（测试计量技术及仪器专业论文）基于压电聚合物薄膜的可调谐fabryperot滤波器.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 光通信系统的不断发展推动了w d m 技术的不断进步，因而也极大推动了包括 光学滤波器在内的光学器件的发展。其中可调谐法布里一珀罗滤波器( f p f ) 在光通信 中得到了广泛的应用。到目前为止，国内外对f p f 的研究已经很多，利用不同调制 原理的f p f 在调制范围、响应速度、插入损耗等方面各有优缺点，得到了不同的应 用。而p v d f 及其共聚物由于柔软、易于大面积制作等优点也一直得到广泛的研究， 尤其是近年来p v d f 共聚物的电致伸缩效应也有了一定程度的研究。本文中的主要 工作是将偏氟乙烯( v d f ) 与三氟乙烯( t r f e ) 的共聚物p ( v d f t r f e ) 的电致 伸缩效应应用n f p 滤波器中，制作出较宽光谱可调谐的高性能滤波器。 本文通过对器件中可能存在的效应的分析，确定了器件结构。该结构采用d b r 电极n 隔层电极d b r 的形式制作滤波器，其中以压电聚合物p ( v d f - t r f e ) 为间 隔层，器件透光部分刻蚀以消除电光效应。此结构优点是排除了电光效应的影响， 提高了电压利用率，并且所有制作工艺都为常规制作工艺，不会增加器件成本。 在红外波段制作了刻蚀与不刻蚀器件，并对其进行性能对比，验证了本文所 采用的器件结构有利于提高透过率等f p 腔性能。在可见和红外波段分别制作了刻 蚀器件，研究f p 腔在不同波段的性能。讨论了不同制作工艺对器件滤波性能的影 响。 在红外波段对刻蚀过的f p 器件进行加电压调制，测试滤波器透过率光谱以观 察电压对中心波长的调制。据实际结果得到腔的光学厚度为8 0 4pm ，腔长在电场 作用下收缩。在4 7 w “m 电场下，腔长收缩量约为o 7 5 7 。实验证明是电致伸缩效 应在调制中起作用。 结果表明，压电聚合物的电致伸缩效应可以被用来制作可调谐滤波器，器件 可实现宽光谱可调，并且还有进一步上升空间。另外聚合物具有易于加工等优点， 因此有比较好的应用前景。 关键词f a b r y p e r o t 滤波器；聚合物；可调谐；电致伸缩 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sp r o m o t e dt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to f w d m t e c h n o l o g y ，w h i c ha l s op r o m o t e dd e v e l o p m e n to fo p t i c a ld e v i c e si n c l u d i n g o p t i c a lf i l t e r s t u n a b l ef a b r y - p e r o tf i l t e r ( f p f ) h a sh i g hp r a c t i c a lv a l u ei no p t i c c o m m u n i c a t i o n s of a r , f p fh a sb e e ns t u d i e dal o ta th o m ea n da b r o a d f p f sw i t h d i f f e r e n tm o d u l a t i o np r i n c i p l e sh a v et h e i ro w na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si n t h em o d u l a t i o nr a n g e ，r e s p o n s es p e e da n di n s e r t i o nl o s s ，s ot h ef i l t e r sh a v eb e e n u s e di nd i f f e r e n ts i t u a t i o n t h ep v d fa n di t sc o p o l y m e r sh a v ea l s ob e e ns t u d i e d w i d e l yf o rt h ec h a r a c t e r i s t i co ff l e x i b i l i t ya n de a s yp r o d u c t i o ni nl a r g es c a l e ， d u r i n gw h i c ht h ee l e c t r o s t r i c t i v ee f f e c to fp v d fc o p o l y m e r sh a sb e e ne s p e c i a l l y s t u d i e dr e c e n t l y i nt h i sp a p e r , t h ee l e c t r o s t r i c t i v ee f f e c to fp i e z o e l e c