（光学工程专业论文）新型聚合物波导微环谐振器设计与制作.pdf

大连理工大学硕士学位论文 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。 研究了新型有机无机杂化聚合物光子材料p s q l s ( 液态p s q ) 的成膜工艺，讨论了 引发剂含量对材料性能和薄膜质量的影响，获得了质量优良的薄膜，并测量了它们的基 本光学特性。同时研究了p s q b 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，讨论了p s q b 折射率的调控方法，结果表明p s q b 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，设计了多种倒脊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、耦合长度及耦 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。 分析了s o i 结构和全聚合物结构光波导微环谐振器的工作波长与温度的变化关系， 利用p s q b 具有较大的热光系数的优点，对以上两种结构的微环谐振器进行了无热化 的分析与设计，结果表明对于s o i 结构通过旋涂p s q l s 上包层和对于全聚合物结构通 过更换大热膨胀系数的衬底均可以实现良好的无热化效果。 介绍了传统光学刻蚀、纳米模压及沟槽填充三种不同制作微环谐振器的方法。并采 用这三种工艺初步摸索波导微环谐振器的制作工艺。选择了具有特殊结构的光纤，初步 搭建了波导测试系统，对条形直波导进行了初步测试。 关键词：微环谐振器；p s q ；无热化波导；聚合物；纳米压印 新型聚合物波导微环谐振器设计与制作 d e s i g na n df a b r i c a t i o no fn o v e lp 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 s a b s t r a c t t h e胁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 e 锄dc o u p l e d m o d et h e o r y ns h o w st h a tt h et r a n s m i s s i o ns p e c t n l mo fm i c r o r i n g 陀s o n a t o rd 印e n d sm u c hm o r e0 nt 、oi m p o n a l l tf a c t o r s ，i e t h ec o u p l i l l ge f f i c i e n t ，觚dr o u n d t r i pl o s s ，s e v e m ls t n l c t u r e so ft h em i c r o r i n gr e s o n a t o ra u r ea l s oi n t r o d u c e d ，趾dt l l e s co 彘r a t h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i 印o fm i c r o 渤gr e s o n a t o r n e1 e i l mp r 印a r a t i o no fp o l y m e rp 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 ；n e 硼u e n c eo f t h er a t i oo fs o l i c i t a t i o ns o l v e m t0 nf i l i i lq u a l i t yi sa n a l y z e d ，a9 0 0 dw a v e g u i d ef i h l li so b t a i n e d a i l dt h eo p t j c a lp r o p e r t i e sa r em e a s u r e d 1 1 l ec u 血gp r o c e s so fp s q bi s i n v e s t i g a t e d 锄p h a t i c a l l y ，b ) fo p t i m i z i i l gt h ec u r i l l gc 0 n d i t i o n t 1 l ep s q bc 0 u l dh a v eal o wo p t i c a l1 0 s s ； t 1 l em e t h o do ft u n i n gt l l er e f r a c t i v ei n d e xi sa l s oi 】吖e s t i g a t e d ；a n di ts h o w st h a tt l l ep s q - i si