（光学工程专业论文）有机聚合物电光调制器关键技术研究.pdf

， ，l t ：- ， 川| ! i l | | l l i l 川咖0 y 1744 43 8 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， 也不包含为获得电子科技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谢意。 签名： l 歪皇堑 日期： 扣) 。年岁月彩日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以 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应遵守此规定) 签名：溶巾 导师繇嗲奠l 日期：护口年f 月谗日 一 一 摘要 摘要 高速电光调制器是光纤通信系统中的关键器件之一，有机聚合物电光调制器 由于带宽宽、半波电压低、制备工艺简单及制作成本低等优势近年来成为国内外 的研究热点。 本文首先介绍了有机聚合物电光调制器的研究意义及发展现状，根据有机聚 合物材料的特性分析了其制作电光调制器的优势，阐述了电光调制器的工作原理 及其性能参数。 对调制器的波导及电极部分进行了理论分析与设计优化，确定了最终的结构 参数。利用有效折射率法、有限差分束传播法对有机聚合物脊型波导进行仿真分 析，得出m z 光波导中脊宽、分支角等对传输特性的影响。结合软件计算了满足 5 0 t 2 阻抗匹配的电极参数，运用h f s s 建立起电极系统模型，分析了各个参数对传 输损耗的影响，通过软件仿真得到了满足3 d b 带宽值为1 0 g h z 的电极系统。 系统研究了有机聚合物电光调制器的制备工艺。利用旋涂及极化工艺制备出 芯层材料i p c e 聚砜的电光薄膜，运用简单反射法对其电光系数进行了测量，考 察了不同极化工艺条件下的电光系数值，并分析了材料电光系数受时间、温度的 影响。采用旋涂、光刻、反应离子束蚀刻、湿法腐蚀等工艺依次制备出器件的下 电极、光波导、上电极并进行极化、切割处理，制备出基于i p c e 聚砜的有机聚 合物电光调制器单元器件。搭建了由耦合平台、1 5 5 0 n m 激光器、锥形光纤、信号 源、光电探测器及示波器等组成的测试平台，对制备出的单元器件进行测试，观 察到明显电光调制现象。通过对测量结果的分析，总结了器件制备过程中的工艺 缺陷，提出了改进方案。对下一步工作做出建议：优化极化工艺以提高材料电光 系数、优化设计微波电极结构以提高调制带宽，最终实现器件的封装和实用。 关键字：电光调制器，电光系数，光波导，电极系统，制备工艺 、 一 些墅! t _ 一 a b s t r a c t e l e c 仃d - o p t i cm o d u l a t o ri so n eo ft h e i m p o r t a n td e v i c ei no p t i c a lf i b e r c o n 姗呦c a t l o ns y s t e m s i th a sa t t r a c t e dm o r e a t t e n t i o nf o rt h e i r 龟a t u r e so fl 诹e b a n d w i d t h ，l o wh a l f - w a v ev o l t a g e ，g a s eo ff a b r i c a t i o na n dl o wc o s tp r o d u c t i o ni nr c c e n t y e a r s n er e s e 砌 s i g n i f i c a n c ea n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h e e l e c t r o o p t i cp o l y l l l e r m o d u l a t o ra r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eo p t i m a l e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o rc 孤b eg e t d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r g a n i cp o l y m e r t h e nt h e o p e r a t i o n 越l dp 晌玎n a n c e p a r a m e t e r so fe l e c t r o o p t i cm o d u l a t o ra r er e v i e w e d t h ef i n a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r