（光学工程专业论文）周期微结构中光传播特性分析及光全息聚合制备波导光栅的实验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 若将不同介电常数的介电材料构成周期性结构，光波受到周期性结构的白拉 格散射，有可能形成光子能带( p h o t o n i cb a n d ) 和光子带隙( p h o t o n i cb a n d g a p ) 具有光子带隙的空间周期性介电结构就是光子晶体( p h o t n i cc r y s t a l s ) 。光子带隙的 存在使得光予晶体在光通信、集成光学及新型光电功能器件等领域具有广泛的应 用前景，如：高性能反射镜、光子晶体光波导器件、光子晶体微腔、光子晶体光 纤、光子晶体超棱镜等。通过理论分析和计算得出产生光子带隙的结构和参数， 这对光子晶体的制备具有重大的指导意义 在光通信及集成光学中，光波耦合器是关键器件之一。传统的光波耦合器件 主要有棱镜耦合器和反射耦合器等。前者需要精密调整，且一般情况下棱镜体积 较大，不利于集成和微型化；后者则需要在波导层中制备高反射率的反射面，对 制作技术和工艺要求很高，这些都影响了它们的应用。而一种特殊的一维光子晶 体波导光栅，作为光波耦合器时，与它们相比则具有表面平整、不受折射率 限制、体积小、易于集成等优点。因此，波导光栅在光通讯与集成光学中具有诱 人的应用前景。分析具有不同结构参数的波导光栅耦合器的耦合特性，对提高其 耦合效率、指导其制作和拓展其应用具有十分重要的意义。近年来，随着对聚合 物材料研究的深入，聚合物波导和波导光栅研究引起了许多研究者的关注，提出 了制作聚合物波导光栅的新方法，如激光双光子聚合法、光全息聚合法等。 基于上述原因，本文主要开展了以下几个方面的研究工作： 1 运用模耦合理论分析了几种不同光栅结构的波导光栅耦合器的耦合特性 在第二章中，通过求解麦克斯韦方程组推导了平板光波导中传播的不同模式 的电场表达式。 在第三章中，首先利用麦克斯韦方程推导出了理想波导模式中和微小畸变的 波导模式中的模式耦合振幅方程以及模式耦合振幅系数。接着利用上述结果，首 先分析了用激光双光子聚合法制作的新型矩形结构波导光栅耦合器的耦合特性， 得出了损耗系数随结构参数的变化曲线；并与传统矩形结构波导光栅耦合器的耦 合特性进行了比较，得出了其相同之处与不同之处。最后本文还分析了梯形结构 和对称三角形结构的波导光栅耦合器的耦合特性，并将得出的结果与已有文献报 道的结果进行了比较 一 山东大学硕士学位论文 2 运用非正交时域有限差分法分析光波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性 在第四章首先简述了非正交时域有限差分法的基本原理，并推导了非正交时 域有限差分法的基本方程，然后又对该方法的特性进行了分析，最后运用该方法 通过编写程序分析出了二维三角晶格光子晶体中的光子能带分布和能态密度变 化，其结果与已有文献中的分析一致。 3 光全息聚合法制备聚合物波导光栅耦合器的实验研究 在第五章中首先用离子交换法制备出了制作波导光栅耦合器时所需要的平板 玻璃光波导，并利用双棱镜耦合法测量了其参数；然后又具体分析了光全息聚合 法制备聚合物光栅的实验过程，在进行聚合实验之前，首先测定了聚合材料的折 射率和透射光谱；然后根据我们提出的方法对该聚合材料的曝光一聚合特性进行 了分析测量，实验结果表明了该方法原理正确、方法可行：最后，基于本文所测 得的材料的曝光一聚合特性，采用光全息聚合方法在平板玻璃光波导上成功地制 作出了表面浮雕型波导光栅，并对其祸合特性进行了初步地实验观测，实验观测 结果证实了用光全息聚合方法制作波导光栅耦合器的可行性。 关键词：波导光栅，耦合器，全息干涉术，光聚合，微结构制备 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ft h ep e r i o d i cs t r u c t u r e sa r ef a b r i c a t e dw i t hm a t e r i a l so fd i f f e r e n td i e l e c t r i c c o n s t a n t s ，t h ep h o t o n i cb a n da n dp h o t o n i cb a n d g a pm a yb ef o r m e db e c a u s eo f t h eb r a g d i s p e r s i o no ft h ep e r i o d i cs t r u c t u r e st ot h el i g h tw a v e 1 1 1 ep e r i o d i cd i e l e c t r i c s t t u c t u r e w i t hp h o t o n i eb a n d g a pi sc a l l e d 船p h o t o n i cc r y s t a l s t h ep h o t o n i cc r y s t a l sh a v ew i d e a p p l i c a t i o ni nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , i