（光学专业论文）有机聚合物波导全光调制及其非线性研究.pdf

摘要 i 有机聚合物波导全光调制及其非线性研究 摘 要 随着全光网络的高速发展，全光调制以及全光开关作为重要的光电 子与集成光学器件，引起了人们极大的兴趣。由此，对于高性能材料的 研究越来越热门，其中，有机聚合物材料具有响应快、损伤阈值高、价 格低廉、容易合成和裁剪、 可以在各种衬底上制备器件以及可以垂直 集成等优点，因此对于有机聚合物光学特性的研究具有现实意义。 本文研究的有机聚合物材料是掺有蒽醌结构染料(1,4-二氨基-2,3- 二苯氧基-蒽醌)的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma),简称为(an7/pmma),其分子 结构决定它具有明显的三阶非线性光学效应。我们利用改进的双波长棱 镜-波导耦合系统，通过有机聚合物材料的热光效应与三阶非线性光学 效应实现波导的调制。利用 m 线光谱学，由测得的两个导模模式，计算 出 an7/pmma 波导的线性折射率为 1.52,膜厚为1.3 m,热光系数为 4 3.8 10/ c ，响应时间约为 20 ms。在泵浦脉冲光作用下，其三阶非线 性光学系数 (3) 为 7 6.21 10 esu ，显示出良好的非线性特性。 关键词：有机聚合物薄膜，棱镜耦合，m-线光谱学，热光效应， 三阶非线性光学效应，pmma 摘要 ii study on all-optical light modulation and the third non-linear optical properties in the organic polymer waveguide abstract along with the rapid development of all-optical network, all-optical modulation and all-optical switch have attracted great interest. and its more and more important to develop suitable materials. due to the advantages of fast response, synthesis, coating film and the variable molecular structure, the organic polymer could be widely used in the photonics and integrated optics in the future. an all-optical light modulation scheme based on improved prism-waveguide coupling method is developed in this thesis. due to the thermo-optic effect or optical kerr effect of 1, 4-diamino-2, 3-diphenoxy-anthraquinone organic dye-doped polymethyl- methacrylate films, the intensity of the probe light is modulated by the intensity of the pump light and the response time is about 20 ms. from the synchronous angle of the two guided mode tm0 and tm1, the linear refractive index can be calculated to be 1.52 and the thickness of the film is1.3 m. the thermo-optic coefficient is measured to be 4 3.8 10/ c and the third-order nonlinear optical susceptibility (3) is 7 6.21 10 esu . key words: organic polymer film, prism coupling, m-line spectroscopy, thermo-optic effect, third-order nonlinear optical effect, pmma 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：潘丹丹 日期：2007 年 1 月 10 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权上海交通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、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：潘丹丹 指导教师签名：陈险峰 日期：2007 年 1 月 10 日 日期： 2007 年 1 月 10 日 第一章 综 述 1 第一章 综 述 1.1 引言 近年来，随着全光网络的高速发展，全光调制以及全光开关作为重要的光电子 与集成光学器件，引起了人们极大的兴趣。