s ap 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 i l lt h j sp a p e rt h ep o l y m e rm i c r o 抽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 i sd e s i 印e d t h ed c s i g ni i l c l u d c ! sd i 饿r e n tk i n d s0 fb u r i e dm i r c o r i n g r e s o n a t o ra n ds o m et e s t i n gs t n l c t u r e s b y0 p t i m i z i i l gt h ew a v e g u i d ew i d t h ，t h em d i u so ft h er i n g ，t h eg a pa n dt h ec 0 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 l lt 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 i l c t i o nm t i oc o u l d b eo b t a i n e d ，n l ei d e ab e 妇l dd e s i 印柚dl a y o u to ft h ed e s i 萨e dm a s l 【a r e 百v e n ，勰dt h em a s l 【 h a sb e e nf a b r i c a t e d t 1 l ec e n t r a lw a v e l e n 舀ho fm i c r o r i n gr e s o n a t o r sb a s e do ns o i锄da l lp o l y m e r c o n f i g l l r a t i o nv e r s u st e m p e r a t u r ei s 趾a l y z e d u s i n gt h el a 唱et h e m a l0 p t i c a lc o e 髓c i e n c y0 f p s q - l s ，a t h e m a lm i c r o 曲gr e s o n a t o r sb a s e d0 ns o i 蛆da l lp o l y m e rc o 以g i l r a t i o na r e 觚a l y z e d 勰dd e s i 弘i ti ss h 0 、釉t h a tr e & 0 n a j l tp e a l ( ss h i f tw i t ht e m p e r a t u r ei ss e l d o mf o u d f o rs o im i c r 0 血gr e s o n a t o r sw i t hp s q l so v e r - d a d d i n ga n da l lp o l y m e rm i c r o r i 】略 r e s o n a t o r sw i t hab i gc 0 e f f i c i e n t0 ft h e 衄a le x p a n s i o ns u b s t r a t e c o n v e n t i o n a lp h o t o l i t h o g o r a p h y ，n a i l o i m p r i n t卸dt e m p l a t ef i l l i n gm e t h o d su s e dt 0 f a b r i c a t ew a v e g u i d e sa r ei l l t r o d u c e d i l l 也ep a p e rn 锄0 i m p r i n ta l l dt e m p l a t ef i l l i l l gf i x e dw i t h p h o t 0 1 i t h 0 9 0 r a p h ya r eu s e d ，m e 柚w h j l et h ep r o c e d u r eo ff a b r i c a t i o nf o rp o l y m e rw a v e g u i d e m i c r o r i i l gr e s o n a t o r si se x p l o r e de l 锄e n t a r i l y f i n a l l yas y s t 锄u s e dt 0m e a s u r et h em i c r o r i n g r e s o n a t o r si se s t a b l i s h e dw i t hl e n s e df i b e r s k 积w o r d s ：m i c r 0 咖gr e s o n a t o r ；p s q ；a t h e m a lw a v e 鲥d e ；p o l 舯e r ；n a n o 啦廊t d a l i 柚u n i v e r s i t y0 ft e c l l n o l o g y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文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：亟丝! 