n t e g r a t e do p t i c sa n dn e wp h o t o e l e c t r i c a p p a r a t u sb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo ft h ep h o t o n i cb a n d g a p ，f o re x a m p l e ，t h er e f l e c t o r w i t hh i 【g hp e r f o r m a n c e ，p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e ，p h o t o n i cm i c r o c a v i t i e s ，p h o t o n i c c r y s t a lf i b e r , p h o t o n i cc r y s t a ls u p e r p r i s me t c n 圮f a b r i c a t i o no ft h ep h o t o n i cc r y s t a l o b t a i n sw i d ea t t e n t i o nb e c a u s eo ft h i s ，s ot oo b t a i nt h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e rw h i c h a r ef i tt ot h eo c c u r r e n c eo ft h ep h o t o n i cb a n d g a pb yt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni n t h e o r y , w h i c hh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et og u i d et h ee x p e r i m e n t a lf a b r i c a t i o n w a v ec o u p l e ri so n eo ft h ek e ye l e m e n t si nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n d i n t e g r a t e do p t i c s t h et r a d i t i o n a lw a v ec o u p l e r sa r em a i n l yt h ep r i s mc o u p l e ra n d r e f l e c t i v ec o u p l e r t h ef o r m e rn e e d sp r e c i s i o na d j n s t m e n ta n dt h ep r i s mg e n e r a l l yh a s b i gv o l u m e 5 2 1i ti sd i f f i c u l tt oi n t e g r a t ea n dm i c r o m i n i a t u f i z et h ep r i s mc o u p l e r t h e l a t t e rn e e d st om a k er e f l e c t i v es u r f a c ew i t hh i g hr e f l e c t i v i t yi nt h ew a v e g u i d el a y e r , i t s f a b r i c a t i o ni sv e r yd i 瓶c u l t t h e s es i t u a t i o n sm a k es o m el i m i t a t i o n so nt h e i r s a p p l i c a t i o n s h o w e v e r , as p e c i a lo n ed i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l s ，w a v e g u i d eg r a t i n g ， h a sm o r ea d v a n t a g e st h a nt h e m , s u c ha si th a ss m o o t hs u l f a c ea n ds m a l lv o l u m e ，a n di s n o tl i m i t e db yt h er e f r a c t i v ei n d e xa n di se a s yt ob ei n t e g r a t e da n ds oo n ，w h e ni ti su s e d a st h ew a v ec o u p l e r t h ew a v e g u i d eg r a t i n gh a sa t t r a c t i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nt