t r i cc o p o l y m e r p ( v d f t r f e ) ，w h i c hi st h ec o p o l y m e ro fv i n y l i d e n ef l u o r i d e ( v d f ) a n dt r i f l u o r o e t h y l e n e ( t r f e ) ，i sa p p l i e da ss p a c e ri n af - pf i l t e r t h i sf i l t e ri sah i 【g h - p e r f o r m a n c ef i l t e rt u n a b l ei naw i d es p e c t r u m t h es t r u c t u r eo ft h ed e v i c ei sd e s i g n e dc o n s i d e r i n ga l lt h ee f f e c t st h a tm a y e x i s ti nt h ed e v i c e a sar e s u l t ，t h ef i l t e rh a sb e e nf a b r i c a t e dw i t ht h es t r u c t u r eo f d b r e l e c t r o d e s p a c e r e l e c t r o d e d b r ，i nw h i c hp ( v d f t r f e ) i sd e s i g n e da st h e s p a c e rl a y e rm a t e r i a lt oo b t a i nl a r g et u n a b i l i t yi nw i d er a n g eb e c a u s eo fi t sg r e a t e l e c t r o s t r i c t i v ee f f e c t t h ec o p o l y m e ri se t c h e dp a r t l ya tw h e r et h el i g h tt r a v e r s e s t oa v o i dt h ee l e c t r o - o p t i ce f f e c t a d v a n t a g e so ft h i ss t r u c t u r ei n c l u d et h ee x c l u s i o n o fe l e c t r o o p t i ce f f e c ta n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ev o l t a g eu t i l i z a t i o n a l lt h e p r o d u c t i o np r o c e s s e sa r et h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s e sw h i c hw i l ln o ti n c r e a s et h e c o s to ft h ed e v i c e t w of i l t e r sa r ef a b r i c a t e di ni n f r a r e db a n d ，o n ee t c h e da n dt h eo t h e rn o t t h e p e r f o r m a n c eo f t h et w od e v i c e si ss t u d i e d t h ec o m p a r i s o no fp e r f o r m a n c ev e r i f i e s t h es t r u c t u r ew ed e s i g n e do ff pc a v i t yi sc o n d u c i v et o i m p r o v e m e n to f t r a n s m i r a n c ea n do t h e ri n d i c a t o r so ft h ef i l t e r f i l t e r sw i t ha i rs p a c e ri nb o t h i i i 浙江大学硕士学位论文 v i s i b l ea n di n f r a r e db a n d sw e r ep r o d u c e dt os t u d yt h ef pc a v i t yp e r f o r m a n c ei n d i f f e r e n tb a n d s t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tf a b r i c a t i o np r o c e s st ot h ef i l t e r p e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d f p fw i t ha i rs p a c e ri sm