查塾日期：殳堑：垒 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。， 作者签名：薹 皇! 叁多 导 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 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。 自1 9 6 9 年m a r c a t i l i 等人提出了光微环谐振器的概念与结构以后1 1 】，很长一段时间 里，这一研究领域并没有引起人们太多的关注。直到最近几年，由于对性能更好价格更 低廉的新型光纤通信器件迫切需求，以及波导制作技术和平面工艺水平的不断提高，在 这种情况下这种基于平面波导技术的环形谐振器才受到人们更多的关注和研究。微环谐 振器以其优异的滤波性能、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 三。二 ( 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 1g e o m e 时o f t 、) l ，0t y p em i c r 0 血gr e s o n a t o r s ( a ) w i t l lt w ob u sw a v e g u i d e ；( b ) w i t ho n eb u s w a v e g u i d e 基于平面波导技术的光微环谐振器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用于设计制作激光 新型聚合物波导微环谐振器设计与制作 稳频和调频器，光波导分插复用器，生物化学传感器，调制器，光开关，光延时线，色 散补偿器等。 1 1 1 激光稳频和调频器 在微环结构中，环形波导实现着阿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。c y i j u 等人在2 0 0 5 年采用脊型波导分别对f p 腔和微环两 种结构的激光器进行了比较和研列2 1 ，见图1 2 所示。对于前者随着阈值电流的增加， 这种结构的激光器显示出模间竞争的特性，而后则表现出模式共存的特点。 曩翟翮h7 摹1 i 一1 嗣 c u r 棚m 协 图1 2l n g a a s g a a 5 条形和圆环形激光器的p 1 特性左侧插图是条形和圆环形激光器光学显微镜 图右侧插图( a ) 和( b ) 为不同输入电流下条形和圆环形激光器的脉冲谱和连续谱 f 远1 2 p - ic h a r a c t e r i s t i c so fh g a 枷a a s s t r i p el a s e r 姐dc i r c u l a r 血gl 丛e r n ei n s e t ( 1 e f t ) s h o w st h e o p t i c a lm i c r o s c o p yi m a g eo fm es t r i p e 蛆dc i r c u l a rr i n gp a t t e m ( t o pv i e w ) 1 1 1 ei n s e t g h t ) ( a ) 锄d ( b ) s h o wt h er t ，c we i n i s s i o ns p e c 妇o ft h es t r i p el a s e r 瓶dc i r 叫a r 血gl a f 、) l r i t hd i f f e r e n t 蜘e c t i o nc u 玎e n t ， r e s p e c t i v e l y 对于这种微环谐振腔结构，在激光器中还有其他重要应用：改善边模抑制比、利于 实现激光器单模工作、降低发射光谱线宽、抑制频率啁啾现象等。其基本结构如图1 3 这种激光器的结构类似于d b r 激光器，只是这种结构中采用了微环谐振腔代替了布拉 格发射器【3 】o 采用这种微环谐振腔结构还可以获得输出波长可调谐的激光器。这种结构 大体相当于用两个微环谐振器取代了传统激光器中f p 腔的两个高反射端面。如图1 4 采用弯曲半径不同的双环结构不但可以实现输出波长调节1 4 j ，而且可以获得比单环结构 的可调激光器更大的调节范围，同时更容易现激光器单模工作。因为两个不同半径的微 娜 懈 瑚 符 筠 。 _。