0 年代，高强度、高相干性的连续波固态激光器一红宝石激光器诞 生了，由此引起世界性的激光通信研究热潮。1 9 7 0 年美国c o m i n g 公司研制出世 界上第一根低损耗的石英光纤，从而找到了适合光通信的传输介质，这揭开了光 纤通信发展的新篇章。而从2 0 世纪7 0 年代至今，借助光电子、微电子技术和器 件的应用和发展，已经形成了五代光纤通信系统，其中4 代已经进入实用阶段。 其中第四代光纤通信系统是以采用光放大器增加中继距离和采用w d m 增加比 特率为特征。另外，器件技术的发展，产生了一些新型的光电子器件，它们推动 了光纤通信的新技术研究。如：分路合路器的应用产生了多路信号复用技术； 光调制器、光开关进行光信号的高速调制及光交换：光时延器完成光信号的缓存 或编码；光滤波器、光偏振控制开关等实现不同的处理功能，形成了空分、时分、 单模s 1 0 2 - r 删, 脊形光波导电磁场特性研究与器件设计 波频分、码分等光纤通信系统，从而进一步扩大了通信容量和传输距离。目前 单路时分复用的数字速率达到了4 0 g b s ，而w d m 的速率达到了t b s 数量级。 显然，光纤、激光器、掺铒光纤放大器( e r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r , e d f a ) 等光电子器件的诞生与发展对光纤通信的进步产生着积极影响。可以说没有光纤 作为实用的传输介质，就没有光通信转向光纤通信的发展阶段：没有激光器、光 纤和相关的光电子器件及技术的更新换代，就没有宽带宽、大容量、长距离光纤 通信系统的产生和发展；e d f a 带来了光纤通信的新面貌，解决了多信道的光中 继放大，解决了光弧子的能量损耗等问题，从而支撑着更大容量、更高速率、更 长距离的光纤通信。因此，光通信的产生、发展离不开光电子器件，有了光电子、 微电子技术和器件的创新，才能有光纤通信的创新发展。 1 2 光波导的特点与历史 2 1 _ 【3 1 1 8 8 0 年，光波导开始被w h e e l e r 称作“光管道”，随着激光的发明和干涉光 学的发展，用来组成光器件和连接光路的长距离传输介质( 光纤) 和导波结构的 需求迅速增长起来。光波导能够制作光通信平面器件并且能够集成到平面光波回 路中。可以证明这种波导结构在微波以上频段相对于电路显示出许多的优点。平 面波导的制作和集成主要结构是薄膜和带状。1 9 6 4 年s c h l o s s e r 最先从理论上研 究了矩形介质波导，1 9 6 5 年a n d e r s o n 提出了薄膜波导器件和线路结构用于红外 区域。1 9 6 9 年m i l l e r 提出“集成光学”，使平面光波导和光波回路获得了极大的 支持和促进。之后，光波传播、激光和光学薄膜的理论被用来分析和设计波导结 构，并且把精确和可靠性高的技术用于制作平面光波导和光集成器件。 光波导最早是利用l i n b 0 3 或1 1 1 v 化合物来实现的。在八十年代，伴随着光 纤工艺的发展，也同时发展了s i s i 0 2 光波导技术，在大面积s i 衬底上集成与光 纤模场匹配s i s i 0 2 波导，有力地推动了光波导技术的发展，并在此基础上提出 了平面光波导的概念( p l a n a rl i g h tw a v ec i r c u i t ，p l c ) ，九十年代聚合物光波导逐 渐受到极大关注【4 j - t 6 1 。平面光波导技术最大的特点就在于它能为光集成或光电集 成提供有效的载体，同时它本身也是光集成的一种形式。集成光路中以薄膜光波 导为基础，构成诸如振荡、放大、调制、偏转、传输、检测等种种有源或者无源 元件。到目前为止，一些研究成果已经充分说明，这种介质波导在光波的振荡与 2 第一章绪论 放大、光信号的处理与传输、非线性光学的应用、以及实现电、磁、声、光全集 成化等方面具有巨大的潜力【7 1 。