研究的首要问题是寻找和发展稳定、响 应速度快、易加工和具有高损伤阈值的材料。与无机材料相比，有机聚合物材料不 但具有成本低廉、光学系数大、损伤阈值高、介电常数低、与现有工艺兼容、可以 在各种衬底上制备器件、垂直集成以及不需要高温处理等优点；而且人们可以根据 科研的需要，从化学上局部改变有机聚合物的分子机构，提高有机聚合物在某方面 的光学性能，这也是利用有机聚合物设计光电子器件的优势之一。因此，基于该材 料的热光效应 1、光致色变2以及三阶非线性光学效应3等的全光调制和全光开关逐 渐成为研究的热点 4，5。 聚合物光波导材料的发展，主要得益于聚合物非线性光学效应的发现，尤其是 有机聚合物制备波导形式的电光调制器和倍频器件成为原型器件的问世，使得近二 十年来更多的科学家投入此领域的研究，因而有机聚合物光学材料得到了蓬勃迅速 的发展。 1.2 有机聚合物材料的发展 1.2.1 有机聚合物光电子材料6 光电子材料是光通信的基础，它们直接影响着光电子与集成光学器件的发展。 就目前而言，常用的光电子材料有： 3 linbo 、si、iii-v 族半导体材料、 2 sio （玻 璃）、有机聚合物等，这些材料可根据其不同的优势应用在光通信的不同分支。 第一章 综 述 2 (1) 3 linbo : 3 linbo 是由来已久的波导类器件材料，以前主要利用其二次电 光效应，多应用在干涉型、相位调制型光子器件（如 m-z 干涉器、boa 开光等） 中，近年来 3 :ti er linbo 在波导激光器中也有应用。总体来说， 3 linbo 作为光子 器件材料的优点是材料成本低，工艺相对简单。但是，由于干涉型、相位调制型器 件的体积相对来说都比较大，因此其集成度具有一定的限制。另外， 3 linbo 制作工 艺与半导体工艺的兼容性、 3 linbo 与半导体光子器件的可集成性方面也较差，在半 导体光子器件占优势的今天，这无疑是个较大的缺点。linbo3和kdp为代表的氧 化物和铁电单晶类。尽管这些材料的晶体生长技术发展很快，而且它们的非线性光 学极化率尚能满足目前多数光子装置的需要，但仍存在不理想的方面。一方面这类 材料在使用时必须要制成单晶，其次是光折变的铁磁性无机材料具有光转换速度慢 的缺点。因此，需要有新的非线性光学材料来拓宽光子应用的范围。 (2) si：si作为常规半导体电子材料，也能较好地实现光子器件，但由于它是 间接带隙材料，因此主要应用于无源光子器件中。si材料应用于光子器件的另一个 重要的形式就是近几年迅速崛起的 mems 光开关阵列，虽然还有许多问题尚待解 决，但其大规模集成的前景和高消光比特性已备受人们重视。 (3) iii-v 族半导体材料：半导体及量子阱材料具有较强的三阶非线性效应， 而且易与现有的微电子器件集成，因此一直受到各国科学家的重视。其中半导体量 子点由于其显著的量子尺寸效应，成为半导体领域的研究热点之一。现已有多种 iii-v 族（如自组织成长地 inas 量子点）和 ii-vi 族化合物半导体量子点在积极研 究中。在 ii-vi 族量子点中，以化学方法制备的 cdse 量子点最为著名。然而，由 于半导体材料本身存在响应速度慢，线性和非线性吸收产生的热效应影响其性能等 缺点，导致其在有些方面的应用受到定限制。 第一章 综 述 3 (4) 2 sio （玻璃）：玻璃波导的材料与光纤几乎相同，因此芯片与光纤耦合损 耗是相当低的，这是玻璃波导材料的最大特点。另外低传输损耗，低成本也使得它 具有相当的优势。玻璃波导的不足是二次电光效应为零，这在很大程度上限制了它 在光子器件方面的广泛应用。 (5)有机聚合物：有机聚合物非线性光学研究的飞速发展，是由有机材料的一 系列特点所决定的。除了比无机晶体具有高的非光学活性、大的激光损伤阈值和超 快响应时间等特点外，有机分子结构的丰富多变性可使人们通过对其构效关系的理 解而实现分子“剪裁” （对一个特定的光学过程可很好地协调其化学结构与性质 的关系）和材料的“形态工程”，从而满足器件集成化的要求，这些特点更是无机 晶体材料难以比拟的。而且，有机聚合物材料能够同时和光纤、玻璃的折射率匹 配。