o毒基霍一客萎舯_善，o篙曩3 大连理工大学硕士学位论文 环使得整个器件的自由波普范围f s r 增加，即两个谐振腔的应用增加了激光器工作波长 的周期。 _- j 、霹蕊】m _ ，h p ：啬滗盔d 。l囤怠罄眦 、 r i n e r 七s 【) l i a t ( j 枷nf j a j l l r ? 2 【n r l 二 f h i 墨蕾挚 图1 4 ( a ) 双微环谐振器结构的激光器；( b ) 两个小| 直i 结构微环的传输谱 l ；毽1 4 ( a ) d 0 u b l er i n g 他n a t o rc o u p l e dl a s e rs t r u c t u 陀；( b 舯et 瑚s m i s s i o ns p e c t mo ft w o d 旬匿盱t 血g s 1 1 2 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 5 是垂直结构单环谐振器构成的单信道上传下载滤波器 结构示意图，该结构采用两根总线波导他l sw a v e g u i d e ) 就实现了信号的上传和下载。该 结构是各种垂直耦合微环波分复用器的结构单元。图1 6 ( 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 】，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 新型聚合物波导微环谐振器设计与制作 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损耗，环形波导层结构更 紧凑，并且具有低的弯曲损耗，图1 6 ( b ) 描绘了t e 模输出谱。s t c h u 等人1 6 】利用紫外辐 照( u v t r i 姗i n g ) 技术制成了半径为1 毗m 、f s r 为2 0 i l m 的垂直耦合环形谐振腔阵列，集 成度高达1 0 4 1 0 5 个c m 2 。 图1 5 垂直结构单环谐振器构成的单信道上传下载滤波器 f i g 1 5s i n g l ec h 锄e la d d d f o pf i l 【e r1 l s ：i n gv e n i c a j l yc o u p l e dm i c r o 咖g 佗s a t o r w a v e n g l hn m ( a )( b ) 图1 6( a ) 垂直耦合微环谐振器构成的信道上传下载滤波器 5 ；( b ) d r o p 端t e 模的滤波特性 f 培1 6 ( a e i g h t 砒锄e la d 硼) r o pf i l t c ru s i i l gv e n i c a l l yc o u p k dl n i 鼬g s a t o r s ；( b ) t e f i l t e r i n gc h 雒a c t e r i s t i ca td r o pp o n 1 1 3 生物化学传感器 生物传感器是用生物活性材料( 酶、蛋白质、助呛、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。由于其具有尺寸小、波长选择性好等优点，因此十 一4 一 10乏，o乳一1q=一o ionli仿i_choz 大连理工大学硕士学位论文 分适合于高灵敏度传感的应用，已在应力阴、超声波【剐、化学生物传感f 乳1 1 】等方面开展 了实验研究。 却训 ， 锄础 图1 7 ( a ) 谐振腔结构生物传感器结构；( b ) 谐振腔谐振曲线及谐振波长偏移曲线 f ig 1 7 ( a ) g e o m e 时o ft h eb i o s e n s o r ；( b ) n 哪n l i s s i o nc h m c t e r i s t i c 如dw a v e ：l e n g t l ls h i f t 咖v e 初风红等人采用有机无机混合溶胶2 凝胶法制作了波导环形谐振腔【9 1 ，通过探测波 导环形谐振腔透射谱谐振波长的变化，获得了环形谐振腔对甲醇、丙醇、丙酮、甲醛、 二甲苯、甲烷等挥发性化合物蒸气的敏感特性。对丙醇最敏感，灵敏度达到1 4 0 3p m 1 0 6 。 l j a yg u o 等人设计并制作了基于微环结构的生物传感器【1 0 1 。其结构如图1 7 所示。由于 谐振腔工作的中心波长对腔体材料的折射率十分敏感，腔体折射率的微小变化，都会引 起谐振腔中心波长的漂移。不同数量的生物体或化学物质落到谐振腔表面，将会引起谐 振腔中心波长不同程度的漂移，因此通过检测波长漂移量即可得知我们所感兴趣的区域 的生物体或化学物质的浓度。同时对于一个给定的波长，这种折射率的变化也会影响输 出端光强度，这一变化甚至更加灵敏，因此我们也可以通过检测谐振腔中心波长在输出 端的光强度来表征我们所感兴趣的区域的生物体或化学物质的浓度。如果外界环境的变 化能够引起谐振腔材料有效折射率变化大于l o 一，那么采用高q 值的微环谐振腔传感器对 这样的环境进行检测是可行的1 1 2 】。 