h e i n t e g r a t e do p t i c s s ot oa n a l y z et h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ew a v e g u i d eg r a t i n g c o u p l e rw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r es i g n i f i c a n tt oi m p r o v ei t sc o u p l i n ge f f i c i e n c y , g u i d e i t sf a b r i c a t i o na n dw i d e ni t sa p p l i c a t i o ne x t e n s i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h ep o l y m e r w a v e g u i d ea n dt h ew a v e g u i d eg r a t i n gh a v ea t t r a c t e dt h em o r ea n dm o r er e s e a r c h e r s a t t e n t i o na l o n gw i t l lt h er e s e a r c ho nt h ep o l y m e rm a t e r i a l s s o m ef a b r i c a t i o nm e t h o d so f t h e w a v e g u i d eg r a t i n gh a v e b e e np r o p o s e d s u c ha st h e t w o - p h o t o ni n i t i a t e d i i i 山东大学硕士学位论文 p h o t o p o l y m e r i z a t i o na n dt h eh o l o g r a p h i cp h o t o p o l y m e r i z a t i o n d u et ot h ea b o v em e n t i o n e dr e a s o n s ，s o m er e s e a r c hw o r k sg i v e na sf o l l o w i n ga r e c a r r i e do u t ： 1 t h ec o u p l e dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so ft h ew a v e g u i d eg r a t i n gc o u p l e rw i t h d i f f e r e n tg r a t i n gs t r u c t u r eb yu s i n ge o u p f i n gm o d et h e o r y 1 1 舱e l e c t r i cf i e l de x p r e s s i o n so fd i f f e r e mm o d e si np l a n a rw a v e g u i d ea r eo b t a i n e d b ys o l v i n gm a x w e l le q u a t i o ni nt h es e c o n dc h a p t e r i nt h et l l i r dc h a p t e r , f i r s t l yt h ea m p l i t u d ee q u a t i o n sa n dt h ea m p l i t u d ec o e f f i c i e n to f c o u p l i n gm o d e si ni d e a lw a v e g u i d em o d ea n dw a v e g u i d em o d ew i t has l i g h td i s o r d e r a t ee x t r a p o l a t e db yu s i n gt h em a x w e l le q u a t i o n s e c o n d l yt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ew a v e g u i d eg r a t i n gc o u p l e rw i t hn e wr e c t a n g u l a rs t r u c t u r ei sf i r s t l ya n a l y z e db y u s i n gt h ea b o v er e s u l t sa n dt h ed e p l e t i o nc o e f f i c i e n t c h a n g i n gc u r v ew i t hs t r u c t u r a l p a r a m e t e r si so b t a i n e d a n dt h e