相信人们对于电子技术的革新应该记忆深刻：最 初的电子元件都是分立的，后来发现元件集成能够实现比较复杂的功能，有的功 能甚至是分立的元件不能实现的，再后来是大规模集成电路以及超大规摸集成电 路的出现，它们大大推动了社会的进步。电集成给社会带来的技术变革和社会进 步是不可估量的，光集成和光电集成也必将给人类社会带来又一轮的巨大变革。 发展平面光波导技术，研制属于本文自己的平面光波导技术可谓是大势所 趋。美国的l u c e n t 、日本的n t t 、加拿大的m s 等国际知名大公司都在致力于 平面光波导技术的发展，如硅基平面光波导技术、p o l y m e r 光波导技术以及其他 基体的光波导技术。相比而言，国内的一些公司尽管在平面光波导技术方面有一 定的研究并取得了一些成绩，但相对于诸如上述的国际大公司，这些公司在工艺 技术和器件设计水平方面还有相当一段距离。 通常是作为图案化光波导，这种光波导具有在适当衬底上由高折射率膜做成 的二维光波导或三维光波导的功能。现在，在x 与y 方向都受限制光束的三维 光波导如条状波导的制备工艺趋于完善，使得光集成器件容易实现了。平面光波 导技术的发展推动了光通信技术的发展，同时光通信技术的巨大变革也促进了平 面波导技术的进步。随着光通信系统容量和信道数目的不断增加，迫切需要高速 可靠的光通信器件，分立光器件已经不能给当前的高速系统提供可靠的性能保障 而集成器件由于集成度高、可靠性好、功能强大，已经成为发展的重点；而一些 比较关键的光电器件如2 x 2 高速波导光开关和阵列波导光栅( a w g ) 更是光集成 器件发展中的研究热点。例如a w g ，它是一个比较关键的光集成器件，它不仅 具有分光与合波的功能，而且a w g 还可以衍生出其他许多光电器件和功能模块， 如光上下路复用器( o a d m ) ，光交叉连接( o x c ) 等等。当然，研制a w g 还需要 很高的设计水平和工艺技能，因此能否研制出a w g 在一定程度上反映了一个国 家平面光波导技术的发展水平。目前平面光波导集成器件在市场上的占有率逐渐 上升，以a w g 为例，它的替代器件介质膜滤波器所占有的市场份额正逐渐被 a w g 取代，但是平面光波导器件一般损耗比较大，因此还需要进一步的发展与 改进，以提高性能并降低成本。从国外的发展来看，l i n b 0 3 ，和i i i - v 族半导体 材料光波导工艺技术以及s i s i 0 2 ，平面光波导工艺己经基本成熟，而s i s i 0 2 平 单模躺仉- - p m m a 脊形光波导电磁场特性研究与器件设计 面光波导工艺由于在波导制备、成本和集成度方面占有优势，是平面光波导技术 的首选工艺：聚合物光波导由于成本低，研制出的光波导器件价格比较低廉，因 此也有着广泛的应用前景；从国内来看，目前还没有比较成熟的平面光波导工艺， 一些关键性的光器件还是处于研究阶段。虽然在这方面的研究工作上国内刚刚起 步，但是国内的不少大公司己经开始专门从事光通信系统的研制与开发，并且意 识到再走关键光电器件依赖国外进口这条生产研发模式的老路是行不通的。相信 国内在未来的几年乃至十几年内，光电子器件包括平面光波导技术将有很大的发 展。 1 3 研究聚合物薄膜光波导器件的意义 现在研究的大部分光电子器件，是把过去的体元件薄膜化和微波元件的模 拟，但是，由于波长是处在光波范围，所以所要求的加工精度是1 0 0 0 a 或者更 高。因此，必须使用半导体工艺如光刻、电子束曝光、离子束蚀刻等技术。电路 中的半导体元件和集成电路的发展紧紧依赖于材料和材料处理技术的进展，在集 成光路中材料和处理技术的重要性是不言而喻的。 根据所用材料、目的不同，光波导有多种制作方法。但是，基本上是通过某 方法使衬底的折射率发生变化，或者在衬底上一层折射率比它大的材料。前一 种嵌入式的方法有：( 1 ) 离子注入( 玻璃、半导体) ；( 2 ) 扩散( 玻璃、半导体、 铁电体) ；( 3 ) 离子交换( 玻璃) ：( 4 ) 聚合( 有机物) 等。