1 1 4 光开关 d w d m 技术为数据网络的迅速发展提供了巨大的带宽资源，同时全光网络中的网 络路由及保护功能需要在全光域完成，这就使光开关在未来光通信中的应用成为最热 点的问题。光开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换，它是完成全光交换的核 心器件，光开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点【1 3 ，1 4 】。光开关的作用有3 类：1 ) 将某一光纤通道的光信号切断或开通：2 ) 将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光 纤通道：3 ) 在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号。 新型聚合物波导微环谐振器设计与制作 目前普遍采用的非对称马赫一增德尔( m z ) 干涉仪型光开关的闽值功率大多超过 1 0 0 w i l 5 】，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 与非线性介质作用的次数，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。 这种基于微环谐振腔的光开关具有较低的闽值功率和较快的响应速度。甚至摆脱外加的 机电装置。同时改变谐振腔芯层和包层材料的折射率差，可以实现光路的通断，从而达 到光开关的目的。w c a o 等人利用b c b 材料制作了全光开判姗，实现频域内2 p m 的响应速 度。贼x i nc h e n 等人设计制作了垂直结构的聚合物光开判坍，其结构如图1 8 所示，这 种垂直的三维结梅可以使谐振腔和直波导之间具有不同的折射率，还避免了刻蚀输入输 出波导与环形谐振腔之间较小的耦合间隔，降低了制作工艺，同时电加热源可以直接沉 积在上层波导的顶部，而不需要像二维结构那样将电加热源沉积在波导的一侧一定偏移 处，因此三维结梅需要更低的电功率。 图1 8k a i x i nc h e n 等人设计制作的宽带光开关结构 f i g 1 8c o n 丘g i l 】俩o n0 f 血cb r o a d b 趾d0 p t i c a _ ls w i t c hd e s i g h e d 孤df a 喇c a t e d b yb b 【i nc h e n 1 1 5 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。环形谐振腔构 成的光延时线( 如图1 9 ) 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，而且可以科用级联不同数量的环产生不同的时间延迟量，n 个 环级联产生的时延量为【1 8 】： “2 善面习 o - 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 其中t n 为绕环一周的时间延迟，可以通过调节各个耦合器的分束比，对时延量进行动态 调节。c g h r o e l o 舷e n 等人采用图1 9 所示结构，每一个谐振腔获得0 1 2 n s 的延时【1 9 1 。 、t 啪b i ep q 嘲针岬k n ge 咖朗t 图1 9 三个环形谐振腔构成的光延时线结构示意卧1 明 f i g 1 9c 0 n f i g t i n t i o no ft i n l ed e l a yb 器e do nt h i i n i c r o r i n g 他s 0 n a t 哪 ! 1 6 色散补偿器 图1 1 0 级联微环谐振腔色散补偿器 f i g 1 1 0m 劬【i p l e - s 切g ed i s p e 珞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 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 1 0 ) 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【2 0 】利用级联微环谐振器设计出色散量4 2 0 0 p s m n 、时延波动5 p s 、损耗 具有较高热稳定性。本章重点研究新型 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。 第四、五章为基于p s q 的微环谐振器设计，设计了数种倒脊型结构微环谐振器和 测试波导，并设计和制作出了掩模版。同时又分析了基于p s q 材料上包层的s o i 结构 和全聚合物结构两种波导微环谐振器无热化的实现方法。 第六章分析了波导微环谐振器的制作工艺，并初步成功制备部分器件结构，并对直 波导进行了初步的性能测试。 