o d u l a t e db ya d d i t i o n a lv o l t a g ea n dt h et r a n s m i t t a n c e s p e c t r ah a v eb e e ns t u d i e d t h er e s o n a n tw a v e l e n g t h sh a v eb e e nm o d u l a t e db y t h ea p p l i e dv o l t a g e t h eo p t i c a ll e n g t hi sm e a s u r e dt ob e8 0 4l am ，w h i c hs h r i n k u n d e ra ne l e c t r i cf i e l d t h ef i l t e re x h i b i t sat o t a lo p t i c a lp a t h l e n g t hc h a n g eo f 一0 7 5 7 u n d e ra ne l e c t r i cf i e l do f4 7 w l am t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e e l e c t r o s t r i c t i v ee f f e c tp l a yam a jo rr o l e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p i e z o e l e c t r i c e l e c t r o s t r i c t i v ee f f e c to f p i e z o e l e c t r i cp o l y m e r sc a nb e u s e dt o m a k et u n a b l ef i l t e r s ，w h i c hc a nb e m o d u l a t e di nw i d es p e c t r a ，a n dt h e r ei sf u r t h e rr o o mf o rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t i na d d i t i o n ，p o l y m e r sh a v et h ea d v a n t a g e so fe a s yp r o c e s s i n g ，r e s u l t i n gi nb e t t e r a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d sf a b r y p e r o tf i l t e r ；p o l y m e r ；t u n a b l e ；e l e c t r o s t r i c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝姿盘堂一或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：) 司可馀 签字日期：扩i 。年月他e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： ) 司可众 导师签名： 铂 签字日期： l * i o 年弓 月j 箩日签字日期：b i 。年、月滢日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 两年半的研究生时光如白驹过隙，转瞬即逝。研究生工作期间，我得到很多 人的关心、帮助和指导。值此论文完成之际，我要向我的两位导师表示衷心的感 谢。我的导师叶辉教授治学态度严谨，胸怀宽广，学识渊博。感谢导师为我提供 了研究方向，在我迷茫的时候为我指明研究的道路，在我犯错误的时候给予宽容， 用忘我的科研精神感染我不断前行。导师对学生热情的鼓励和真诚的关怀，让我 在走上社会前学习到很多待人接物与为人处事的道理。感谢甄红宇老师，她不仅 教给我做科研的态度和做实验的技巧，指正我不好的科研习惯，而且一如既往地 关怀我的学习和生活，在各方面给我提供支持和帮助，是良师益友的楷模。感谢 李海峰教授对课题的指导，提出了很多建设性的提议。感谢章岳光副教授和沈伟 东副教授，他们以扎实的光学和薄膜知识帮我们课题解决了很多光学薄膜设计和 测试分析上的具体问题。 感谢尹伊博士在掩膜设计、聚合物刻蚀、光学常数计算等过程提供的技术支 持和实验指导，热情帮助我解决课题中遇到的问题。感谢朱德喜博士在仪器测试 方面的指导和帮助。感谢张磊博士为我遇到的难题出谋划策。感谢罗震岳硕士、 张淑娜硕士为我们提供测试的平台。感谢李呖晖硕士镀制d b r 付出的辛勤劳动。 感谢所有奋战在1 3 6 实验室的兄弟姐妹们让重复的实验操作变得不枯燥，休息时 的闲聊也会提供创新的灵感。感谢光电显示所所有的同学，你们的陪伴让我两年 半的硕士研究生生活充实而丰富。 感谢我的两位室友丸丸和攀攀，你们陪我一起经历喜怒哀乐，以你们独特的 魅力在我的生活中留下美好的烙印。感谢芸十几年不变的支持让我感受到友情的 温暖，感谢小卢工作繁忙之余总不忘关心我。