沉积方法有：( 5 ) 真 空淀积、溅射淀积( 半导体、玻璃) ；( 6 ) 外延生长( 半导体、铁电体) 等。 光波导器件基本的设计和制作集成光波导器件己初具规模，但在材料领域没 有完全的胜者。传统的光集成( o i c ) 和光电集成( o e i c ) c e 要是做在铌酸锂( l i n b 0 3 ) 和硅基半导体材料上的。近年来，人们开始关注有机聚合物光波导材料的开发研 究。有机聚合物波导最显著的特点就是具有大分子、多交链的结构。根据m i e 氏散射理论，散射随分子的增大而增大。虽然可以采取过滤的方法限制分子的直 径，但一味地减小分子尺寸又会降低材料的实用价值。因为光波导器件要求非线 性光学材料能具有一定的耐热性，同时具有很高的机械强度，而实现这些目的的 重要手段就是增加交链，提高聚合物刚性1 8 1 。 与传统的无机光波导材料比较，有机聚合物光波导材料有以下优点： 4 第一章绪论 ( 1 ) 有机聚合物光波导材料具有较高的电光耦合系数，较低的介电常数， 响应时间短，热损小，硅基光开关功率4 0 0 5 0 0 m w ，有机聚合物光开关功率小 于5m w ，驱动电压小，响应快1 8 】； ( 2 ) 有机聚合物光波导材料比硅基无机光波导加工工艺简单经济，无须高 温加热，通过甩膜、光刻等工艺便可制出复杂的光电集成器件，且与传统半导体 工艺相容，可旋涂于很多类的基底上，有利于与其他光电子器件集成，还有利于 大规模生产，器件轻巧、机械性能好，因而适于制作大型光学器件和挠性器件( 从 几厘米到一米1 9 1 ； ( 3 ) 聚合物材料成本低廉； ( 4 ) 制作高质量的聚合物光学薄膜较容易，并且容易通过各种方式来改变聚 合物的折射率，例如通过掺杂高折射率杂质或者对聚合物薄膜进行紫外光漂白： ( 5 ) 带宽较宽。由于聚合物材料折射率和介电常数低，对频率的依赖性低， 使其带宽可达到3 5 0 g h z 的量级 t o l ，因此聚合物电光薄膜器件也会在可编程光 电子系统中占有重要地位。 由于其经济性和实用性，人们正在致力于有机聚合物光波导材料在柔性光互 连和光电集成块中的应用研究。表l 给出了非线性聚合物同铌酸锂及i i i v 族材 料的比较。 单横躺0 2 - - p m m a 脊形光波导电磁场特性研究与器件设计 表1 1 非线性聚合物同铌酸锂及i i i - v 族材料的比较 特征优点缺点前景 材料 铌酸用于调制器，技术成熟不能同电子器件集成在一制作调制器及导波 锂起；调制电场与光场间有光互连器件，利用 较大的相速失配，不适合光折变效应，实现 高频及宽带应用。光存储及动态光互 连 i i i v光波导器件与电子器很难使用电折射，因接近超晶格及量子井结 族材件集成在一起；调制电于吸收边缘，光损耗相当构 料场与光场相速失配减高。 少；高速宽带器件：使 用电吸收调制光，已同 激光器集成在一起。 聚合低温可淀积在任何半对环境及温度的稳定性问调制器、开关、光 物导体衬底，实现集成光题；聚合物的变化及特殊波导，用于光互连 路和电路于一体，比铌物质的标准工艺没有形及光电子集成 酸锂优越；可充分利用 成。 电折射获得振幅及位 相调制，损耗不高，比 i i i v 族半导体材料优 越。 资料来源：祖继锋聚合物波导在光互连中的应用川高技术通讯，1 9 9 5 ，( 3 ) ：5 2 5 5 传统聚合物材料有聚苯乙烯( p s ) 、聚碳酸酯( p c ) 、聚氨基甲酸乙酯( p u ) 和环氧树脂。这些材料的损耗较大，色散和热光等性质不能满足人们的要求【1 0 1 。 当前研究的光通讯波段聚合物光波导材料用的主要是低传输损耗聚合物，如聚甲 基丙烯酸甲酯衍生出来的氟代、氘代聚甲基丙烯酸酯；耐高温聚合物聚酰亚胺的 氟代衍生物；交联含氟聚芳醚和聚硅氧烷等。材料改性主要是从以下几个方面考 6 第一章绪论 虑：一是提高材料的玻璃化转变温度及热稳定性；二是降低材料的吸湿率，即减 少分子问的水含量；三是在波长1 3 0 0 - - 1 5 5 0 n m 段降低吸收损耗；四是提高材料 的热光系数，降低其热传导率。