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 蟾2 1 s c h e m a t i c0 fam i c r o r i n gr e s o n a t o r 典型的微环谐振器结构如图2 1 所示，它由两条直波导( 或称b u s 波导) 和一个环 形波导组成，其中直波导构成微环谐振器的四个输入输出端口，即h l p u t 端、n 啪u g l l 端、d f o p 端和a d d 端，而环形波导是产生光谐振的单元。运用光波导理论，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：光从却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 端口，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 的相位差为幼的整数倍，则在第一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，n 0 u 曲端光功率减小，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h l p u t 端输入的光功率 将全部从d r o p 端输出，而m o u 曲端功率流为零。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，下面采用波导理论，推导出微环传输特性理 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。结合耦合模理论，我 们采用矩阵分析的方法【删，在微环谐振器耦合区有： 新型聚合物波导微环谐振器设计与制作 阶( 上删剐 = 限徽) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中口。，口：，口，口。，6 。，6 ：，6 ，6 。为归一化波导模式场振幅，它们的平方即为模式光功率， 七。，七：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： 蚶+ 盯- 1 ( 2 3 ) 吲2 + 讲- 1 ( 2 4 ) 假设光在环形波导中传输的振幅损耗系数为 ，相位传输常量为卢，在两个耦合器 之间的传播距离为乙则场振幅满足下面盼关系： 6 3 ；e 。( ，“卢) 工6 2 ( 2 5 ) 口2 ；e 一( ，螂弘口3 ( 2 6 ) 从以上六式可以得到： ”筘4 。 ( 2 7 ) 口。五蒜了而4 - 恤7 ，l 钆一桀口， ( 2 8 由( 7 ) 、( 8 式就可得到微环谐振器功率传输函数： i d l 2 = 肾两丽畿 9 ， 防i ：。断；丛兰业坦坚丝型笔鐾 ( 2 1 0 ) 。 i 口- l 1 2 口 。肛：i c o s ( 放。咒酊死r ) + 口2 i 。1 2 ：1 2 式中口一已- 2 庳一e 7 掀为一周振幅损耗因子，七。为自由空间波数，以万为环形波导中模式 有效折射率。 从前面式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 可以看出某一波长的光能否发生谐振，主要由 c o s ( 2 非) 项决定。当该项满足条件： 大连理工大学硕士学位论文 七。甩研揪一优劢 ( 2 1 1 ) 则这一波长的光波能够在环形谐振器中发生谐振。从而谐振波长为： 九= 行盯獬m ( 2 1 2 ) 式中m 为任意整数。 由( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 式还可以得到如下结论：微环谐振器的工作特性，即其输出 曲线的形状将由耦合系数七2 和周损耗因子口决定。 2 2 微环谐振器性能参数 对于微环谐振器，评价其性能的还有其他参数，包括：自由光谱范围f s r ，谐振峰 半高全宽，精细度( f i n e s s e ，f ) ，品质因子q ，消光比等。 自由光谱范围是微环谐振腔的另一个重要参数，它直接决定了谐振腔的使用性。因 为作为滤波器，在系统总带宽一定的前提下，它直接影响滤波效果。 自由光谱范围f s r 指的是两相邻谐振波长之差，由( 2 1 2 ) 式： m + 1 - 以酊( 九+ ，) 揪丸+ 1 ，历一以万( 九) 揪九 ( 2 1 3 ) 于是得到： 牌。九+ 。一九= 矛拥擘r ( 2 1 4 ) 以譬。以酊一a 穹 为有效群折射率。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，人们普遍 采用多环级联的方法来提高f s r 【6 1 】。 微环谐振器的谐振峰半高全宽( f u l lb 锄d w i d t ha th a l f - m 觚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。 