尤其感谢小盛，谢谢你为我做的一 切，九年的陪伴给我数不清的帮助和爱护。 最后，感谢我的父母亲友在我求学期间对我的无私支持与鼓励，使我有勇气 不断前进。是你们无条件的支持让我坚定求学的脚步，为自己的理想去奋斗1 2 0 1 0 年1 月 浙江大学求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 光波分复用技术 通信技术的发展总是与复用技术的发展密切相关，各种复用技术的出现都在 不同程度上起到了扩大传输容量的作用。在模拟载波通信系统中，为了充分利 用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用( f d m ) 的方法， 即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同， 利用带通滤波器就可以滤出每一个信道的信号【l 】。 同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输 容量，在接收端采用解复用器将各信号光载波分开。在光波系统中，通常使用波 长这个术语来区分关注的频段，因而这样的复用方法称为波分复用( w d m ) 技 术【2 】 w d m 的研究工作始于2 0 世纪7 0 年代，但之后的发展并不快，主要原因在于： ( 1 ) 时分复用( t d m ) 技术的发展。根据统计，在2 5 g b s 系统以下，系统每升级 一次，每比特的传输成本下降3 0 左右，因此在系统升级时人们首先想到的是 t d m 技术。( 2 ) 波分复用器件发展不成熟。高速电子器件的研究比复杂的w d m 系 统的研究要容易的多，因此波分复用器解复用器和光放大器在八十年代末九十 年代初才开始商用化【引。2 0 世- 卵9 0 年代，一些基于通信网络资源的业务，例如数 据查询及更新、视频点播、远程教育、电子医疗、电视会议等以异乎寻常之势飞 速发展。这些发展带来了日益增长的高带宽业务需求，而传统的电子器件已经接 近了他们的调制速率极限，因此w d m 迎来了它的大发展，特别是基于掺铒光纤 放大器( e d f a ) 的1 5 5 0 n m 的密集波分复用( d w d m ) 系统【4 】。 w d m 技术的应用导致了光纤传输容量的一次突破。它的基本思想是将工作 波长略微不同、各自携带独立的信息数据流的多个光源发出的信号注入同一根光 纤传输【引。此过程的关键就是波分复用器件的应用：在发送端采用波分复用器( 合 浙江大学硕士学位论文绪论 波器) 将不同波长的信号光载波合并起来送入同一根光纤进行传输，在接收端再 采用波分复用器( 分波器) 将这些承载不同信号的光载波分离，然后由不同的检 测器将各自的光信号转换成电信号，或者直接获取各自的波长信号后将它们连接 到其它g , j w d m 线路上。w d m 波分复用的系统结构如图1 1 如所示【6 】o - 二二一光发射机一 扛 弘料 l 光数控信 l 道发送器 l 光中继放大器l 刊蓁怿 光监控信道 接收发送 图1 1w d m 系统结构图 卜一机一 茎嘲 一 光监控信 遭接收器 波分复用技术的主要特点是可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量 比单波长传输时增加几倍至几十倍，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另 外，对于早期安装的芯数不多的光缆，芯数较少，而利用波分复用不必对原有系 统作较大的改动即可方便地进行扩容。 波分复用的优点主要有以下几点【7 1 ：( 1 ) 超高速大容量。复用光通道速率为： 6 2 2 m b s 、2 5 g b s 、1 0 g b s ；复用通道数：4 、8 、1 6 、3 2 个或更多。( 2 ) 超大容 量传输：可达3 0 0 g b 1 ) j , 上。( 3 ) 可平滑升级扩容：根据需要随意增加复用光通道， 各信道彼此独立，可透明传送不同业务。( 4 ) 可利用成熟t d m 技术、避开更高速 t d m 技术难度，2 5 g s d h 技术已十分成熟，t d m 方式1 0 g s d h 已达电子器件工 作极限。( 5 ) 对光纤色散无过高要求。( 6 ) 可利用宽带e d f a 实现超长距离传输：用 一个宽带e d f a 可对复用光通道信号同时放大，可实现超长距离传输( 可达 6 4 0 k m ) ，节省大量中继设备。( 7 ) 适合向全光网络发展，可与光分插复用和光 交叉连设备结合使用，组成具有高度生存性、超大容量的全光网络。 从某种意义上讲，w d m 技术的应用标志着光通信时代的“真正 到来，标 志着国产光传输设备的发展进入了一个崭新阶段。未来几年d w d m 、c w d m 技 术和应用将持续发展，这也会促进与此相关的光学器件需求的持续增长。 2 门、 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 2 波分复用系统中的可调谐滤波器 光学滤波技术是d w d m 系统的关键技术之一，其涉及的应用范围越来越广， 包括复用解复用器、光分插复用( o a d m ) 、光交叉连接( o x c ) 、色散补偿 ( d c ) 、动态增益均衡器( d g e ) 等等【8 】【9 】【1 0 】【l 。