这些优点决定了有机聚合物材料在两个方面的应用：第一是光子器件，有些有 机聚合物的热光系数、三阶非线性系数较大，因此在全光调制中具有很广泛的应 用；第二是光学封装(optical packaging)以及内部连接(interconnects)，这已经 成为近年来有机聚合物材料的一个重要发展。在这类材料中有机蒽醌类染料及其衍 生物结构稳定非线性系数较高具有广阔的应用前景。但是，目前有机聚合物材料也 存在一些需要解决的问题，包括热稳定性和可靠性。 通过上述的比较我们可以看出，虽然基于si的材料在应用上相对要广一些，但 是其他材料目前还是各有优势的，这也是导致目前光子集成前景不明朗的原因之 一。对于波导器件而言，由于有机聚合物具有易合成、易成膜、响应速度快，损伤 阈值高、非线性响应大、价格低廉、与现有工艺兼容、可以在各种衬底上制备器件 以及分子结构的可“剪裁”易实现性能优化这些优点，使得它成为科研上进行光电 子研究的热点。 1.2.2 有机聚合物波导全光调制的发展 有机聚合物波导全光调制是最近发展起来的研究课题。人们通过利用有机聚合 物的热光效应、电子效应等，使得加载泵浦光后的探测光光强发生变化，实现有机 第一章 综 述 4 聚合物的全光调制。在进一步优化有机聚合物的分子结构之后，使得其在全光调制 中呈现的某一方面性能得到提高，进而制造有机聚合物全光开关。这已成为人们研 究有机聚合物全光调制的思路。下面我们对实现有机聚合物全光调制的实验方法以 及计算方法做一简单回顾。 (1) 有机聚合物全光调制的实验方法 目前，在有机聚合物全光调制的研究中，人们普遍采用棱镜波导耦合装置，这 种装置能够使在衬底和覆盖层介质中的光波耦合成为光波导。 (2) 制膜方法，目前主要利用的制膜方法有： a. 铸膜法: 将成膜的溶液倒入膜具中，待溶剂挥发，即得到薄膜。该方法可 以得到较厚的膜。 b. 离子束增强沉积(ibed)法: 又称离子束辅助沉积(iad)，是一种将离子注入 及薄膜沉积两者融为一体的材料表面改性及优化新技术。通常是在衬底材 料上沉积薄膜的同时用几十电子伏特到几万电子伏特的能量的离子束进行 轰击利用沉积原子与注入离子之间的一系列物理化学作用，在衬底上面形 成具有特定性能的化合物薄膜。达到提高薄膜强度的改善性能的目的。 c. 涂布成膜法: 其工艺过程为：载体膜在开卷台开卷，通过涂布在间隙涂上 一层均匀的树脂溶液，然后进入烘箱使溶剂烘干和树脂固化。 d. 旋转涂膜法: 用微量注射器将成膜材料的浓溶液注射到成膜基片上，将基 片置于匀胶机的吸孔上，吸住基片，启动匀胶机使基片高速旋转，即可以 得到薄膜。根据需要可以选用普通玻璃片，石英玻璃片以及抛光的硅片等 作为基片。 另外，成膜的方法还有离子溅射法、拉膜法、真空蒸镀法等。 (3) 激励方式 在激励光波导方面，普遍采用的方法都是衰减全反射(attenuated total reflection, atr)技术。这种方法是通过调整棱镜波导耦合装置中棱镜表面涂布的金属膜厚 第一章 综 述 5 度，即能有效地激励金属与有机聚合物薄膜表面的等离子波，从而使大部分入射光 的能量能够耦合到表面等离子波中，而由棱镜底面的全反射光强明显地下降，形成 一个吸收峰。 7这种方法的优点在于形成的衰减全反射峰现象明显，波导损耗较 小。但是，它也存在了一个比较突出的缺点，金属以及有机聚合物成膜厚度很难控 制，成品率较低，成波导的周期比较长。 在有机聚合物全光调制的实验装置上，通常的方案是将探测光与泵浦光同时耦 合入棱镜光波导，通过探测光光强的变化，测试有机聚合物全光调制的性能。周俊 等 3报道了一种利用双波长非线性棱镜耦合法研究有机聚合物薄膜的相关光学参 量，用以此来设计全光开关，如图 1-1 所示。但是这种方案的一个明显缺点是泵浦 光和探测光很难同时耦合到波导中，很难实现波导多导模的测量。 图 1-1 双波长非线性棱镜耦合法实验装置。其中，p1, p2为偏振片；l1, l2为透镜；d 为探 测器；s1, s2为狭缝；f 是波长为 632.8nm 的滤光片。 fig. 1-1 experimental setup of the two-wavelength nonlinear prism coupling: p1, p2, polarizer; l1, l2, lenses; ds detectors; s1, s2, narrow seams; f, 632.8-nm pass filter. 第一章 综 述 6 图 1-2 用强光和弱光测量有机物薄膜三阶非线性系数装置 fig. 1-2 experimental setup of the third-order nonlinear optical susceptibility for polymer by the low intensity and high intensity laser 同时，在测量有机聚合物三阶非线性系数 ( )3 方面，e. giorgetti等 8利用表面 等离子波(surface plasmon resonance, spr)方法，分别测量得到有机聚合物波导在强 脉冲光和弱脉冲光下的同步角与反射率之间的关系，进而得到 ( )3 ，如图 1-2 所 示。