微环谐振器半高全宽为： 南。制 汜 我们希望半高全宽越窄越好，这样有利于通信系统中信号数据的传输距离。同时也 可以采用半高全宽来评价滤波曲线线型的好坏。可以采用相应于1 d b 、3 d b 、1 0 d b 处的 半高全宽相比较，比值越接近于1 说明滤波曲线越理想。多环平行级联的方法除可以提 高f s r 外，还可以优化滤波曲线线型6 2 1 。 新型聚合物波导微环谐振器设计与制作 2 3 耦合及损耗影响 耦合是微环谐振器最为重要的一个参数之一，半高全宽、精细度、q 园子、消光比 与之都有直接的关系。耦合系数的选取直接决定了微环谐振器的性能，因此在设计微环 谐振器时，如何选择耦合系数成为最关键的一步。一般耦合又分为对称耦合和非对称耦 合。我们主要讨论对称耦合的情况。图2 2 给出了一定损耗值下，耦合系数对微环谐振 器输出谱线的影响。可以看出，随着耦合增大，谐振点| d 2 增大，留f 2 减小。d r o p 端消 光比随耦合增大而减小；同理，m o u g h 端消光比随着耦合增大而增大。 图2 2 不同耦合效率下的微环谐振器传输特性 f 蟾2 2 t r 她s i l l i 豁i o nc h a m c t e r i s t i c so fm i c r 0 血g 豫舱t o rw i md i 毹r e n tc o u p l i n gr a t i o 为了考察损耗的影响，我们作出七2 为0 2 时不同周功率损耗因子下的微环谐振器传 输曲线，如图2 3 所示，可以看出：耦合不变的条件下，随着损耗的减小，谐振点| d r 、 圳2 和皿哟u g i l 、d r o p 端消光比增大，3 d b 带宽减小，3 d b 带宽减小则f 和q 值增大。 从图2 3 中还可以发现的一点是，1 1 o u g h 端消光比对损耗的变化很敏感，尤其当损耗 较小时。而且随着损耗的减小，d r o p 端谐振点输出功率会明显增强。因此在进行波导微 环谐振器设计过程中，我们需要平衡考量d r o p 端谐振点输出功率和消光比两个参数， 使器件的性能能达到最优化的效果。在设计过长中损耗是必须进行优化的，而且以损耗 值越小越优。损耗对微环谐振器的影响较容易理解，因为损耗的增大总是会降低器件的 性能的。在在后面微环设计章节中，我们将进一步分析和讨论几种主要损耗的产生、影 响和优化。 大连理工大学硕士学位论文 笥 已 爱 薹 缮 髻 图2 3 不同周功率损耗因子下的微环谐振器传输特性 f 螗2 3t m s 血s s i o nc h a r a c t e r i s 血o fi i l i c r 0 血gr e n a t o r 谢t hd i f f e r e n tr o u n d 蜘砸l o 豁 一1 7 新型聚合物波导微环谐振器设计与制作 3 液态聚合物p s q 性能及成膜分析 本文所采用的这种p s q 材料为本科研小组自制的一种液态材料，本章对液态p s q 材 料的合成、成膜以及光学特性进行了系统的研究，结果表明p s q 是一种具有良好应用前 景的光子学材料。 3 1 液态p s 0 合成 聚倍半硅氧烷系聚合物材料的基本组成是由s i o 键构成主链，侧链是与硅原子相 连的各种有机基团，因此，分子链结构中既含有“有机基团”，又含有“无机骨架”， 兼具有机聚合物和无机材料的特性，具有硬度高、热稳定性好、透明均一等优点，是一 类性能优良的光子材料。我们课题组对聚倍半硅氧烷系的光子材料进行了初步研究，合 成了一类新型的低聚倍半硅氧烷聚合物光子材料p s q ，合成的p s q 存在形态为液态( 称 为p s q b 。它由两种单体经过一系列工艺而合成。经实验和测试表明这种材料是制作 波导及器件的优良材料。其合成工艺简单易行，如图3 1 所示。 h 2 0 ， f _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ - 2 5 。c r z 雕m e 图3 1 基于溶胶凝胶工艺的p s q _ l s 的合成路线图 f i g e3 1s y n t h e t i cr o l i t eo fp s q - l sb a s eo ns 0 1 g e lp r o c e s s 3 2 薄膜制备工艺 薄膜的制各是对p s q 材料进行后序性能测试、波导及波导微环谐振器制作的基础。 聚合物材料薄膜的好坏直接决定了我们所设计的器件的性能。薄膜的制备和光学性能测 试分析是获得优良的波导器件的前提。 。沁佣 了汁、q，言 卜卜咖 旷 大连理工大学硕士学位论文 3 2 1 成膜前材料处理 液态p s q 的成膜工艺相对比较简单。因为它不需要溶剂，这就克服了溶剂吸水或 挥发等不利因素导致材料性能退化的缺点。 对于光固化工艺，在开始涂膜前，须向溶液中加入少量光引发剂p i 1 8 4 。引发剂的 量视材料的分子量而定。沟槽填充的方法制备波导的工艺，要求这种倒脊型波导的残留 层控制在1 劫m ( 后续章节中将详细介绍残留层的概念和影响) ，这就要求p s q 材料具 有较低的粘稠度，即材料的分子量较小，否则残留层比较厚，无法达到要求。