sa l ed e t e r m i n e db yt h ea n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no f t t l ew a v e g u l d ea n de l e c t r o d e s 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 f f e c t e d b vt h er i d g e w i d t ha n db r a n c ha n g l eo ft h em z w a v e g u i d ea r es i m u l a t e da n da n a l y z e db vt h e e f f e c t i v ei n d e xm e t h o d ( e l m ) a n d f i n i t ed i f f e r e n c eb e a m p r o p a g a t i o nm 砒o d ( f d b p m ) b ya n a l y z i n gt h ee l e c t r o d ep a r a m e t e rs a t i s f i e dw i t hi m p e d a n c e m a t c h i n go f 5 0q，t h ee l e c t r o d e s y s t e mm o d e lb a s e do nh f s sa n dp m p a g a t i o na n e l l u a t i o n i n t j u 锄c e db ye a c hp a r a m e t e r s ，t h e3 d bb a n d w i d t ho f e l e c t r o d es y s t e mc a nb eg e t 勰 1 0 g h z t h ef a b r i c a t i o n t e c h n i q u eo fo r g a n i cp o l y m e rm o d u l a t o rh a sb e e ni n v e s t i 擘r a t e d s y s t e m a t i c a l l y t h ee l e c t r o o p t i cf i l mo fc o r e l a y e rm a t e r i a lm a d e i p c e p o l y s u l f o n ei sm a n u f a c t u r e db ys p i nc o a t i n ga n dp o l i n g t h ee - oc o e f f i c i e n t su i l d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n so f p o l i n ga r em e a s u r e db ys i m p l er e f l e c t i o nm e t l l o d t h ei n f l u e l l c e s o ft i m ea n dt e m p e r a t u r eo nt h eb e h a v i o ro fe - o c o e f f i c i e n t sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e b o t t o me l e c t r o d e ，o p t i c a lw a v e g u i d e ，t o pe l e c t r o d ea r es e q u e n t i a l l yf a b r i c a t e db yu s i n g s p i n - c o a t i n g ，l i t h o g r a p h y , r e a c t i v ei o ne t c 抽壤w e te t c h i n g , p o l i n g , c u t t i n ga n do t h e r p r o c e s s e s t h e nt h eo r g a n i cp o l y m e re - om o d u l a t o ro fs i n g l ed e v i c eb a s e do n 吐l e i p c - e p o l y s u l f o n ec a nb eo b t a i n e d t h es i n g l ed e v i c et e s t e db yc o u p l i n g p l a t f o 肋，15 5 0 1 1 1 nl a s t a p e rf i b e r , s i g n a ls