nt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ew a v e g u i d eg r a t i n g c o u p l e rw i t ht r a d i t i o n a lr e c t a n g u l a rs t r u c t u r ei sa l s oa n a l y s e db yu s i n gt h ea b o v er e s u l t s a n dt h ed e p l e t i o nc o e f f i c i e n t c h a n g i n gc u r v ew i t hs t r u c t u r a lp a r a m e t e r si sa l s oo b t a i n e d , t h ea b o v er e s u l t sa r cc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h en e wr e c t a n g u l a rw a v e g u i d e g r a t i n gc o u p l e ra n dt h es a m e n e s sa n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e ma r ea l s oo b t a i n e d ， f i n a l l yt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ew a v e g u i d eg r a t i n gc o u p l e rw i t ht r a p e z o i d a l s t r u c t u r ea n dt h ew a v e g u i d eg r a t i n gc o u p l e rw i t hs y m m e t r i c a lt r i a n g u l a rs t r u c t u r ea r e a n a l y z e da n dt h e s ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft r a p e z o i d a ls t r u c t u r ea n ds y m m e t r i c a l t r i a n g u l a rs t r u c t u r ea r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sw h i c hh a v eb e e nr e p o a e d 2 t h 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 sa n a w s i so ft h el i g h tw a v ei nt h et w o d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l sw i t ht r i g o n a ll a t t i c eb yn o n - o r t h o g o n a lf i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o d i nt h ef o u r t h c h a p t e rf i r s t l yt h e b a s i cp r i n c i p l e so ft h en o n - o r t h o g o n a l f m i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o da l es p e c i f i e d ，a n dt h eb a s i c e q u a t i o no ft h e n o n - o r t h o g o n a lf i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o di se x t r a p o l a t e d a n dt h e nt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h em e t h o di sa n a l y z e d f i n a l l yt h ep h o t o n i cb a n ds t r u c t u r ea n dt h e e n e r g yd e n s i t yo ft h et w od i m e n s i o n a lp h o t o n i ec r y s t a l sw i t ht r i g o n a ll a t t i c ea r c o b t a i n e db ym a k i n gu s eo f t b em e t h o d i v 山东大学硕士学位论文 3 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fp