这种方法原理和实验装置都比较简单，但是实验的精确度很难保证。因为在 强、弱脉冲光下波导反射率的测量是通过人为地变动同步角进行的，同步角以及反 射率的微小变化，都会引起给三阶非线性系数的测量带来极大的误差。 正是由于目前有机聚合物全光调制实验方法中的问题，使得我们需要探索激励 光波导方法简单，实验耦合方便的实验装置。 (4) 计算方法 目前，求解三阶非线性系数 ( )3 的方法主要是利用表面等离子波方法 8（即图 1-2），分别测量有机聚合物波导在强脉冲光和弱脉冲光下的同步角与反射率之间 的关系，即两个不同的 atr 衰减全反射峰，然后通过计算机拟合确定金属介电系数 的实部、虚部和厚度。 9最后根据有机聚合物薄膜的线性与非线性折射率得到它的 第一章 综 述 7 三阶非线性系数 ( )3 。这种方法的数学运算极为复杂，而且实验测量的不精确性为 数据结果带来了不可靠性。因此，这也促使人们研究一种计算三阶非线性系数 ( )3 的新方法。 1.3 本文的研究目的、内容结构安排 随着光电子与集成光学器件的不断发展，人们不断探索新型的光电子材料以满 足光通信发展的要求，有机聚合物材料光学性能的研究就显得越来越重要。高速光 通信、光信息处理要求实现光网络中的全光调制。而将有机聚合物与全光调制的结 合一直都是科研上的研究热点。 本文将在介绍一种新型的有机聚合物材料掺有蒽醌结构染料（1,4-二氨基- 2,3-二苯氧基-蒽醌）的聚甲基丙稀酸甲酯（pmma）的化学、光学性质基础上，研 究这种材料光波导的光学性质，包括热光效应、三阶非线性效应的原理、实验方法 以及计算方法等，并论述基于热光效应和三阶非线性效应的全光调制。从器件基础 研究和实现方法创新探索的角度考虑，是具有一定现实意义的。 本文内容的组织安排如下： 第二章 首先介绍平板波导的基本原理，棱镜波导耦合系统以及 m 线光谱学的相 关理论。这一部分是全文的理论基础。 第三章 介绍一种新型的有机聚合物材料掺有蒽醌结构染料（1,4-二氨基- 2,3-二苯氧基-蒽醌）的聚甲基丙稀酸甲酯（pmma）的化学、光学性质以及波导表 征，包括有机聚合物的化学结构、溶液配置、制备工艺、透射谱、吸收谱以及波导 损耗等。 第四章 首先介绍有机聚合物热光开关的种类，然后重点介绍有机聚合物波导的 热光效应实验，首先由 m 线光谱学得出了聚合物薄膜的折射率和膜厚，然后具体介 绍热光调制，包括改进的双波长耦合实验装置、实验方法以及实验结果，并通过泵 浦光对探测光光强的线性调制，得出可以利用有机聚合物薄膜的热光效应实现全光 调制。最后，我们对该有机聚合物薄膜进行光漂白实验研究，并用热板加热的方法 第一章 综 述 8 测量其热光系数。 第五章 在介绍基于光克尔效应全光开关的基础上，重点研究利用掺有蒽醌结构 染料（1,4-二氨基-2,3-二苯氧基-蒽醌）的聚甲基丙稀酸甲酯进行的三阶非线性系 数测量实验。通过改进的双波长棱镜耦合法，得到在光波导导模处光克尔效应引起 的探测光光强变化，并着重探讨在这种测量方法下计算三阶非线性系数的新方法。 第六章 对全文内容进行总结，并对今后的工作做一展望。 第一章 综 述 9 参考文献 1 罗段斌，佘卫龙，“毫秒有机聚合物薄膜全光开关”，中国激光，2004 年 1 月，第 31 卷第 1 期，9296 2 sasaki kyoichi, nagamura toshihiko, “ultrafast all-optical switch using complex refractive index changes of thin films containing photochromic dye”, applied physics letters, 1997, 71, 434-436 3 zhou jun, cao zhuangqi, chen yingli, etc, “ observation of switching phenomena in a nonether polyphenylquinoxaline planar waveguide with two-wavelength nonlinear prism coupling”, optics letters, 1997, 22, 14821484 4 杨建义，江晓清，杨方辉等，“y 分支有机聚合物热光开关的研制”，光学 学报, 2002，22，735738 5 jae-wook kang, eunkyoung kim, jang-joo kim， “all-optical switch and