对相同的 薄膜而言，材料分子量小，则封端比较多，相应的要求引发剂的量比较大。为了能够达 到比较好的封端与固化效果，一般将引发剂的量控制在1 1 0 的范围内。为了加速引 发剂p i 1 8 4 溶于p s q 的过程，一般我们手动摇动来加速溶解。然而这一过程会导致溶 液中产生气泡，这些气泡对后期的成膜及固化影响比较严重，在固化过程中将导致膜表 面变花，大大降低了膜表面的平整度和均匀性，使得这些膜无法用来制作波导。因此在 p s q 溶解了引发剂之后，我们采用抽真空结合水浴加热的方法来除掉气泡。这样做还有 另一个优点是可以更彻底地除去溶液中的残留的少量水和乙醇的杂质。然后对溶液进行 过滤，因为波导结构都是在几个微米量级的，材料和引发剂中的杂质颗粒甚至制备过程 中引入的灰尘都足以破坏波导的性能。同时，颗粒杂质的存在会导致热固化时受热不均 匀，而影响薄膜的最终质量，因此在成膜之前必须先进行过滤。我们采用0 2 劾m 的滤 纸进行两次过滤的方法来去除杂质颗粒。同时抽虑瓶的另一端采用抽真空的方法来加速 过滤。 3 2 2 衬底处理 聚合物材料薄膜一般以硅或者二氧化硅片作为衬底，在成膜前需要对衬底表面进行 清洗处理。半导体硅片的制造首先是用活泼的金属还原二氧化硅制得高纯度的多晶硅单 质，然后把得到的多晶硅单质加热到熔化状态，引入单晶硅晶种，是单质在晶种表面缓 慢结晶长大，形成单晶硅固体，然后把得到的单晶硅切成薄圆片( 一般硅片厚度是5 0 0 微米) 。为了去处硅片表面的划道以及表面缺陷已得到表面平整光洁的硅片要进行研磨， 抛光处理。抛光液是三氧化二铬细粉起研磨作用，重铬酸钾氧化剂能够腐蚀去处硅片表 面的损伤层，并把表面抛光。在抛光过程中，切削碎屑，研磨碎屑，磨料的粉末，尘埃 以及光洁剂粉末，乳化蜡都会不同程度的污染硅片，必须加以清除。硅片表面的污染物 通常以原子、离子、分子、粒子或膜的形式以物理吸附或者化学吸附的方式存在于硅片 自身的氧化膜中。 我们采用简化的湿法化学清洗方法，结合溶液浸泡法、机械擦洗法和超声波清洗法 新型聚合物波导微环谐振器设计与制作 三种技术。具体操作步骤如下： 1 、丙酮溶液浸泡+ 超声波振动，主要用有机溶剂去除硅片表面的有机污染物。在3 0 左 右的温度下，在超声波中振2 0 3 0 分钟，再用医用脱脂棉反复轻轻擦拭表面，借助 物理力除去表面微尘和有机物。 2 、酒精溶液浸泡，主要用于进一步溶掉残存有机污染物和为冲洗掉的丙酮。在6 0 7 0 度下浸泡1 0 分钟左右，用超声波或擦拭的方法加速溶解。 3 、氨水+ 双氧水( 1 ：1 ) ，主要用于微粒子的清除。利用氨水的弱碱性来活化硅晶圆表 层，将附着于表面的微粒去除。此为氨水还有很强的化合力和络合作用，也可以去 除部分金属离子。混合液在7 8 0 度下，进行1 0 2 0 分钟的浸泡，并伴随超声波振 动。 4 、浓硫酸+ 双氧水( 3 ：1 ，主要用于有机污的去除，利用浓硫酸的强氧化性来破坏 有机物中的碳氢键合。混合液在1 3 0 度下浸泡1 0 2 0 分钟，并伴随超声波振动。 以上每一步之后都要用去离子水冲洗干净，再烘干；最后一步用去离子水冲洗干净 之后，用高压氮气吹干。以防止烘干的过程中在衬底表面产生水痕。 3 2 3 旋涂成膜 用硅片准直工具将衬底硅片对称地放置于甩膜仪上，对2 英寸硅片滴掖量为 0 6 1 m l 。实验过程中，溶液要滴在硅片的中心部位，这样保证获得的薄膜均匀被旋涂 在衬底上，防止在高速旋涂下，衬底边缘部位没有溶液材料。设置旋涂参数后进行旋涂， 具体为：第一步以加速度8 卸m s 加速至吐5 0 0 甲m ，运行时间3 0 s ，以使溶液涂满整个硅片； 5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 3 0 0 0 s p n 憎t e l t i m e ：3 0 s ) 图3 2 薄膜厚度随转速变化曲线 f 培3 2 f m nt h i c l c n e 鼹v c r ：s u ss p i ns p e e d 坦 8 6 4 2 e暑嚣善一plle一正 大连理工大学硕士学位论文 第二步以8 5 0 印m s 的加速度加速到最终速度( 1 0 0 0 一6 0 0 0 i p m ) ，运行1 m i n 。第一步要求 转速和加速度都比较低，具体值要视材料的粘稠度而定。该步主要起到在衬底上将溶液 摊匀的作用。第二步是控制薄膜厚度的关键一步，在运行时间足够长的条件下，加速度 和最终速度值直接影响膜厚。图3 2 给定了我们所选定的两种不同折射率材料的膜厚与 旋涂速度间的关系。膜厚随时间大致呈指数关系。 3 2 4 薄膜固化 卜p 图3 3 紫外或热合成固化工艺 f i g 3 3c u 血gp r o c e s so f 脚t h a c r y l i cg r o u p su p o nu ve x 】妒s 哦o rh e a t 加