另外在选择材料上还应考虑材料的双折射率、附 着性、机械性能、耐溶剂性及材料中杂质的去除1 9 j 。 以聚合物材料特性为基础，新型的聚合物波导器件不断涌现出来，如光开关 滤波器、衰减器、放大器、可调a w g 分束合束器、传感器分插复用器、垂直集 成3 d 集成器件、光子晶体器件、光连接器等。它们具有带宽宽偏振合波长依赖 小容易加工易于集成的优点。构成全光网的光波导器件大致可分为以下两大类： 平面波导器件和集成波导器件。i l q 现已研制出的聚合物平面光波导器件包括：光开关、可调滤波器、可变光衰 减器、放大器、分束、合束和方向耦合器，阵列波导光栅( a w g ) 多路调节反 调器和平面光波导传感器等。 从上可以看出聚合物波导发展迅速很快。然而，集成光学尤其是聚合物集成 光学，同成熟的集成电子学相比仍然处于早期阶段，高密度集成的聚合物波导器 件为了进军市场，必须进一步缩小尺寸、降低成本、优化性能和缩短投入市场的 周期，才能和传统的无机器件一较高下。传统的聚合物光波导材料应用的最大障 碍是在近红外波段( 1 0 1 7 m ) 的传播吸收损耗，比如聚甲基丙烯酸甲酯 ( p m m a ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚碳酸酯( p c ) 等，虽然在可见光( 0 4 一o 7 8u m ) 范围内都是性能优异的光学材料，但它们不适用于光纤通信波段，主要原因 是分子结构中含有的c - - h 或0 一h 键的振动会引起光在近红外区域的吸收另 外，o - - h 键的伸缩振动在1 4um 附近也会引起吸收。另外从光纤通信系统 的器件制作来看，光电集成的熔结温度一般在2 6 0 。c ，瞬间j j a q - 温度可能高达 4 0 0 。c 。另一方面，在使用过程中也要求材料有一定热稳定性。大多数有机光 学聚合物( 如p m m a ，p s 等) 玻璃化温度和热稳定性都很低，不适合目前光学 器件的加工工艺。为适应高性能集成光学器件加工技术，材料的选择上必须选取 玻璃化温度高、热稳定性好的有机聚合物。要在不同材料中实现光波导和光互连， 还必须要求材料的折射率可以精确调节。还有材料的双折射、附着性、机械性能、 耐溶剂性及材料中杂质的去除，也是必须考虑的问题。 随着时间的转移，新型聚合物材料不断被研制合成出来，聚合物波导的性能 单模s i 0 2 一p m m a 脊形光波导电磁场特性研究与器件设计 得到进一步的提高：新技术和新概念的引入，如光子晶体和波导技术的结合，将 大大提高聚合物波导的集成密度，应用混合集合概念，无源有源器件的进一步 集成已经开始，甚至电脑中的电子连接器件也将逐步被聚合物光波导连接器替 代；全光网络的推广与普及，将为聚合物波导带来发展的新契机。有理由相信， 聚合物波导器件的发展正面临巨大的挑战和机遇。 1 4 课题选题意义 p i v k a 材料由于其透明性好、制备工艺简单、生产成本低廉等优点，使其在 光通信器件制各的生产规模和成本上显示出其独特的优势，但聚合物材料存在热 稳定性差、光损耗值大、透光率较低等方面缺陷，难以直接将其应用到光器件的 制备上去，所以很有必要对聚合物材料进行改性，使其在光通信方面得到实用化。 本课题是对p i v k l a 光波导进行理论设计与工艺研究，研究光在一定结构的p i d m a 波导中传输特性。这属于器件的基础性研究，意义在于使改性后的聚合物材料能 够尽可能的实用化。 1 5 本文所做的主要工作 本文工作集中在掺杂s i 0 2 聚合物p m m a 脊形光波导的理论设计与工艺研 究。主要工作为： 1 、基于电磁场的基本理论，分析了光波导的光传输原理，选择聚二甲基硅氧烷 ( p o l y d i m e t h y l s i l o x a l l e ，简称p d m s ) 作为光波导的包层材料，p m m a 作为 光波导的芯层材料； 2 、运用有效折射率法获得不同光波导结构的单模色散曲线； 3 、运用有效折射率法获得p m m a 脊形光波导的单模条件，即得外脊厚度t 2 内脊 厚度d 及脊宽w 内脊厚度d 的截止值： 4 、对比有效折射率法求得的有效折射率玎。