o l y m e rw a v e g u i d eg r a t i n gc o u p l e rf o r m e db y h o l o g r a p h i cp o b m e r l z a t i o n i nt h ef i f t hc h a p t e r , f i r s t l yp l a n a rg l a s sw a v e g u i d eu s e di nw a v e g u i d eg r a t i n gc o u p l e r i sf a b r i c a t e db yu s i n gi o n e x c h a n g em e t h o da n di t sp a r a m e t e r sa l em e a s u r e db yu s i n g t h ec o u p l i n gm e t h o do ft h ed o u b l ep r i s i l l s s e c o n d l yt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s so f f a b r i c a t i n gt h ep o l y m e rw a v e g u i d eg r a t i n gc o u p l e rw i t ht h eh o l o g r a p l i i cp o l y m e r i z a t i o n i ss p e c i f i e d 码er e f r a c t i o ni n d e xa n dt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo ft h ep o l y m e r i c m a t e r i a la r ef i r s tm e a s u r e db e f o r et h ep o l y m e r i z a t i o ne x p e r i m e n t a n dt h e nt h e c h a r a c t e r i s t i co fm a t e r i a l s e x p o s u r e - p o l y m e r i z a t i o na r em e a s l l r e da c c o r d i n gt ot h e m e t h o dp r o p o s e db yu s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h ep r i n c i p l ei sr i g h ta n dt h e m e t h o di sf e a s i b l e i nt h ee n dt h er e l i e fw a v e g u i d eg r a t i n go nt h ep l a n a rg l a s s w a v e g u i d ei ss u c c e s s 缸l l yf a b r i c a t eb yu s i n gt h eh o l o g r a p h i cp o l y m e r i z a t i o na c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee x p o s u r e p o l y m e r i z a t i o nm e a s u r e db yu s a n di t sc o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i ci sp r i m a r i l yo b s e r v e d , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h ev a l i d i t yo ft h e m e t h o d k e yw o r d s ：w a v e g u i d eg r a t i n g ，c o u p l e r , h o l o 鲫h i cl i t h o g r a p h y ， p h o t o p o l y m e r i z a t i o m ，m i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 抽左鲥 日期：兰塑f ：垒 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：担媳导师签名：互乙丕整日期：2 塑。丝占 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 对新材料、新方法和新器件的研究探索与开发是人们不断奋斗的目标，也是 社会经济和技术进步的重要手段。在过去的半个多世纪中，电子和半导体器件与 技术对科学技术的发展和社会进步起到了巨大推动作用。以半导体技术为基础的 信息与通信技术在速度、容量、微型化及空问相容性等方面，已逐渐显现其不足； 人们正在寻求速度更快、容量更高、效率更优的新型材料和器件近二十年来， 国内外出现的以光予晶体为代表的现代光子材料与器件的研究热潮，正是人们为 适应现代及未来信息与通信技术的需求而进行的极有意义的研究与探索。 