o u r c e s ，o p t i c a ld e t e c t o r s ，o s c i l l o s c o p e ，a n d s oo nc 锄b e o b s e r v e do b v i o u sp h e n o m e n o no f e l e c t r o o p t i cm o d u l a t i o n 1n e1 m p r o v e ds o l u t i o ni s p r o p o s e db yt h ea n a l y s i so fm e a s u r i n gr e s u i t sa n d i i a b s t r a c t s u m m a r i z a t i o no ff a b r i c a t e dt e c h n i q u e s o p t i m i z i n gp o l i n gc o n d i t i o n st og e th i g h e l e c t r o - o p t i cc o e f f i c i e n t o p t i m a ld e s i g no fm i c r o w a v ee l e c t r o d es t r u c t u r et o e n h a n c e t h em o d u l a t i o nb a n d w i d t h ，a n du l t i m a t e l yt h ep a c k a g i n ga n dp r a c t i c a lc a nb ea c h i e v e d k e y w o r d s ：e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r , e l e c t r o - o p t i c a lc o e f f i c i e n t , w a v e g u i d e ，e l e c t r o d e ， f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e i i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 有机聚合物电光调制器研究意义1 1 2 有机聚合物电光调制器研究现状2 1 3 本论文的主要工作和章节安排4 第二章有机聚合物电光调制器理论分析6 2 1 聚合物电光材料的优势6 2 1 1 聚合物材料的研究意义6 2 1 2 聚合物材料的研究进展6 2 2 聚合物电光调制器原理8 2 2 1 电光效应8 2 2 2 电光调制器原理8 2 2 3 电光调制器性能指标1 1 第三章有机聚合物电光调制器波导与电极设计1 2 3 1 光波导设计优化1 2 3 1 1 波导设计基本理论1 3 3 1 2 结构参数优化1 6 3 2 电极结构设计优化18 3 2 1 电极设计基本理论1 9 3 2 2 结构参数优化2 2 第四章器件制备与测试2 5 4 1 材料电光特性2 5 4 1 1 材料提纯2 5 4 1 2 极化样片制备2 7 4 1 3 极化工艺2 9 4 1 4 电光系数测量方法3l 4 1 5 测量系统与实验结果3 4 4 1 5 1 测量系统3 4 4 1 5 2 测量系统设备标定3 4 i v 目录 4 1 5 3 实验结果3 5 4 2 有机聚合物电光调制器制各3 8 4 2 1 光刻工艺3 8 4 2 2 器件制备流程3 9 4 2 2 1 下电极制备3 9 4 2 2 2 光波导制备4 1 4 2 2 3 上电极制备4 3 4 3 单元器件测试与耦合封装4 4 4 3 1 单元器件制各4 4 4 3 2 耦合测试4 5 4 4 结果分析与工艺优化。4 8 第五章全文总结5 l 5 1 论文主要内容51 5 2 主要成果5 1 5 3 下阶段问题5 2 致谢5 3 参考文献5 4 攻硕期间取得的研究成果5 7 v 第一章绪论 第一章绪论 光纤通信如今已经成为人们日常生活与工作中不可或缺的一部分，社会的进 步使得人们对通信质量有了更高的需求，从而加快了人们对高速光纤通信器件的 研究。在光纤通信中，为了使信息能高效的传输，首先须将信息加载到作为载波 的光波上，称之为调制。电光调制器就是实现这一个过程的功能器件，是整个光 纤通信系统中的关键器件之一。因此，对价格低廉、性能卓越的电光调制器的研 究，将受到人们的长期关注。 1 1 有机聚合物电光调制器研究意义 目前在光纤通信系统中，运用最为广泛的是以无机非线性电光晶体材料铌酸 锂制备出的电光调制器。铌酸锂电光调制器至今仍占据着主导地位，其制备技术、 封装工艺等均已达到成熟的商用水平。有报道称日本科学家通过改善铌酸锂晶体 调制器的电极结构，使得其调制带宽为4 0 g h z 的情况下，驱动电压仅为0 9 v t 。 