，与精确性高的有限差分法求得的 ，l ，以验证有效折射率法仿真的数据可靠性； 5 、分别用有效折射率法和有限差分法仿真单模电磁场在脊形光波导中的传输情 况，对不同尺寸波导的电磁场及有效折射率结果进行对比并讨论不同尺寸的 第一章绪论 光波导电磁场在波导中受约束情况，获得脊形光波导的优化尺寸结构； 6 、一定波长及一定折射率分布下，p m m a 脊形光波导中的各结构尺寸若已满足 单模条件时，尺寸越大，有效折射率越大，将越有助于模场限制在脊芯中， 光斑尺寸越与单模光纤的匹配，将减小与光纤的耦合损耗； 7 、由于在水平方向上芯层的折射率分布不一样，因此在满足单模条件下，弱化 了外脊厚度t 2 尺寸对模场限制的作用，因此在设计中不须特意设计t 2 ，紫外 光漂白一段时间后折射率达到理想值后，也将从p m m a 薄膜厚度变化量随光 漂白时间变化的拟合曲线获取外脊厚度t 2 值； 8 、用旋涂法涂覆p a 薄膜平面光波导，讨论不同旋涂速度和固化时问等工艺条 件对其质量的影响： 9 、运用紫外光漂白法使p a 薄膜形成脊状，并且使折射率达到设计所定值。工 艺上，制定两个p a 脊形光波导的工艺制备流程，比较不同工艺流程的工艺 效果，通过实验获得科学的工艺条件； 1 0 、运用棱镜耦合法测试p f m a 平面光波导光传输特性；运用光纤与波导直接耦 合装置对脊形m a 光波导进行损耗测试，功率计测得损耗值为1 3 d b ，并进 行误差分析，提出优化测试系统。 9 单模s i 0 2 - - r m i a 脊形光波导电磁场特性研究与器件设计 第二章单模聚合物p m m a 脊形光波导的理论设计 2 1光波导的基本理论【1 2 1 相对于空间传播光，光被限定在与传播方向垂直的截面内，在密闭区间传播 的光，称为导波光。约束导波光的介质称为光波导。例如，图2 1 ( b ) 所示的断 面结构，在两层低折射率介质板间夹有一层高折射率透明介质板，构成阶跃折射 率平面介质波导。当光以小于临界角的方向从高折射率介质向低折射率介质入射 时，在上下两界问反复受到全反射，并向z 方向传播。这里，折射率高的介质层 称为芯层，两边折射率低的介质层称为包层。在这种平面介质波导结构中，光在 y 方向上是受限制的，而x 方向没有约束，对称阶跃折射率平面波导在y 方向上 的折射率分布如图2 1 ( a ) 。这时，当光束幅度小于波导厚度时，入射光中的一 根光线1 在上届面的a 点产生全反射，成为指向右下方的光线2 ，进一步又在下 界面的b 点产生全反射，成为指向右上方的光线3 ，如图2 1 ( b ) 所示，在a 点产生全反射时，入射光线1 的波面和反射光线2 的波面产生干涉，形成干涉驻 波s 。这个驻波中最接近界面的波节，处在界面的外侧。同样，在b 点光线2 的波面和光线3 的波面也会产生干涉，形成干涉驻波s b 。 、包层 豁蕊 b 7 乜层 r a l c b ) 图2 1 阶跃折射率平面波导的断面构造与导波光 线3 但是，由于光束的幅度小于波导的厚度，这种干涉驻波就不能到达另一侧的 界面，如果波导的厚度与光束幅度的大小相当时，或者由于衍射，光束就会扩展 到整个波导宽度。由于波导内到处都存在着向右上方和右下方行进的波面，它们 1 0 二二再也 第二章单模聚合物p m m a 脊形光波导的理论设计 将如图2 1 ( b ) 所示，驻波s a 向下延伸与驻波s b 连接起来，形成统一的驻波， 且会扩展到整个波导。要使扩展到全部芯层的的驻波在上下两界面间有整数的波 节和波腹，那么光的波长、波导的芯层厚度、芯层与包层的折射率、入射光的角 度等就必须满足一定的条件。所以，如果给出波导的芯层和包层的折射率，并确 定了入射光的波长，在波导内传播的光的电磁场分布就会保持几个波节，于是， 就有一定数量波节的驻波向前传播。