随着可重构的光分插复用器 ( r o a d m ) 设备的需求逐渐增加，具有可调谐功能的滤波器技术得到不断发展， 包括：声光可调谐滤波器( a o t f ) 、光纤布拉格光栅( f b g ) 、波导型马赫 曾德尔滤波器( m a c h z e h n d e r ) 、液晶可调谐滤波器以及法布里珀罗( f a b r y p e r o t ) 可调谐滤波器等。上述滤波技术根据信道间隔、自由光谱范围、平坦度、动态可 调谐范围、色散和偏振模式色散不同而各具优缺点。 可调谐滤波器大致可分为两类【1 2 1 ：低速可调谐滤波器，调谐时间长至几到几 十毫秒，用于光路交换网络；高速可调谐滤波器，调谐时间为微秒、纳秒级，用 于分组交换网络和信元交换网络。 第一类滤波器主要是基于温度或机械效应，开发水平已到了很高阶段，很多 已经达到商用化；而高速滤波器还处在不同程度的研究阶段。 1 、声光可调谐滤波器( a o t f ) 1 3 1 4 1 声光可调谐滤波器具有调谐范围宽、插入损耗小、调谐速度快( 几十微 秒) 、能根据声波信号进行连续调谐、输出多路光信号等优点，是未来全光网络 中很有前途的光滤波器。 集成声光滤波器有两种结构：共线型( 输入光、衍射光和声波传播方向一致) 和非共线型( 输入光、衍射光和声波传播方向不共线) 。 集成声光可调谐滤波器由声光偏振器和偏振分波器组成。滤波器将输入光谱 分成两束输出，其中包括了被滤波的部分。当超声波加载到光波导上，引起光波 导介质折射率周期性变化，导致光波导具有光栅作用，只能耦合满足布拉格条件 的偏振模式的光能量。于是将光束从一种传输模式变换到另一种模式。超声波的 频率决定了发生偏振转换的光波长。偏振分波器合波器将被引导的te 和tm 偏 振光波隔离结合起来。 偏振分波器用于分离输入波的t e 和t m 分量，并且将它们路由到不同的光波 导中。在两个偏振分波器之间接入声光转换器，应用偏振分集原理，便形成单级 浙江大学硕士学位论文绪论 的带通滤波器。也可将两个滤波器级联起来，形成一个两级的波长可调的滤波 器。由于器件的滤波特性是独立两级的滤波器特性的乘积，这样产生强烈的旁瓣 抑制和频谱滤波器响应的变窄【”】。单通道声光滤波器旁瓣的抑制比只有9 5 d b ， 级联的声光滤波器可以达到1 9 d b 。更好的方法是将f p 滤波器和单通道声光滤波 器串联，从而将声光滤波器的带通集中在f p 滤波器的峰值波长处，大大提高旁 瓣抑制比。 2 、光纤布拉格光栅( f b g ) f b g 是指一段光纤沿着光纤长度的折射率周期摄动，它是由纤芯曝光在强光 干涉模式下( 通常是紫外波段) 形成的。如图1 2 所示，f b g 作为高反射率的窄 带滤波器，由于光栅的连续同调散射，能够反射某个中心波长的光束而传输其余 的光。反射光波的中心波长即是b r a g g 波长，满足五= 2 n a a b = 2 h a 。n 表示光纤 纤芯的平均折射率，人表示光栅的周期【1 6 】。 1 l r i n t e r f e r e n c e p a t t e r n 九l 图1 2 光纤布拉格光栅原理图 _ - 。 ，圮舢 调谐f b g 时通常利用其对温度、压力等因素的敏感性来改变光栅周期a 的 值。常用方法有加热使光纤产生拉应力等。用此种方法调制的f b g 调谐范围可达 1 5 n m ，调谐时间低于2 n s 1 7 】。f b g 应用于w d m 系统时通常包含一些特殊的设计 和其它器件的使用。在这些特殊的设计下，f b g 具有平坦、狭窄的光谱响应，较 小插入损耗，低串扰等优点，特别适用于高速光通信网络。 3 、m a c h z e h n d e r 干涉可调谐滤波器 m a c h z e h n d e r ( m z ) 干涉仪广泛应用于光电器件中 1 8 】。入射光被分为两束光 路，并在短距离传输后又合为一路。当其中一条支路引入时问延迟( 例如利用相 位调制器) ，会形成周期性的依赖于频率的相位差。因此，输出的干涉场的场强 为光频的周期函数，并且通常有很窄的自由光谱区( f s r ) 。对这种滤波器进行 4 月 ，a 浙江大学硕士学位论文绪论 调谐是在干涉仪的一臂上加上电压，利用电光效应进行控制。 m z 滤波器的传递函数对于w d m 系统来说频带宽度还不够窄，所以会设计级 连的m z 结构来产生频带宽度更窄的滤光片。w o o t c n 在1 9 9 6 年的报告中阐述了一 个用l i n b 0 3 做的三级级连的m z 滤波器【1 9 。，该滤波器能从0 4 衄间隔的8 信道中进 行选择滤波，其开关时间为5 0 u s ，插入损耗为1 9 d b 。m z 滤光片可以用石印技术 来做，制造费用很低，但是损耗较大。如果用硅波导和光纤装置来做，可使插入 损耗减小到最小。但是，由于m z 传递函数具有成余弦函数分布的低的精细度， 更多的注意力需要被放在结合额外的技术上。 