高速铌酸锂晶体电光调制器因其具有插入损耗低、零啁啾及驱动电压低等特点， 广泛应用于现今的通信主干网络中。虽然对铌酸锂等无机晶体电光调制器的制备 及其商用已经成熟，但其最大的问题在于无机材料本身的特性，其带宽的提高比 较困难且由于制作成本的影响，价格也相对较高。 有机聚合物电光调制器是近几年来研究较多的一类新型电光调制器，无论是 调制带宽、半波电压及插入损耗等性能参数都能达到高速通信系统的运用水平。 从材料上来看，有机聚合物材料相比于无机材料，具有更大的电光系数便于降低 器件的半波电压，较低的微波介电常数易于实现光波与微波的相速匹配从而提高 调制器的带宽，较之无机物更加易于制备，并且可与多种衬底材料牢固的结合， 易于器件的集成f 2 】。在材料的热稳定性及化学稳定性等问题解决后，国外已经有了 能达到1 0 0 g h z 调制带宽的商用化器件【3 4 】。鉴于有机聚合物电光调制器的诸多优 势，为了使之在未来的通信及信息领域发挥出更大的作用，须加快对有机聚合物 电光调制器的研究开发工作。 1 2 始， 有机聚合物电光 1 9 9 1 年，实验报道了首个 次年由h o e c h e s tc e l a n e s ec o r p o r a t i o n 的c c t e n g 制备出的有机聚合物电光调制器 的带宽达到4 0 g h z 6 1 。1 9 9 3 年，美国科学家t a t u m o l l i l oj r 和p r a s h l e y 采用 简单的结构与制备工艺制备出聚合物电光调制器，使人们对器件的制备工艺开始 有所关注。到了1 9 9 5 年，d a l t o n 与加州大学洛杉矶分校( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a l o sa n g e l e s ，u c l a ) 的w e n s h e n gw a n g 等制备出了调制带宽达到6 0 g h z 的调制器 7 1 。1 9 9 7 年，在极化聚合物材料方面有着其独特优势的d a l t o n 小组与其合作伙伴 美国南加州大学( u n i v e r s i t yo fs o u t h e r nc a l i f o m i au s c ) 及加州大学洛杉矶分校报道 了他们制备出的响应超过1 1 0 g h z 的超宽带有机聚合物电光调制器，这个原型器件 能够传送8 0 个频道的n t s c 视频信号，信噪比高于5 3 d b 引。经过两年时间的研究， d a l t o n 与他的研究小组开始热衷于研究有机聚合物阵列电光调制器，他们采用最 新合成的非线性聚合物电光材料p u f t c 成功制备出具有低半波电压、低串扰的 高速阵列电光调制器，仅用简单的平面集成工艺即达到在4 0 g h z 内，近端串扰 4 0 d b ，远端串扰 4 5 d b ，展示了有机聚合物阵列电光调制器的应用前景。进入 二十一世纪后，对有机聚合物电光调制器的研究上到了一个新的高度，韩国的 s u n t a kp a r k 和j o o nt a ea h n 等人于2 0 0 4 年报道了其采用新型聚合物材料 p i d a i d c 制备出的1 6 个调制器所构成的阵列调制器，其半波电压偏差小于0 2 v ， 插入损耗偏差小于l d b ，消光比高于2 1 d b ，光学串扰优于2 8 d b 。该成果掀起了有机 聚合物阵列电光调制器的研究热潮。 器件性能的不断提高，使人们开始关注具有更大电光系数的新型有机聚合物 材料的研究。2 0 世纪9 0 年代后期，以u s c 的d a l t o n 、w i l l i a mh s t e i e r 教授和u c l a 的h a r o l dr f e t t e r m a n 教授为首的研究小组，对有机聚合物新材料和高性能介质光 波导器件进行了系统、深入的研究，并在这一领域取得了辉煌的成绩，成为聚合 物电光材料领域的导向标。他们对有机聚合物的分子结构及材料的电光特性进行 了深入的研究，其研究的重点之一就是通过提高生色团的筇值以改善材料的电光 特性，更为重要是提高了材料的温度稳定性、化学稳定性和光化学稳定性，为器 2 第一章绪论 件的商用化进展打下了坚实的基础。与此同时还开展了新材料制备工艺的研究， 重点解决材料的极化效率等问题，旨在进一步提高聚合物材料的电光系数。此后， 人们开始专注于不同聚合物材料制备出调制器的性能及调制器不同电极结构与电 极优化方面的工作。 二十一世纪初，u s c 课题组对合成的新材料p u f t c 在1 1 3 g h z 频带内作了 验证实验，获得了较为满意的电光特性。此外，u c l a 课题组以这种制备的材料 为基础设计制作了调制带宽为4 0 g h z 的电光调制器，其相对响应平坦度 1 0 d b ， 消光比优于1 8 d b ，插入损耗 3 0 0 p r n v ，据报 道，2 0 0 7 年其有机聚合物电光材料的电光系数已突破1 0 0 0 p m v ，为聚合物电光调 制器性能的提高提供了可靠的保障。 