以半导体技术为基础的现代固体电子与光电子器件是利用和控制电子的运动 来实现所期望的功能：然而，由于电子具有静止质量、电子与电子之间存在库仑 力的相互作用。固体微电子技术的进一步发展在速度、容量和空间相容性等方面 都受到了限制。而光子与电子相比，在某些方面具有明显优势，如：无静止质量； 彼此之阃无相互作用，在一定条件下，即使光线相交也不会相互干扰；传播速度 快；具有电子所不具备的相位、频率和偏振等特征参量。因此，用光子作为信息 和能量的载体，更具有优越性。目前的光纤技术虽然实现了以光子作为载体传递 信息，大大提高了传递的速度和容量，但信息的输入与输出仍然依靠电子器件 要实现全光信号处理和全光通信，则需要在光互连器件与技术、集成光学器件与 技术等方面进行更深入、更进一步的研究。近年来开展的光子晶体材料与器件的 研究将在未来光通信，集成光学及微光机电技术的研究与应用方面发挥巨大作用。 在光通信及集成光学器件与技术中，光波导占有十分重要的地位。光信号的 传输主要基于光纤光波导，而光通信单元器件( 包括有源和无源器件) 及集成光 学器件则主要基于平板光波导和沟道光波导 平板光波导和沟道光波导的制作材料与制作技术己被广泛研究。在制作材料 方面，主要有玻璃和半导体材料；在制作技术方面，主要有溅射( s p u t t e r i n g ) ( 包括 射频及磁控溅射等) 、化学气相淀积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 、分子束外延 ( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ) 、热蒸发( t h e r m a le v a p o r a t i o n ) 、液相外延( l i q u i dp h a s e 山东大学硕士学位论文 e p i t a x y ) 、脉冲激光淀积( p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ) 、离子注入( i o nl m p l a n t a t i o n ) 及 离子交换( i o n e x c h a n g e ) 等方法。近年来，随着对聚合物材料研究的不断深入，采 用聚合物材料制作光波导和器件的研究得到许多研究单位和研究者的重视；聚合 物材料具有材料选取多样、材料成本低、易于成形及热光学系数大等特点，有望 在光通信、集成光学、光纤传感及检测等方面获得重要的应用。 波导光栅既可以作为光波耦合器件( 输入，输出藕合器) ，又可以作为分束器件， 滤波器和波分复用器件等，是光通信与集成光学中的关键器件之一。作为耦合输 入、输出器件，其制作材料与方法、耦合方式与耦合效率等一直是人们研究的重 点。波导光栅可以看作是一维光子晶体的一种结构形式。本论文的研究工作包括 理论和实验两个方面，在理论方面，将重点分析一种用激光双光子聚合法制备的 新型矩形波导光栅耦合器的耦合特性；同时，也对二维三角晶格光子晶体的能带 2 分布和能态密度变化进行了分析。在实验方面，将首先测定聚合材料的曝光一聚 合特性，然后采用光全息聚合法制作聚合物波导光栅耦合器，并实验观测其耦合 特性。 下面就与本文研究内容相关的主题分别进行简单的介绍。 1 1 1 光子晶体 电子在周期势场中传播时，由于电子波本身会受到周期势场的布拉格散射，会 形成能带结构，带与带之间可能存在带隙；若电子的能量落在带隙中，则被禁止 传播。其实，不管任何波，只要有周期性调制，都可能有能带结构，也都可能出 现带隙；若波的能量落在带隙中，则传播被禁止。这正是光子晶体概念和基本原 理所在。光子晶体的概念是1 9 8 7 年v a b n o l o v i t c h 1 和j o h n 2 各自独立提出的。若 将不同介电常数的介电材料构成周期性结构，光波受到周期性结构的布拉格散射， 有可能形成光子能带( p h o t o n i cb a n d ) 和光子带隙( p h o t o n i cb a n d g a p ) ；具有光子 带隙的空间周期性介质结构就是光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) ，或称为光子带隙材料 ( p h o t o n i c b a n d g a p r n a t , 盯i a l s ) 。光子带隙的存在，使得光子晶体在光通信、集成光学 。及新型光功能器件等领域具有广泛的应用前景。光子晶体的研究是近二十年来蓬 勃发展的新学科，引起了不同学科领域的研究者们的广泛关注，已成为国际学术 界的研究热点之一。 2 山东大学硕士学位论文 1 1 1 1 光子晶体的理论分析 在理论分析方面，主要是光子晶体能带计算、散射特性与光波传播特性分析。 光子带隙的出现与光子晶体的结构、介质连通性、介电常数反差及填充比等因素 有关，条件是比较苛刻的。理论分析计算的目的是寻求能在所用波段产生带隙的 结构和参数，用于指导光子晶体的设计、制作及应用。