4 、f a b r y p e r o t 腔光滤波器 f a b r y p e r o t 干涉仪( f p i ) 由法国物理学家c 法布里和a 珀罗于1 8 9 7 年发明， 它的原理是入射光在两块平行放置的高反射板之间多次反射，产生多光束干涉 【2 0 】。由于这种干涉仪所产生的干涉条纹非常细锐，因此它一直是长度计量和研究 光谱超精细的有效工具。进入2 0 世圣5 8 0 年代，随着硅、微机械加工技术的进展， 人们开始采用这种工艺制造f p i ，被广泛应用制作成传感器、滤波器( f p f ) 等。 表1 1w d m 中可调谐滤波器比较 i n s e r t i o n c h a n n e l 。s p a ci n g b a n d w id t t u n i n gt u n i n g t y p e l o s si s o l a t i o n h ( 3 d b )r a n g es p e e d f f p2d b2n m 3 0d b 0 5a mi 0n mm s l i q u i dc r y s t a lf p 3d b2n m 3 0d b 0 5n m5 0n m s m i c r o m a c h i n ef pld b2n m 3 0d b 0 5n l l6 0h i l l1 0 0p s l i n b 0 3 ：1 9 d b c a s c a d e d 比i0 4n m 2 2d b 0 2n m4r l m5 0n s s i l i c a ：l d b f b go 1d b1 6n m 2 2d b 0 2n m 6 0n m p s e o t f4d b4n m 2 5d b1 5n m5 0n mn s 勰gt u n a b l e 8d b0 8r i m 3 0d b 0 2n m 4 0r i m1 0m s c o n f i g u r a t i o n p o s s i b l e a c t i v ef i l t e r 0 1r i m 3 0d b 0 1r i l l l 5 n mn s g a i n r i n gr e s o n a t o r 3d b2n m 3 0d b0 2n m2 5n mm s 如表1 1 是各种滤波器的性能2 。可以看出，其中f a b 驴p e r o t 滤波器( f p f ) 具 浙江大学硕士学位论文绪论 有插入损耗低，可调谐范围广，精细度高的特点。而且f p f 具有结构灵活，成本 低的优点，可做成不同结构来满足各种自由光谱区的需求，因此得到广泛应用。 f p f 有一个单独的输入端口和一个单独的输出端口。它能够从大量波长通道 中选择一个波长通道。当需要选择更多的波长通道时，就需要同等数量的f p f 。 f p f 透射光的强度与反射膜的反射率、入射光波长、腔长等因素有关。如果在腔 内填充介质，通过改变介质的折射率可以改变透射光的强度。如果两相邻光束的 相位差满足q o = 2 m 兀( 其中m 为整数) ，可得干涉仪透射光强分布的极大值。f p f 的干涉过程完全是波长选择性的，通过改变平板间的间距和介质的折射率可以对 f p 干涉仪滤波器输出波长进行调谐。 目前f p f 研究热点包括【2 2 1 ：微型电动机械系统( m e m s ) f p 滤波器、波导f p 滤波器、光纤光栅f p 滤波器、液晶f p 滤波器、固体腔f p 滤波器和光纤f p 滤波 器，这些滤波器各有特点，我们将在下一章中作具体介绍。 1 1 3 压电聚合物 18 8 0 年居里兄弟首先在o 【石英晶体上发现了压电效应。如图1 - 3 ，当某些电 介质晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些表面上会出现异号极化电荷。这 种没有电场作用，只是由于应变或应力在晶体内产生电极化的现象称为正压电效 应或压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料。 图1 3 正压电效应原理 压电材料应用十分广泛，可用在电声器、水下通讯和探测、雷达中的陶瓷表 面波器件、通讯设备、精密测量、红外技术和高压电源等方面。 6 浙江大学硕士学位论文绪论 压电材料包括压电陶瓷( 单元系压电陶瓷b a t i 0 3 、二元系压电陶瓷p z t 、三 元系压电陶瓷p c m 、透明压电陶瓷p l z t 等) 、压电晶体( 石英、p b t i 0 3 、l i n b 0 3 等单晶) 、压电聚合物( 奇数尼龙、p v d f 及其共聚物、氰基聚合物、铁电液晶 聚合物) 和复合压电材料( 压电陶瓷聚合物复合材料) 物等【2 引。 与传统的无机压电、热释电材料相比较，聚合物压电材料具有一些重要的优 势：( 1 ) 容易制备成大面积的柔性薄膜，可用于大面积的机电换能、阵列传感；( 2 ) 化学稳定性好，可以在恶劣环境中长期使用；( 3 ) 声阻抗与液体、生物体声阻抗 相近，容易机械阻抗匹配；( 4 ) 电声响应频率在整个音频段内平滑，失真度小， 信噪比高；( 5 ) 有大的压电电压系数g 。但是由于以前的合成高聚物的压电性不高， 应用受到很大限制。 1 9 6 9 年日本的h k a w a i 2 4 】发现经过单轴拉伸、电极化后的聚偏氟乙烯( 简称 p v d f ) 呈现出强的压电性，这是合成高分子材料中最强的压电效应，有可能产生 工业应用价值，因此使压电聚合物的研究发生了历史性的转折。