二十一世纪以来，已经有不少公司开始推进有机聚合物电光调制器的商用化 进程，其中以美国l u m e r a 公司、p w c 公司为这一行业的代表，各个公司陆续推 出了各自基于不同聚合物材料的电光调制器商用器件。2 0 0 7 年，l u m e r a 公司报道 其商用化的调制器性能指标，带宽达到1 0 0 g h z ，其它性能指标与成熟的无机铌酸 锂调制器不分伯仲。图1 - 1 给出了该公司的电光调制器原型器件，图卜2 给出了 该原型器件的内部封装结构及外部封装腔体图。 这些研究进展充分展示了国外同行在有机聚合物电光调制器的材料特性、制 备工艺、调制器性能( 超高速、超低驱动电压) 等方面的巨大优势。 3 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 1 商用化聚合物电光调制器 张t ：珊# 缈饰p “4 “ ， 赣i 游j ：z 知静e ：? ，m 就：? ，一豳或毋簪濂舔敛+ oj ，o 。砒 汛 翔翰盔删材硝自盎赫茹翰缛兹端袭爱糍繇瓣，苏警”，丑盘络批。岛施晶硼蚺_ 槲_ 妊商“盔盔盆；盆磁 羲。，。渭疆叠嗣耐：，二二i 掣 溆& 搋燃：茅石_ ”厄m 。m 。燃 图卜2 商用化聚合物电光调制器封装 国内已有不少高校及科研院从九十年代初就开始对有机聚合物电光材料进行 了相关研究，主要有中国科学院理化所、清华大学、吉林大学、武汉大学、哈尔 滨工业大学和电子科技大学等。从事的研究工作在于对国外提供的材料样品进行 测试和分析，另一方面也通过自身的努力合成了具有自主知识产权的有机聚合物 材料，这些工作为今后国内有机聚合物电光调制器的研究打下基础。但是，就研 究程度而言，与国外相比还有较大的差距。此外，对于有机聚合物集电光调制器 制备工作方面的研究，国内数家单位已制备出低频内的调制器原型器件，如中国 科学院理化所、清华大学、吉林大学已有相关报道，但是仍然需要进一步优化工 艺条件以制备出高性能的实用化器件。 1 3 本论文的主要工作和章节安排 本文以3 d b 带宽为1 0 g h z 的有机聚合物电光调制器为研究目标，对调制器光 4 j 一，i 粉爨 第一章绪论 波导与电极部分作了设计、仿真与结构优化；对有机聚合物材料的电光特性及其 时间、温度的稳定性做了实验研究；最终通过相关制备工艺制作出了在低频条件 下有明显调制现象的有机聚合物电光调制器。文中具体章节安排如下： 第一章阐述了有机聚合物电光调制器的研究意义，分析了国内外的研究现状。 第二章针对有机聚合物电光材料做了相关调查，阐述了其研究意义及进展； 同时，介绍了电光调制器的工作原理及性能指标。 第三章采用有效折射率法及有限差分束传播法设计优化了调制器的波导结 构，得出了满足单模传输条件下的脊宽、分支角、臂间距的最佳结构参数；确定 了有机聚合物电光调制电极的设计方案，通过软件仿真确定了满足3 d b 带宽要求 的微带宽度、宽口宽度、窄口宽度等电极结构尺寸。 第四章首先对材料的电光特性作了实验研究，包括材料提纯、制备样片、极 化工艺、电光系数测量及材料电光系数对时间、温度的稳定性研究；其次，采用 电光材料i p c e 聚砜制备出聚合物电光调制器单元器件，并对其性能进行了测试； 最后，对制备过程中出现的工艺缺陷进行了归纳总结。 第五章对全文工作做了总结，指出了设计及实验中出现的各种问题，对下一 步工作进行了展望。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章有机聚合物电光调制器理论分析 2 1 聚合物电光材料的优势 2 1 1 聚合物材料的研究意义 二十世纪6 0 年代，激光器的诞生使光学的发展上了一个新的台阶，光学非线 性效应由此得以体现。时代进步至今，激光和光纤通信技术已经逐渐取代微电子 和集成电路技术成为新兴的通信技术，具有高速度、宽带宽、信息载量大等优点。 光通信网络中的光波导、光开关和光调制器等器件，对于光通信网络的正常运作 以及速率的提高起着举足轻重的作用。这些器件性能的好坏离不开非线性光学材 料的发展。正如半导体材料的发展造就了二十世纪集成电路的进步，非线性光学 材料的发展也将推动现阶段光纤通信的进步。 最初的非线性光学n o n l i n e a ro p t i e a l ( n l o ) 材料是以无机材料为主的，无机材 料中又以铌酸锂( l i n b 0 3 ) 等晶体材料最为常见，现有实用化光学器件仍然以无 机晶体材料占主导地位。虽然这些晶体材料的制备技术已日趋成熟，但随着技术 的发展，其易潮解、易破裂及体积较大造成的不易大规模集成等缺点，已经不能 满足现代光纤通信领域所追求的高容量、多功能、加工性强等系列需求。