modulator using photochromic dye doped polymer waveguides”, optical materials, 2002, 21, 543-548 6 杨方辉，“硅基有机聚合物热光开关的研究”，浙江大学硕士学位论文，浙 江，2002 7 曹庄琪，导波光学中的转移矩阵方法，上海交通大学出版社，2000，175 8 e. giorgetti, g. margheri, s. sottini,etc, “linear and nonlinear characterization of polydchd-hs films”, synthetic metals, 2000, 115, 257-260 9 w.p.chen, j.m.chen, “use of surface plasma waves for determination of the thickness and optical constants of thin metallic films”, j. opt. soc. am., 1981, 71, 189-191 第二章 介质光波导 10 第二章 介质光波导1 2.1 概述 介质光波导是在光波导器件和集成光路中用以限制和传播光的元件，集成光学 所注重的波导往往是平面薄膜所构成的平板波导。这一方面固然是由于平板波导几 何形状简单，其导模和辐射模可以用简单的数学公式来描述，另一方面是由于平板 波导是最常用最基本的介质波导。本章将首先讨论平板波导的基本原理，然后介绍 棱镜波导耦合系统以及 m 线光谱学的相关理论。 本章始终假定导波光是相干单色光，并假定光波导是由无损耗、各向同性、非 磁性的无源介质构成。 介质平板波导的结构如图 2-1 所示，它由三层材料组成，中间一层是折射率为 1 n的波导薄膜，它淀积在折射率为 2 n的衬底上，薄膜上层是折射率为 3 n的覆盖 层。薄膜的厚度一般为微米量级，可与光波长相比较。 图 2-1 介质平板波导结构 fig. 2-1 planar optical waveguide structure 第二章 介质光波导 11 真正的波导要求 1 n必须大于 2 n和 3 n，可假定 123 nnn，如果 23 nn=，则 称为对称平板波导；如果 23 nn，则称为非对称平板波导。 2.2 平板波导的线光学模型 光在平板波导中传播的图像，是光线在薄膜衬底和薄膜覆盖层分界面上发 生全内反射，而在薄膜中沿 z 字形路径传播的图像。 2.2.1 平板波导的模式 如图 2-2 所示的非对称平板波导结构，其中薄膜的折射率为 1 n，衬底和覆盖 层材料的折射率分别为 2 n和 3 n，且设 123 nnn。薄膜衬底分界面上的全反射临 界角设为 s ，而薄膜覆盖层分界面上的全反射临界角设为 c 。显然 cs 。当 入射角逐渐增大时，存在三种不同的情况，如图 2-2 所示： (a)辐射模 (b)衬底辐射模 (c)导模 图 2-2 在平板波导中的图像 fig. 2-2 image in optical planar waveguide (a)对应于入射角较小的情况（即 cs ），从衬底一侧入射的光按照斯 奈尔定律进行折射，并穿过覆盖层从波导逸出。此时，光基本上没有受到什么限 制。相应于这一图像的电磁模式称为“辐射模”（或称“包层模”）。 (b)入射角略为增大，使 cs ，自衬底入射的光在薄膜衬底分界面上 第二章 介质光波导 12 被折射，而在薄膜覆盖层分界面上全反射，然后再发生折射，回到衬底，并最终 穿过衬底逸出波导结构。这时，光仍然没有受到什么限制。这种传播方式称为“衬 底辐射模”。 (c)当足够大时，有 cs 的光线都能在波导中 传播，并构成导模。实际上，构成导模的角只能取有限个离散值，因此，导模属 离散谱。而包层辐射模和衬底辐射模的角可取无限多个连续值，因此，辐射模属 连续模。 2.2.2平板波导的导模 图 2-3 表示出了平板波导的侧视图以及所选的坐标系，图中画出了对应于导模 的 z 字形波的波阵面。设波导中的光沿坐标z方向传播，而在x方向受到限制。由 于波导在y方向上的尺寸相对比较大，所以在理论上认为平板波导的几何结构和折 射率分布沿y方向是不变的，并且光场沿y方向也是均匀一致的。于是可知，锯齿 光线是两个重叠的均匀平面波的图像，一个是斜向上传播的，另一个是斜向下传播 的，其波阵面法线是图 2-3 所示的锯齿形光线。 