1 9 7 1 年，美国的 b e r g m 等人发现经过同样处理的p v d f 具有热释电性能【2 5 】。7 0 年代末，发现p v d f 及其共聚物铁电性。8 0 年代初y a 百t 等人制备出偏氟乙烯与三氟乙烯、偏氟乙烯 - 9 四氟乙烯铁电共 物p ( v d f t r f e ) 2 6 和p ( v d f t e f e ) 。聚合物的压电性及其应 用在此后从理论、实验到实际应用开发都得到了迅速发展。 p v d f 是一种半结晶性聚合物，由基本构成单位c h 2 = c f 2 ( v d f ) 的长链分子构 成。单体聚合成链状结构时，根据替代物相对于主碳链的空间配置状况形成不同 分子构型。相邻替代物近似成1 8 0 。为反式( t r a n s ) ，记为t ；相邻替代物近似 成6 0 。为扭式( g a u c h e ) ，记为g 。不同结合方式相互组合，形成p v d f 各种晶 体结构。 图1 4 p v d f 的晶胞：( a ) q 相单位晶胞与( b ) b 相单位晶 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 p v d f 至少有五种晶型，这些晶型互相可以转化【2 7 。最常见的有三种：p 型 ( i 型) ，q 型( 型) ，v 型( i i i 型) 【冽。仅型晶型如图1 4 ( a ) ，为略微扭 曲的t g + t g 构型 2 9 】，单斜晶胞，分子电矩方向相反而相互抵消，整个晶胞没有 净电矩。如图1 4 ( b ) ，p 型分子链取t t 构型( 平面锯齿状) ，正交晶胞，分 子链方向相同且垂直主轴，形成大的分子电矩。y 型晶体为斜方晶胞，每个晶胞 含4 根分子链，链构为t 3 g t 3 g ，【3 0 。 如图1 5 所示分别为o 【和p 晶型的p v d f 的x 射线衍射( x r d ) 曲线，其中只 有强极性的d 相才有压电铁电性。但p v d f 由溶液缓慢冷却或流延成膜时通常形 成最稳定的o 【相。很多制备方式被用来形成d 相的p v d f ，包括：( 1 ) 在玻璃化 温度t g 和熔化温度t m 之间对p v d f 初始膜做单轴或双轴冷拉伸，形成o 【相到d 相 转化。这是工业上的主要制备方法。( 2 ) 将熔融p v d f 在高压下缓慢退火成d 相。 ( 3 ) 在高电场中把p v d f 溶液喷射在加热基片上烘干成膜，直接得到d 相压电膜。 图1 5p v d f 晶体的x r d 图 舟，f ( b ) f j 丰| l j j 嫂d i li 线 p v d f 的共聚物p v d f 显示出了更大的优越性能。它们可以直接从熔融态 或溶液中直接生长出铁电体，无需经过冷拉伸。8 0 年代，y a 昏t 等人合成了能够 任意组分配比的p ( v d f x t r f e l x ) 和p ( v d f 。t e f e l x ) 。t a j i t s uy 等人对v d f ( 7 3 ) t r f e ( 2 7 ) 在1 5 0 。c 左右保温退火，得到p 相含量高达9 0 的样品。共聚物压 电性能与组份配比有密切关系。而且随着v d f 含量增多，d 相含量逐渐增多。 近年来，为研究电子束辐照对p v d f 共聚物的电致伸缩应变响应行为的影响， 章启明、赵兴中等进行了多次对比试验。辐照改性后，一方面极化滞后明显变小， 另一方面电致伸缩应变达到4 的较高水平【3 。实验还表明，电子、质子等高 能粒子都可以对铁电共聚物进行改性，且改性结果基本相当。铁电共聚物经质子 r 浙江大学硕士学位论文绪论 束辐照后，共聚物由典型铁电体转变为弛豫铁电体。 聚偏氟乙烯( p v d f ) 及其共聚物是迄今发现的压电、热释电性能最强的高 分子聚合物，可以考虑用作可调谐f p 滤波器的间隔层。目前研究最多的压电聚 合物材料是双氟乙烯三氟乙烯无规共聚物p ( v d f t r f e ) 。它在电场作用下能产生 很大的变形量，因此被广泛应用在传感器和驱动器中。 1 2 本论文研究内容和创新点 如前面所述，光通信系统的不断发展推动w d m 技术的不断进步，因而也极 大推动了包括光学滤波器在内的光学器件的发展。到目前为止，国内外对f p f 的 研究已经很多，利用不同调制原理的f p f 在调制范围、响应速度、插入损耗等方 面各有优缺点，将它们应用在不同的场合。而p v d f 及其共聚物由于其柔软、易 于大面积制作等优点也一直得到广泛的研究，尤其是近年来p v d f 共聚物的电致 伸缩效应很受关注。本文中的主要工作是将偏氟乙烯( v d f ) 与三氟乙烯( t r f e ) 的共聚物p ( v d f t r f e ) 的电致伸缩效应应用n f p 滤波器中，制作出较宽光谱 可调谐的高性能滤波器。 本文的主要内容共分为五章，主要内容如下： 第一章主要介绍了课题研究的背景。介绍了相关光波分复用技术以及其中不 同种类的可调谐滤波器，并提出了f p 可调谐滤波器的意义。通过大致介绍压电 聚合物的性能，提出以压电聚合物为调节物质，制作f p 滤波器。 