这样一来，可以知道，在波导内传播的光只 能是几种特定的电磁场分布的光，这些特定电磁场分布的光也以各自不同的传播 常数来传播。这种特定的电磁场分布称为模，导波光与空间传播光的最大区别就 在于是否有“模”存在。 2 2p m m a 薄膜光波导的材料选择 一、p m m a 薄膜光波导的芯层材料选择 由于材料透明度高、物理和化学稳定性较好、价格及加工工艺等方面的优势， 课题选用聚甲基丙烯酸甲酯( p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e ，p m m a ) 作为光波导的芯 层材料。p m m a 俗称有机玻璃，透明度高，成膜性好，折射率为1 4 8 ( 1 5 5 0 n m ) ； 另外它是一种聚合物非线性光学材料，具有较高的二阶非线性光学特性，并且有 良好的成膜性，薄膜表面平整，折射率易调节。 p m m a 工业化生产开始于1 9 3 2 年，该材料是英国的一家公司和美国罗姆哈 斯公司首先研制的。由于p m m a 具有优良的透明性、耐侵性等特性，应用范围 很广。p m m a 的单体甲基丙烯酸甲酯在日光、紫外光、氧的作用下容易发生聚 合。聚合方法有本体、悬浮、溶液、乳液等。p m m a 的耐寒性较好，热变形温 一 2 度8 5 1 0 0 。c 。体积电阻为1 0 1 5 一1 0 1 9 1 2 删。，击穿强度为5 0 1 0 6 v m 。目前使 用p m m a 材料制作光波导的应用较多i l ”。 在实验中，针对p a 的耐热性差，提出采用s i o z 纳米无机颗粒掺杂p b l m a 材料，来改善其热稳定性，并保证材料的透明度以确保优良的传输特性，即利用 一定的工艺掺杂s i 0 2 ，使纳米s i 0 2 颗粒分散于p m m a 有机网络中。本部分工作 由另外一同学完成。实验证明与无掺杂的p m m a 薄膜折射率相比，掺杂纳米s i o , 的p 姗a 薄膜的折射率在1 5 5 0 h m 基本不变。 二、p m m a 薄膜光波导的包层材料选择 单模s i 0 2 - - p m m a 脊形光波导电磁场特性研究与器件设计 芯层的材料确定下来后，要寻找一种材料作为包层材料，使其折射率与芯层 材料的折射率匹配，这样光才能有效地被限制在芯层中进行传输。原理如下：光 波在光波导中传输过程中，如图2 2 ，光线可视为波面法线的轨迹。构成模的平 面波的传播矢量也是波面的垂直方向，其大小为k o n ，这里l 【0 为波矢。能量沿z 向传输的速度，即群速度是v 。= 三c o s o 。而由于产生全反射的条件是入射角小 。n 1 于等于临界角吼，即口a c ，临界角眈可用下式表示1 2 】： 皖= c o s j 卜荨2 一s 犷呖( r a d ) ：霉2 _ 2 ：虹型基至型。竺l 二生 2 n i2 ：啊 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 因此，在传播过程中要使群速度足够大，就只有使晚足够小，因此要尽量 小，即n l 与n 2 差别要尽量小。 包展 嘏。 = 王! 。， z n 1 包层 图2 2 能量沿z 向传播速度 根据上面的传输原理，发现一个材料折射率与m d m a 折射率接近的聚二甲 基硅氧烷( p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ，简称p d m s 胶) ，俗称硅橡胶。折射率约为1 4 0 ， 无色透明，且易用于甩膜与加工，已应用广泛。实验中采用美国道康宁公司制备 的硅橡胶1 8 4 及其固化剂反应制各而成，无色透明、粘度比甘油略大，能抵抗长 时间的热老化，并且还具有耐候性、耐臭氧、透气性和无毒无味等生物相容性， 玻璃化转变温度t 。在1 0 0 。c 。另外作为包层材料，它和衬底间的粘附力好，而 盯 廿 第二章单模聚合物p m m a 脊形光波导的理论设计 且作为下包层其固化温度高于芯层的固化温度1 4 1 。 2 3 平面光波导的理论分析 在这节中将主要