考察某一z为常数的波导截面，此时只能看到光波沿x方向的上下运动，因而 图 2-3 平板波导的侧视图 fig. 2-3 side view of planar waveguide 第二章 介质光波导 13 可不考虑光波沿z方向的运动，由光波的相干加强（谐振）可得出平板波导维持导 模的条件，即平板波导的模式本征方程： mkh= 1213 (2.1) 又由菲涅耳公式中可得出与 tm 偏振态（即磁场垂直于入射面），对应的相移 tm 的表达式为： 222 22222 12 0211 22222 21201 sin tan cos tm nnnnn nnnn = (2.2)将式(2.2) 代入式(2.1)可得到 tm 模的平板波导本征方程： 22 11 11 22 23 tan ()tan () nnpq khm n kn k =+ （2.3） 式中： 222 1/2 01 ();kn= 222 1/2 02 ();pn= 222 1/2 03 ()qn=。 其中m是模序数，它取从零开始的有限个正整数； 0 为自由空间的波数： /2 0 =，是 导 模 的 传 播 常 数 ， 即 波 矢k( 01 kn=) 的z分 量 ， 01cos n=，k是波矢k的x分量， 01sin kn=。h是膜厚。为实验中所用 探测光的波长。 因为导模的传播常数介于平面波在衬底和薄膜的波数之间，即有 020 1 nn。定义波导的有效折射率 1 0 sinnn =。n又可称为模折射率， 其取值范围式 21 nnn。利用有效折射率，可将平板波导的（tm 模）模式本征 方程改写成意义更明确的如下形式： 第二章 介质光波导 14 222222 22 1/211/211/2 3121 10 222222 2131 ()tan ()()tan ()() nnnnnn nnhm nnnnnn =+ (2.4) 2.2.3 波导的归一化参量 平板波导 tm 模的归一化色散方程可写作： 11 1 2 2 (1) 1tantan 11 tmtmtmtm tm tmtm nbbabd vbm nbb + =+ 0,1,2,.m = (2.5) 其中：v 是波导的归一化频率或归一化厚度， 22 1/2 012 ()vh nn=， (2.6) tm b是归一化波导折射率，定义为 2 22 21 22 1222 tm nnn b nnn = (2.7) 式中： 2 称为约化因子，其定义为 () () 2 22 21 24 22 12 21 / 1 (1)/ tmtm nnnn nn bbnn =+ = + (2.8) tm 模的非对称参量为 4 22 231 22 312 tm nnn a nnn = ； (2.9) 而 22 32 11 11 nn d nn = (2.10) 图 2-4 示出了 3 1n =时，tm 基模的归一化波导折射率与归一化频率的通用曲线。 其中， 2 1 n n n = 为一参数。 第二章 介质光波导 15 图 2-4 tm基模的波导折射率 tm b与归一化频率v的函数关系 fig. 2-4 waveguide refractive index tm b verse normalized frequent v in tm0 2.3 棱镜耦合系统和 m-线光谱学 三层平板波导是一种类透镜介质，它具有使光波聚焦进薄膜的自然倾向。由于 波导薄膜的折射率大于覆盖层和衬底介质的折射率，因而光导波是一种慢波。这表 明在衬底和覆盖层介质中的光波不可能直接耦合成为光波导。而需要利用一定的光 学仪器使其耦合，棱镜耦合方式是一种常用的方法。 2.3.1 棱镜耦合原理 利用折射率较高的棱镜把光束耦合到平面结构中去的问题在介质光波导出现之 前就已进行了研究。在 1968 年，奥托(otto)开始了在金属薄膜中用棱镜激发表面 等离子体激元的一系列工作。田秉耕(tien)等曾研究利用棱镜激发波导模式的问 题。 棱镜波导耦合系统的结构如图 2-5 所示。它是用一高折射率的三角棱镜压在 平板波导上构成的。 tm b v 第二章 介质光波导 16 图 2-5 棱镜耦合原理图 fig. 2-5 prism coupling structure 在棱镜的底部与薄膜的表面之间有一很窄的空气间隙，从激光器来的光束进入 棱镜后，在棱镜的底部发生全反射，在空气间隙中产生迅衰场，由于空气间隙很 薄，仅为m1的数量级，因此迅衰场的尾部可以到达空气薄膜界面。由于反射作 用，在空气薄膜界面构成一相反方向的迅衰场。正是由于这两个相反方向的迅衰 场的相互耦合，可使入射光耦合进光波导，这时大部分能量进入波导，反射光强骤 减，在反射屏上能观察到一条弯曲的暗线，即 m-line。这时就认为导模被激发了。 如果将棱镜波导耦合系统装配在转台上，当转台旋转时，相当于改变入射光 的方向。因此，要激发某一特定的导模，光束必须在某一确定的方向上取向，转台 连续旋转之后，波导中所有的导模都可以被激发。 为了有效地把光从一种介质耦合到另一种介质，必须满足两项条件： (1)在两耦合介质中的波速必须相等； (2)沿耦合边界的长度必须根据耦合强度来调节。 