第二章介绍了相关的理论知识。其中包括两部分内容，首先是f p f 的基本原 理和性能指标，指标包括自由光谱范围、半强度宽度、峰值透过率等，并且介绍 了不同原理调谐的f p f 。其次介绍了p v d f 聚合物在电场作用下的各种效应，包 括逆压电效应、电光效应、电致伸缩效应和静电效应，并介绍了基于聚合物效应 的f p 滤波器。 第三章则介绍了基于聚合物的f p f 的设计和制作。具体内容包括材料的选 择，由于和器件性能密切相关，调制材料、反射镜材料和电极材料都需要慎重考 虑；f p f 结构设计，设计滤波器时需要满足调制范围大、精细度高、透射率高、 响应速度快的要求；性能模拟，确定下来器件材料和结构后可以先对器件模拟； 9 浙江大学硕士学位论文绪论 进行聚合物薄膜的制备及后处理条件的研究，改变制备条件，制备出表面光滑且 平整度高的聚合物薄膜，控制退火温度和时间使薄膜形成稳定的晶向；聚合物薄 膜的刻蚀，结合薄膜自身的特点，在不损害需要保留的薄膜的前提下将不需要的 部分除去；反射镜d b r 的制备及器件各部分的组合与封装。 第四章主要内容为器件测试和结果分析。包括：高反膜性能测试，主要是其 反射率曲线的测试；聚合物薄膜光学常数的测定，测定p ( v d f t r f e ) 薄膜的表面 特性和折射率及消光系数等光学常数；f p f 器件性能测试和分析，测试器件对不 同波长的透射率，分析其精细度、自由光谱范围、调制范围等，并且在不同的条 件下对器件的性能进行比较分析。 第五章对全文进行了总结，并且对未完成的工作进行了展望。 本文的创新点在于： l 、研究摸索了聚合物p ( v d f t r f e ) 薄膜的成膜特性。在经过选用不同溶 剂、不同质量百分比、不同转速等工艺的交叉实验后，选定了聚合物薄膜的最佳 成膜工艺条件。 2 、利用c a u c h y 模型和单纯形法拟合聚合物薄膜的反射率曲线，得到不同波 长下薄膜的折射率和消光系数等光学常数。 3 、通过对不同f p f 结构优缺点的比较，设计出比较适合研究和测试的基于 聚合物薄膜的滤波器结构，并利用t f c a l e 软件对f p 腔进行了模拟，得到比较好 的结果。 4 、在6 5 0 n m 和1 5 0 0 n m 为中心波长的波段分别制作出基于聚合物调谐的f p f 器件。测定了器件反射率和透过率曲线以确定其自由光谱范围、精细度等性能指 标；测定了器件在直流电场作用下透过率的漂移，得到中心波长与电场的关系即 腔长随电场的改变关系，确定了器件的调谐性能。 5 、研究了不同面型的基板对p f p 性能的影响，确定了基板面型和f p f 精细度 的关系。 1 0 浙江大学硕士学位论文 绪论 参考文献 【l 】g e r de k e i s e r , ar e v i e wo f w d mt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n s ，1 9 9 9 ，5 ：3 3 9 【2 】龚莉，王跃红，关于光波分复用技术与应用，2 0 0 9 ，1 4 ：1 5 3 】陈海星，波分复用系统中基于法布里珀罗腔的光学薄膜滤波器研究 博士学位论 文】，杭州，浙江大学，p 1 【4 gc h a r l e t ，e c o r b e le ta 1 ，w d mt r a n s m i s s i o na t6 - t b i t sc a p a c i t yo v e rt r a n s a t l a n t i c d i s t a n c e ，u s i n g4 2 7 - g b sd i f f e r e n t i a lp h a s e s h i f tk e y i n gw i t h o u tp u l s ec a r v e r , j l i g h t w a v e t e c h n o l o g y , 2 0 0 5 ，2 3 ( 1 ) ：1 0 4 - - 。10 7 5 g e r dk e i s e r , o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ( t h i r de d i t i o n ) ，b e r i n g ：p u b l i s h i n gh o u s e o fe l e c t r o n i c si n d u s t r y , 2 0 0 2 6 】张卫，光波分复用技术及其应用，山西电子技术，2 0 0 2 ，3 ：2 9 - - 3 1 【7 】李辉，“光传送网技术及趋势”，飞达光学网，2 0 0 4 8 】vv i s c a r d i ，a s y m m e t r i cr e c o n f i g u r a b l eo a d m sf o rn e x tg e n e r a t i o nm e t r o - d w d m n e t w o r k s ，j l i g h t w a v et e c h n o l o g y , 2 0 0 3 ，2 1 ：3 8 4 4 0 5 【9 gi p a p a d i m i t r i o u ，c p a p a z