目前所采用的主要分析方 法有：有限差分法【3 1 、有限元法 4 - 6 】、边棱元法【7 一1 2 1 、矩量法 1 3 1 4 】、平面波法 【1 5 】、转移矩阵法【16 】、时域有限差分法【1 7 】和非正交时域有限差分法【1 8 】。本文在 分析二维三角光子晶体时主要采用非正交时域有限差分法。 1 1 1 2 光子晶体的制作方法研究 在制作方法方面主要有以下几种：( 1 ) 微机械精细钻孔与逐层堆积法，是在 介电材料上用钻孔或用微介电棒堆积而形成光子晶体。( 2 ) 利用成熟的半导体微 加工技术，如光刻蚀、电子刻蚀及离子刻蚀等。( 3 ) 胶体颗粒自组装方法。( 4 ) 采用聚合材料和纳秒飞秒脉冲激光光源的激光双光子聚合技术。( 5 ) 采用聚合材 料和空间多光束干涉( 光全息法) 的单光子聚合技术。上述第一种方法比较易于 制作用于微波区域的某些结构的光子晶体，但难于制作用于光学波段的光子晶体。 上述后面几种方法可制作出适于光波波段的光子晶体第四种和第五种方法都是 通过光聚合在聚合物中产生介质常数的周期性变化，由于聚合材料具有材料多样、 材料成本低、易成形等特点，因此这两种方法在近几年来受到许多研究者的广泛 关注第四种方法一般采用逐行层扫描的方法，制作周期长，对系统和环境的稳 定性要求很高。与第四种方法相比，第五种方法基于双多光束干涉形成的空间周 期性强度分布使聚合材料聚合，具有一次成形、制作时间短及制作面积( 或体积) 大等特点，但在制作三维光予晶体时，对材料制备、光束设计及光束参量控制等 方面要求严c 格，难度较大，该方法比较适合于制作一微和二维光子晶体。 此外，由于不同学科的研究者从不同的角度研究光子晶体，用不同的方法制作 光子晶体；因此，光子晶体的制作方法还有多种，在此不再一一提及。 i 1 i - 3 光子晶体的应用研究 3 山东大学硕士学位论文 光子晶体所具有的独特性质，使其具有广泛的应用前景。目前，关于光子晶体 的应用研究已有很多，主要包括以下几个方面： 作为高性能反射镜。利用光子禁带性质，选择没有吸收的介电材料制成的光 子晶体可以反射任何方向的入射光，反射率几乎为1 0 0 ，这种光子晶体有许多实 际用途，如可制作新型平面天线【1 9 】。m i t 研究人员的理论和实验表明，选择适当 的介电材料，即使是一微光子晶体也可作为全方位反射镜【2 0 】。 光子晶体光波导器件。传统的介电光波导可以支持直线传播的光，但在拐角 处会产生能量损耗。理论计算和实验表明光子晶体光波导可以改变这种情况 【2 1 2 4 。将光子晶体用于光波导输入输出耦合、及波导与波导之间的耦合，可大 大提高光波的耦合效率。 光子晶体微腔 2 5 2 8 】。在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷 态，这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传 统微腔要优异的多。m i t 研究人员制成了位于红外波段的微腔，具有很高的品质 因子 2 s 1 。 光子晶体光纤。在传统的光纤中，光在中心的氧化硅核传播。通常，为了提 高其折射系数采取掺杂的办法以增加传输效率。但不同的掺杂物质只能对一种频 率的光有效。英国b a t h 大学的研究人员用二维光子晶体成功的制成新型光纤【2 9 】： 由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在 2 0 0 0 度下烧结而成。直径约4 0 微米。蜂窝结构的亚微米空气孔就行成了。为了导 光，在光纤中人为引入额外空气孔，这种额外的空气孔就是导光通道。与传统的 光纤完全不同，在这罩传播的光是在空气孔中而非氧化硅中，可导波的范围很大 光子晶体超棱镜 3 0 ，3 l 】。常规的棱镜对波长相近的光几乎不能分开。但用光 子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强1 0 0 到1 0 0 0 倍，体积只有常规的百 分之一大小如对波长为1 0 微米和0 9 微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它 们分开，但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到6 0 度 3 1 1 。这对光通讯中信 息处理有重要的意义。 光予晶体还有其它许多应用前景，如无阈值激光器，光开关、光放大、滤波器 等新型器件【2 3 ，3 2 ，3 3 ，光子晶体带来许多新的物理现象 3 4 3 7 。随着对这些新现 象了解的深入和光子晶体制作技术的改进，光子晶体更多的用途将会发现。 4 山东大学硕士学位论文 光子晶体从空问维数上可分为：一维、二维和三维光子晶体。一维光子晶体在 空间的一个方向上具有介电周期性分柿。同理，二维、三维光子晶体就是在空阃 两个或三个方向上具有介电周期性分布。人们对一维光子晶体较为熟悉，如衍射 光栅、多层膜结构、波导光栅及光纤光栅都是一维周期性微结构，从某种意义上 来说，都可称为一维光子晶体，在光子晶体的概念提出之前，只是人们没有这样 称谓它们。一维、二维光子晶体在制作方面较三维光子晶体容易些。 1 1 2 光波导耦合器 在光通信及集成光学中，光波耦合器是关键器件之一。