第二章 介质光波导 17 图 2-6 棱镜-波导耦合系统 fig. 2-6 prism-waveguide coupling system 图 2-7 棱镜耦合系统与势垒模型 fig. 2-7 prism coupling system and potential barrier model 由图 2-6 可以看出，如果棱镜介质的折射率为 3 n，而光线在棱镜中的入射角为 3 ，则在棱镜中光波波矢的z分量为 3033 sin z kk n= 另一方面，在波导中的光波是一锯齿形波，它的波矢的z分量为 1011 sin z kk n= 已知这一分量是波导模式的本征值。当这两个波矢的z分量相等时，即有 第二章 介质光波导 18 033 sink n= (2.11) 在z方向上，棱镜内光波的相速度将与波导中光波的相速度相等，从而满足有 效耦合的第一项条件。对于第二项条件，若相互作用长度（沿z方向）满足关系： 2 cl = (2.12) 则发生完全的能量交换，式中是图 2-7 所示辐射模与导模之间的偶合系数。 因此，若以辐射模形式引进起始能量，则它沿 z 方向传播的距离等于(2.12)式给出 的耦合长度l，能量就会完全转移到导模中去。由图 2-6 看出，耦合长度取决于光 束的宽度2t，即l由下式决定： 3 2 seclt= (2.13) 因此，若要求转移全部能量，则耦合系数由(2.12)和(2.13)式确定，即要求 3 cos 4 c t = (2.14) 若 3 和t都已确定，则调节空气隙的厚度，即能得到上式所预言的 c 值。 2.3.2 棱镜耦合系统的模式本征方程 s+ 0 n 1 n 2 n 3 n 1 a 1 b 3 b 1 a x z 1 3 0 s+ 0 n 1 n 2 n 3 n 1 a 1 b 3 b 1 a x z 1 3 0 图 2-8 棱镜耦合系统剖面图 fig. 2-8 side view of prism coupling system 通过棱镜激发的波导模式本征值与自由波导（无棱镜存在时的平板波导）的模 第二章 介质光波导 19 式本征值是不相同的，这时的波导中已无真正的导模，这是因为波导中的能量要通 过迅衰场的耦合辐射到棱镜介质中，因此波导中传播模式的能量是衰减的。由于棱 镜相对于波导薄膜来说很厚，可以把棱镜看作覆盖于间隙层之上的一种无穷大介 质，整个棱镜耦合系统的剖面如图 2-8 所示。 在以下的分析中，对符号的下标作如下规定：数 0 代表衬底介质中的物理量； 数 1 代表薄膜介质中的物理量；数 2 代表空气间隙中的物理量；数 3 代表棱镜介质 中的物理量；若下标为两个数，则代表相应的两种介质边界面上的物理量。另外， 设薄膜厚度为，空气间隙的厚度为s。并以 te 波为讨论对象。如图 2-8 所示的 坐标系，假设电磁场在y方向上是均匀的，其传播因子为exp ()izt,则电 磁场满足的波动方程为： 2 222 0 2 ()0, y jy e ne x += 0,1,2,3j = (2.15) 根据棱镜耦合系统的物理图像，可知各个区域的电场分布为： 3 22 11 0 () 3 ()() 22 ()() 11 0 , , , , ikxs pxpx y ikxikx p x b e b ea e e beae b e + = + 0 0 sx xs x x + + + (2.16) 为方便计算，引入下列符号： 0 10 1 2 12 1 2 32 3 tan; tan; tan; p k p k p k = = = (2.17) 式中： 10 和 12 分别代表薄膜衬底和薄膜空气界面上的半反射相移，而 32 可看作棱镜空气界面上的半反射相移。 为求该微扰系统的本征值方程，根据(2.16)式，并利用场分量和场分量的一阶 第二章 介质光波导 20 导数在界面0,xx=以及xs=+处连续的条件，可列出下列方程： 22 22 11 11 322 2 322 3 1122 2 1122 1 011 0 011 1 ; (); ; (); ; p sp s p sp s ikik ikik bb ea e ip bb ea e k baba ip baba k bb ea e ip bb eae k =+ =+ +=+ =+ =+ = 。 (2.18) 消去振幅因子 011232 ,b a b b b a，可得棱镜耦合系统的本征值方程为： 1103211012122 2 ()22 ()22 1 i kii kip s eeeee = (2.19) 在弱耦合 2 2 (1) p s e情况下，即空气间隙足够大时，上述方程即为自由波导的 微扰方程。当空气间隙s 时，方程(2.19)变为 11012 2 () 10 i k e = (2.20) 此式即为自由波导（非微扰波导）的模式本征方程。