与无机 晶体非线性光学材料相比，有机聚合物材料由于其大的电光系数、相对介电常数 光 揭 甲 迅 研 合 第二章有机聚合物电光调制器理论分析 物n l o 材料的研究朝更深一步的方向发展，特别是近2 0 年来，有机聚合物n l o 材料的研究取得了快速的进步，涌现出大量高电光系数的聚合物材料以及有机聚 合物n l o 材料制备出的原型器件。但是材料温度稳定性、化学稳定性等各方面因 素使得其实用化进程受限。主要问题在于聚合物材料的稳定性问题使得制备出器 件的性能及寿命无法保障。因此，对于新型、稳定、性能好的聚合物n l o 材料的 研究，将会是一个长期的努力方向，同时也是推进器件实用化的关键。按聚合物 物n l o 材料的分子结构来看，主要可分为以下几种】： 主客掺杂型聚合物研究最早，也是相对简单的一种聚合物n l o 材料，原理是 将具有电光活性的生色团分子掺入聚合物主体中，使掺杂的聚合物材料获得电光 系数，聚合物的主体材料及客体材料须较好的溶解于有机溶剂中。最早研究的此 类聚合物材料是将分散红1 ( d r l ) 等具有非线性效应的生色团小分子掺入聚甲丙 烯酸甲酯( p m m a ) 、聚苯乙烯( p s t ) 、聚碳酸酯( p c ) 等透明性及成膜性均很 好的主体材料中。早期这类材料虽然在制备方法与工艺上都易于实现，却容易受 主客体材料与溶剂溶解性限制，导致生色团含量不可能太高，宏观上表现为电光 系数不可能太大。 为了进一步提高聚合物材料的n l o 系数及材料的稳定性，人们进行了大量的 改进实验，为了避免因相溶性不高导致的生色团分子过少，有人提出把n l o 生色 团分子采用化学方法键合到聚合物主体材料侧链或主链上，可能会提高材料的稳 定性并获得较大的n l o 系数，同时，生色团小分子取向的稳定性也会因此得到一 定程度的改善。上世纪八十年代开始，已有此类聚合物材料的报道，其化学反应 原理在于先将带羟基官能团的生色团与甲基丙烯酸进行酯化反应，后与甲基丙烯 酸甲酯( m m a ) 通过自由基共聚获得m m a 共聚物。此类聚合物n l o 材料解决 了主客相溶性问题，生色团的含量迅速提升，其非线性光学性能有了很大提高。 侧链或主链型聚合物的出现解决了相溶性的问题，且在工作温度不太高的情况下 具有很好的稳定性，但在8 0 到1 2 0 的工作温度下长期使用，会使电光系数降 低。 鉴于上述情况的出现，近几年来，交联型聚合物成为了研究热点，因为其特 殊的化学键结构，该聚合物材料的热稳定性有了较大的提升，由此类聚合物制备 的器件也能满足长时间、高性能的使用要求。然而，由于交联型聚合物制备过程 的特殊性，又使得此类聚合物材料在传输损耗、光学透明性以及器件制备过程中 的成膜质量，电光系数的大小等方面依然存在着问题。 总之，近几年来聚合物n l o 材料在电光系数大小、材料稳定性、器件的制备 7 电子科技大学硕士学位论文 工艺等方面已经取得了很大的进展，聚合物光波导、聚合电光调制器及m z 干涉 仪等以有机聚合物n l o 材料为基础的器件也已在实验室研制成功且在逐渐走入实 第二章有机聚合物电光调制器理论分析 电光调制器在未加电场及忽略损耗的情况下，当一束光从输入端输入后，在 第一个分支处，光束分为完全相同的两束光，传输到第二个分支处发生干涉，合 成光强与入射光相同的光继续向前传播。 当在其电极上加上电场并忽略光波导传输损耗时，光束传输到第一个y 分支 处后，分为光强相等的两束光，通过由电光材料制成的两条直波导传输，直波导 内的折射率随着外加电压而变化，根据电场的不同，两直波导内折射率变化亦不 相同。因此，当两束光传输到第二个y 分支处时，发生干涉现象，两束光的相位 不同引起干涉光强随着相位差变化而变化，从而达到将电信号调制到光信号上的 目的。 如图2 1 ，假设在第一个分支处，光波的表达式为 ( f ) = e x p ( j t o o t )( 2 一1 ) 进入第一个分路后，光波的表达式为： 虬( f ) = ( f ) = 訾e x p ( j t o o t ) ( 2 2 ) 经第二个y 分支发生干涉，即合路后，光波的表达式为： ( f ) 2 去隽 e x p ( f + 疙) 】+ e x p ( h 九) 】 ：e x p j ( c o o t + 华) 】c o s 华( 2 - 3 ) 丸、九为两臂由于电光效应产生的相移，假设两直臂导光特性完全相同，并通过 调整材料的电光系数，使得两个支路传输光的相移等值异号，即( 九= 一九) ，可推 出输出光强为： j ：y 2 ( f ) ：kc o s 2 ( 掣) ( 2 - 4 ) 其中矽= 统一唬，而k = c o s 2 ( 竽) ，且k 可被看作一常数，由此可得m z 型 电光调制器的电光调制特性。 m z 型调制器中，除了光波传输特性外，调制带宽也是很重要的性能指标之一， 其调制带宽受到光波速度和微波或毫米波速度之差、电极特征阻抗和电极传输损 耗的限制，尤其是光波和毫米波之间的相速匹配和微波阻抗匹配是影响行波调制 器性能的两个关键因素。