光波耦合的方式或耦 合器的种类主要有：端面耦合器( e n d f i r ec o u p l e r s ) 、棱镜耦合器( p r i s mc o u p l e r s ) 、 反射耦合器( r e f l e e t i v ec o u p l e r s ) 和衍射耦合器( d i f f r a c t i v ec o u p l e r s ) 。 1 1 2 1 端面耦合 端面耦合是指光波从光纤或平板波导的端面直接输入，可将光纤与光纤、光纤 与波导、及波导与波导的端面通过某种方式对接来实现光波的输入或输出。 1 1 2 2 棱镜耦合 棱镜耦合的原理如图1 1 - 1 所示，棱镜和波导之问紧密接触，中间仅有一空气 s u b s t r a t e 图1 1 1 棱镜耦合器示意图 薄层，入射光波以一定角度入射到棱镜上，在棱镜低面发生全反射，当棱镜中光 场矢量的切向分量与波导中的某一导模满足相位匹配条件时，通过光学隧道效应 就实现了入射光波到波导的耦合输入由光路可逆性原理，也可实现光波的耦合 5 山东大学硕士学位论文 输出。棱镜耦合需要精密的调整，且由于棱镜一般具有较大体积，所以这种方法 不利于光通信及集成光学器件的微型化，会给集成和使用带来不便。 1 1 2 3 反射耦合器 在反射耦合器中，光波通过一个反射面输入到光波导或从光波导中输出。例 如；在聚合物波导中加工制作4 5 度的反射面，再镀上高反射率膜来实现反射耦合 输入腧出【3 8 - 4 1 】；如图1 1 2 所示。目前，该方法的缺点是：在波导层中获得高反 射率的反射表面对制作工艺和技术要求很高，且仅适用于多膜波导【4 2 】。 i n p m i n gc o u p l i n g o u t p u tc o u p l i n g 7 、 心刃 g u i d c 图1 卜2 反射耦合器示意图 1 1 2 _ 4 衍射耦合器 利用衍射光栅可以实现光波导的耦合输入输出【4 3 1 ，通常称之为波导光栅耦 合器或光栅波导耦合器。波导光栅耦合器具有平面结构、体积小、重量轻及易于 与平板光波导集成等优点。衍射光栅耦合器的结构主要有两种：一种是表面浮雕 光栅耦合器( s u r f a c e - r e l i e fg r a t i n gc o u p l e r s ) ，另一种是体光栅耦合器( v o l u m e g r a t i n gc o u p l e r s ) ，二者的原理示意图分别如图1 1 3 ( a ) 和1 1 3 ( b ) 所示。由于光栅 一般具有多个衍射级次，因此，如何提高其某一衍射级次或某一特定方向上的衍 射效率是设计与制作中需要研究的重点。对于表面浮雕光栅耦合器，通过改变槽 形和优化光栅结构参数可以提高耦合效率 4 4 , 4 5 ，也可以通过在光栅和衬底之闻增 加反射层来提高耦合效率 4 4 ，4 6 ，还可以通过双光栅结构来提高衍射效率 4 7 - 4 9 1 ， 后两种方法制作难度很大。 体光栅耦合器是基于材料内部折射率的周期性变化，体光栅做为耦合器最早 6 山东大学硕士学位论文 是由k o g e l i n k 等人提出【5 0 】。采用全息干涉方法，通过设计干涉光束的夹角可以制 作出具有倾斜光栅条纹的高耦合效率耦合- 器 4 2 ，5 1 5 3 。 本文将采用光全息干涉聚合方法在聚合材料薄膜上制作表面浮雕光栅祸合 器。 图1 1 - 3 ( a ) 表面浮雕光栅耦合器示意图 图1 1 - 3 ( ”体光栅耦合示意图 1 1 3 表面浮雕光栅耦合器的制作方法 波导光栅早期的制备方法主要有：电子束描画技术 5 4 1 、粒子刻蚀法【5 5 】和相 位掩膜技术【5 6 】等。近年来，随着人们对各种有机光聚合材料的研究越来越多，在 集成光学器件领域，各种聚合物型波导和波导光栅的制备和光学性能的研究备受 关注；目前，聚合物波导光栅的制备技术有：激光双光子聚合技术 5 7 5 9 和光全 息聚合技术 6 0 6 7 等。下面简要的介绍这几种技术： ( 1 ) 电子束描画技术 电子束描画技术是在扫描电镜中，引入计算机或高级微机以及信号源，对电 子束的强度以及扫描方式进行控制，使电子束按照程序设计的光栅图形，无需模 7 山东大掌硕士掌位论文 板，在电子束抗饰剂上进行描画，经过显影，刻蚀以后，直接在衬底上得到设计 的光栅图形。 ( 2 ) 粒子刻蚀法 粒子刻蚀法是在已经做好的光波导上加一个用全息法做的光刻胶光栅作为掩 膜，然后用粒子刻蚀机亥蚀即可。当然在波导光栅的具体制作过程中还要考虑刻 蚀的时间以及掩膜的材料等情况。 c 3 ) 相位掩膜技术 该方法一般是先用红敏光致聚合物制备的体相位全息光栅作为相位掩模板， 用氩激光的4 4 8 o h m 波长作为光源，用相位光栅等强的0 级和一l 级衍射光的近场 干涉区曝光，在光波导的表面制备了光致抗饰剂的光波导光栅。如图1 1 - 4 所示 l l b m m kp j “ ，i i 矗一m 一 0 圈1 1 _ 4 制各光栅用的强光系统的实验原理图 ( 4 ) 激光双光子聚合法 图1 i 5 激光双光子聚台法制备波导光栅的光路图 激光双光子聚合法是通过在具有光波导性质的聚合物薄膜中实现双光子聚合 山东大学硕士学位论文 反应，从而制备出聚合物型波导光栅，这为聚合物型波导光栅的制备提供了一个 方便、灵活、和自动化程度高的光栅制备技术。图1 1 5 所示是该制作方法的一种 实验光路【5 7 】。但