由于式(2.19)左边是一小量， 再根据(2.20)式可得如下近似方程： 11012 2 ()2i ki ee (2.21) 把它代入(2.19)式，可得： 32110122 22 ()2 12 2 sin 21 ii kp s ieee (2.22) 把该方程分为实部和虚部两个方程，得实部方程为： 2 2 110121232 cos2() 12sin2sin2 p s ke = (2.23) 其左边是一个二阶小量，可略去。由(2.22)式所得的虚部方程为： 2 2 110121232 sin2()2sin2cos2 p s ke = (2.24) 因为 1101211012 sin2()sin22()kmk= 第二章 介质光波导 21 11012 2()2km (2.25) 于是可得棱镜耦合系统的本征值方程为： 11012 km= (2.26) 式中, 2 2 12121232 sin2cos2 p s e =+ (2.27) 由于 2 2 1 p s e ，故 12 与 12 相差不大，这说明棱镜的存在仅引起平板波导模式本 征值的微小变化。 2.4 本章小结 本章主要介绍了介质平板波导、棱镜耦合器和 m 线光谱学的原理。由于棱镜耦 合器能够高效率地激发介质光波导中的光导波，而 m 线光谱学能够清晰地表征波导 中的导模，因而可以利用棱镜耦合器以及 m 线光谱学的方法研究波导平面薄膜的光 学性质。后文我们将利用上述原理研究有机聚合物薄膜的热光效应和三阶非线性光 学效应。 参考文献 1 曹庄琪，导波光学中的转移矩阵方法，上海交通大学出版社，2000 第三章 有机聚合物薄膜的性质以及波导表征 22 第三章 有机聚合物薄膜的性质以及波导表征 聚合物光波导材料的发展，主要得益于聚合物非线性光学效应得发现，尤其是 有机聚合物制备波导形式的电光调制器和倍频器件成为原型器件的问世，使得近二 十年来更多的科学家投入此领域的研究，因而聚合物光学材料得到了蓬勃迅速的发 展。人们发现，与已经得到实用的无机晶体相比较，有机聚合物作为非线性光学材 料和热光材料有很多优点，如：光学系数大、损伤阈值高、介电常数低、价格低 廉、容易合成和裁剪、与现有工艺兼容、可以在各种衬底上制备器件以及可以垂直 集成等。 1, 2 本章将介绍和分析一种新型的有机聚合物材料掺有蒽醌结构染料（1,4-二 氨基-2,3-二苯氧基-蒽醌）的聚甲基丙稀酸甲酯（pmma）（在后文中，将这种材 料简称为 an7/pmma）的性质以及波导表征。 3.1 有机聚合物材料概况 有机聚合物材料从分子结构特点看，可以分成两大类型：主客型聚合物和键合 型聚合物，后者又可分为侧链型、主链型、交联型。 3.1.1 主客型聚合物 主客型（guest-host, 也叫掺杂型）是研究最早的一类聚合物体系。它是通过将 发色团分子简单的掺杂到无定型的聚合物主体中形成的。在聚合物主体材料的选择 上必须注意材料的光学透明性和成膜性。目前研究最广泛的聚合物有：聚甲基丙烯 酸甲酯（pmma），此外还有文献报道的聚苯乙烯（ps）、聚乙烯醇（pvc）、聚 酰亚胺（pi）、环氧树脂等。由于材料易得、制备简单，因此主客型体系在有机聚 合物发展初期得到了广泛的研究，并且在近年来得各种电光、热光器件研究中仍占 第三章 有机聚合物薄膜的性质以及波导表征 23 有重要地位。本文中的 an7/pmma即为掺杂型聚合物。 主客体掺杂型的优点是它几乎适合所有的有机非线性分子，制作成本低，适用 范围广，容易在各种基质材料上制备光波导薄膜。其主要缺陷是，由于受到主客体 相容性的限制，客体染料发色团的掺杂含量，一般要低于 10。 3.1.2 键合型聚合物 将功能团分子以共价键的方式引入到聚合物中就形成键合型聚合物体系。其优 点比较明显，可以实现高浓度功能团分子挂接而不会产生分子结晶、相分离和材料 的不均匀等现象。 侧链型聚合物是通过共价键将发色团分子作为侧链挂接到聚合物骨架中。目前 具有高的玻璃化转变温度（tg）的聚酰亚胺（pi）成为研究热点之一，并能达到实 用的要求。 主链型聚合物是将功能团分子的全部或一部分包埋（嵌入）到聚合物骨架中。 常见的有发色团分子在主链中头尾连接型、横断嵌入主链型和一端嵌入主链型。 交联型聚合物是通过热交联或光交联来增强聚合物链的相互作用，提高聚合物 响应的稳定性。 3.2 an7/pmma 材料的性质和制备 本文中应用的 an7/pmma 材料是一种掺杂型聚合物，其中恩醌染料由上海交 大化学系自行制备。 3.2.1 蒽醌染料的化学性质3 具有蒽醌结构的染料（anthraquinone dyes）,它是一类在共轭体系中含有一个 或多个羰基发色体系的染料，故又称羰基染料（carbonyl dyes）。根据羰基所连共 轭体系的化学结构可分为单蒽醌和稠环酮两类。一般在染料分子中，还含有氨基、 第三章 有机聚合物薄膜的性质以及波导表征 24 羟基（及其衍生物）和杂环基团等取代基，可改变染料的色泽和性能。 蒽醌类染料通式如图 3-1 所示： o o r1 r3r2 图 3-1 蒽醌类染