目前可通过对行波电极结构的设计来解决这两个问题【”1 ， 9 电子科技人学硕十学位论文 如采用微带转共面电极结构可比其它电极结构有更好的阻抗匹配，从而减小回波 损耗；或采用共面波导电极，可获得更低的驱动功率，也可提供较好的阻抗匹配。 本论文中所制备的有机聚合物电光调制器光波导部分由三层聚合物薄膜结构 组成，分为下包层、芯层和上包层。下包层除了需具有良好的成膜性、较好的耐 高温能力等优点外，还要求与采用的两寸硅基片衬底有良好的粘附性。鉴于此， 制备过程中选用由m a s t e r b o n d 公司生产的u v l 5 紫外固化环氧树脂作为下包层， 工作波长为1 5 5 工t m 时，其折射率为1 5 0 。上包层使用的是一种无色、透明的紫外 固化环氧，n o a 6 1 ，- i - 作波长为1 5 5 # m 时，其折射率为1 5 5 。这两种材料特性见 下表。 表2 - 1 上、下包层材料特性 材料 粘度固化后拉伸弹性抗拉硬度 2 5 0 c聚合物极限模量强度 ( c p s ) 折射率( p s i ) ( p s i ) n o a 6 l3 0 01 5 53 8 1 5 0 0 0 03 0 0 08 5 u v l 5 1 2 0 1 5 01 5 04 1 2 0 0 0 04 1 0 07 5 芯层材料是具有电光效应的非线性光学聚合物，其电光系数应尽可能的大， 且具有良好的热稳定性和可靠性，在高温环境下能正常工作。与上、下两包层一 样具有良好的成膜特性，且三层之间不发生任何反应，能有机的结合到一起。在 指定工作波长下的传输损耗要小。为了达到较高的带宽，三层聚合物材料组成波 导的等效折射率需与电极微波等效折射率相匹配，以实现高速调制。 _ n _ 图2 - 2 i p c e 分子式 本论文中波导芯层材料使用的是前文所述主客掺杂型电光聚合物，主体材料 1 0 第一二章有机聚合物电光调制器理论分析 采用提纯后的聚砜( p o l y s u l f o n e ) ，生色团分子为康宁公司合成的i p c e ，其分子 式如图2 2 所示。工作波长为1 5 5 m 时，其折射率为1 6 7 。实验证明，这种芯层 材料无论是在传输损耗、电光系数、材料可靠性与稳定性以及与微波相速匹配方 面，都能满足器件制备要求。 2 2 3 电光调制器性能指标 有机聚合物电光调制器，主要从以下几方面综合考察其性能：调制带宽、半 波电压、插入损耗。 调制带宽是衡量调制器携带信息量大小的一项指标。对于电光强度调制器， 其调制宽度为： ( 2 5 ) 其中，c 为真空中光速，l 为微波电极互作用区的长度，n m 为微波等效折射率， l 为光波有效折射率，由式( 2 5 ) 可以看出，光波与微波折射率越接近，即实现微 波与光波的相速匹配，其调制带宽越大【1 4 】。 半波电压定义为让波导中的两束光产生7 c 的相差时所需的电压值，可通过下 式求得： k 2 磊2 g 万 2 - 6 ) 刀：儿3 l l 其中，旯为光波波长，g 为行波电极的间距，刀。为介质等效折射率，苁，为材料电 光系数大小，l 为互作用区长度，r 为电光重叠积分因子。从式( 2 6 ) 可以看出，材 料电光系数的大小的提高，是有效降低器件半波电压的途径之一。 插入损耗定义为调制器的输入光功率与输出光功率( 单位：d b m ) 的差值。 制备出器件的插入损耗主要由耦合损耗、波导损耗、电极损耗等构成。其中，波 导损耗又包括材料损耗、波导结构引起的损耗等。 南 三儿 电子科技大学硕士学位论文 第三章有机聚合物电光调制器波导与电极设计 光波导与电极系统是有机聚合物电光调制器的关键部分，合理的波导与电极 结构，能有效提高调制器的性能。因此，在制备电光调制器前，有必要对波导以 及电极结构进行设计模拟，以获得符合条件的结构参数。本文中制备的有机聚合 物电光调制器中波导采用m z 型、电极采用微带转共面的结构。本章根据实验室 调制器制备材料特性与现有工艺条件，对光波导与电极结构进行理论分析及仿真 优化，分别确定了波导与电极的各个尺寸参数，并按此加工掩膜版。 3 1 光波导设计优化 光波导结构的设计主要考虑如何实现低损耗的单模传输，减小光波导与光纤 耦合中的模场失配，并保证外加电场能有效的作用于光波导之上。 图3 - im - z 波导结构 实验室m z 波导制备采用旋涂加反应离子束蚀刻工艺，一般流程为：在硅基 片上旋涂下包层，下包层厚度通过转速与溶液浓度共同决定，旋涂好的下包层经 紫外固化、烘烤进行坚膜处理，光刻出须刻蚀的波导图形；对其进行反应离子束 蚀刻工艺，刻出脊型槽；将配制好的芯层材料旋涂于下包层之上，经烘烤后，旋 涂上包层材料，由此制备出的波导为三维反脊形结构。与传统脊型波导制备工艺 相比，反脊形波导的制备，光刻工艺及反应离子束蚀刻等都是在下包层上制备， 能有效防止制备过程中的有机溶剂、光刻胶及反应离子束蚀刻工艺中的气体等对 芯层材料的损伤，使之制备出的波导在性能上更加优越，且在考虑成本因素上， 1 2 第三章有机聚合物电光调制器波导与电极设计 本论文中所用芯层材料昂贵，反脊形波导的制备仅需对配备好的芯层材料作旋涂 处理，无过多工艺要求，可避免因工艺不当造成的浪费。m z 光波导平面结构如 图3 1 所示，为了获得良好的传输性能，本文仿真确定了满足传输损耗最小时的脊 宽及分支角等参数。 3 1 1 波导设计基本理论 实验室制备出的反脊形波导截面图如图3 2 所示，利用有效折射率法将其简化 为二维平板波导结构，便于分析波导导模特性且简化计算型1 5 棚】。 z 扎 图3 2 反脊形波导及其等效平板波导 三层平板波导中，考虑其中的t m 模、t e 模，由麦克斯韦方程【2 0 2 1 1 可推导出 t e 模、t m 模本征方程分别为： 其中： 俨一( ，y i ， + a 、r e t 锄渺州叫2 ) t e p ， 以矽= a r c t a n ( 等薏) + 删a n ( 菩尝) + g 刀g = c 。 2 ，t m uu 乃= 厢 2 2 = 瓜 y 产k o 丘忑 专 ( 3 - 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 求解本征方程，可得到波导工作于t m 模、t e 模式下的有效折射率疗胛。在 图3 2 的三维反脊形波导中，f l 了( 3 - 2 ) 式可先求得l 、n e f f 2 、n e f f 3 ，其中n e # - i = 3 。 将求得的有效折射率7 谤，、n e f f ：、，替代式( 3 - 1 ) 中，l l 、n 3 可求得最终有效折 射率以胛。本论文中对m z 光波导的分析采用有限差分束传播法，有限差分束传播 法是较早提出的一种数值方法，能够快速、高效的计算出光波导的传输特性，且 精度较高、计算量较小，能有效的分析本文中m z 波导结构与传输损耗的关系， 是至今仍然使用的分析波导结构的一种算法。聚合物电光调制器制各过程及调制 电压加载方向均为y 方向，为了保证调制效果，光波电场方向与之一致为y 方向， 垂直于光波传播方向，既在反脊形波导中传播光束须工作于t m 模式；相应于图 3 2 中的等效平板波导中的光波工作于t e 模式，t e 模满足方程e 。= 巨= h ，= 0 ， 目 且：一卫e ，皿：上_ o e y ( 3 - 3 ) p o ?p no x 因此，只需求出e ，即可得出光波的传输特性。 由麦克斯韦方程： 其中，j = o ，p 2 0 ，得e 满足方程： 式中e 可近似为： v 一e ：一一o b o t v x h ：一j + 一o d 西 v d = p v 一b ：0 ( 3 4 ) 等+ 等+ 等+ 碌q = 。 p 5 ， e ( x ，y ，z ) = 伊( x ，y ，z ) e x p ( 一j f l z ) ( 3 - 6 ) 其中为z 方向上的传播常数，其值为9 - - - - k o n e f f ，为真空中波失数，将式( 3 6 ) 代 1 4 第三章有机聚合物电光调制器波导与电极设计 入式( 3 - 5 ) 可得： 2 警一窘= 筹硝g 一磅) ( 3 - 7 ) 上式中，当不考虑a 2 矽瑟2 影响时，方程可变为： 2 警= 警+ 露( 一劭2 ) 解该偏微分方程，首先将其离散化，设： x = p a x z = i a z 相应表达式按如下方式表示： 矽( x ，z ) 专砟 ( x ，z ) 专一( p ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 将方程( 3 8 ) 依次在x 方向与z 方向上离散化，可得t e 模的差分方程表达式： 一站+ 兰娑一碍 ，+ t ( p ) 一2j 1 j “+ 1 一口了- 缁一瞄 z 一 。 = 以+ 。+ i i 一。+ + 警+ 留 7 ( p ) 一，砀2j j i ( 3 - 1 1 ) 可令： 彳( p ) = 一口? 1 聊) = 一1 + 警一鬈【q m ( 小略 ( 3 - 1 2 ) c ( p ) = 一口：+ 1 d ( p ) ： 彰+ 4 j _ _ ，_ p p + 砖 。，( p ) 一，l 】) 杉+ 口。i i 一。十i i + 。 屹 一 电子科技大学硕士学位论文 t e 模差分方程可简化表示为： 彳( p ) 群：+ b ( p ) 矽1 + c ( p ) 碰：= d ( p ) ( 3 - 13 ) 对于此类波导器件场分布的计算机模拟，人们常用两类边界条件，吸收边界条件 与透明边界条件。吸收边界条件，须在计算窗口中设定吸收区，确定吸收系数等， 而且随着模拟波导结构的变化，吸收区须重新定义，由此造成很大的工作量，比 较繁琐。透明边界条件，无需考虑波导结构的影响，在计算中，选取足够大的计 算窗口，近似认为，光场在窗口处不发生反射，这与实际场的传输类似，可看为 继续向下个节点传播，这样易与上述差分变换相结合，模拟出场的传播特性。 在透明边界条件下，以x 轴上左向传播