（光学专业论文）有机聚合物电光器件的研究.pdf

摘要 有机聚合物光波导电光器件在光通信领域有着广泛的应用，聚合物电光材料响应述度很 快，电光活性已达到或超过了铌酸锂晶体，可与无机材料、半导体剌利等多种材料集成，它的 稳定性已能满足器件应用的要求，因而，有机聚合物屯光器件近年来受到越来越多的关注。本 文结合国家自然科学基金项目、上海市科委光科技项目及博士后科学基金项目，对有机聚合物 电光可变衰减器、高光损伤闽值电光调制器、对称金属包覆有机聚合物波导电光开关等器件进 行了研究。 有机聚合物电光可变衰减器利用聚合物薄膜的电光效应，通过电场控制衰减全反射结构中 入射光到导模的耦合效率，从而控制波导结构对入射光的吸收即衰减量。器件核心结构为衰减 全反射结构，整个器件无运动部件，可靠性较高。用电控制光强衰减闭此器件稳定性好，响 应速度快，器件结构紧凑，工艺简单，成本低廉，易于集成，也能很方便地实现器件的阵列化。 高损伤闽值衰减全反射有机聚合物电光调制器，采用有机聚合物p m m a 薄膜代替衰减全 反射型电光调制器的金属耦合层，采用i t o 导电薄膜作为电极，克服了衰减全反射型电光调制 器南于金属层在强光作用下造成的损耗，使器件的损伤阂值大为提高。可用于无线光通讯系统 中，有效的提高无线光通讯的距离。亦可以用于脉冲激光系统中，进行锁模或作为q 开关，或 用于多路分光系统中，实现各路脉冲光能量的平衡。 对称金属包覆有机聚台物波导电光开关，采用无棱镜的自由空间耦合的对称金属包覆有机 聚合物厚膜波导结构，激光从金属表面直接耦合到波导中，激发厚膜情况卜的超高阶导模。当 有机聚合物波导的折射率在外加电场作用下发生微弱的改变时，超高阶导模的传播常数对导波 层折射率的变化十分灵敏，引起光波的耦合效率发生变化，实现导波光和反射光的开关转换。 对称金属包覆有机聚合物波导电光开关具有工作电压低、开关速度快( 纳秒量级) 、偏振无关、 插入损耗小、制作工艺简单、体积更小、易于集成、成本低廉等特点，为器件的商业化提供了 可能，具有很好的市场前景。 反射型的电光器件不同于干涉型聚合物电光器件，由于光线在器件中不传输，它剥材料的 损耗要求不高，因而解决了有机聚合物材料低损耗和高电光系数的矛盾。反射型器件甚至可以 工作在材料的吸收区，利用电致复折射率的变化导致的材料电光系数的提高加强器件的性能， 也扩大了器件的工作波长范围。电致复折射率的变化对其材料的电光系数的影响程度，是这类 器件关心的重点。采用衰减全反射的方法，利用不同导模共振峰得到的数据，分析电致复折射 率变化，同时，给出了在材料吸收区电光系数测量的方法。 关键词：聚合物电光材料：聚合物电光可变衰减器；高破坏闽值电光调制器： 电致复折射率变化 a b s t r a c t e l e c t r o o p t i cp o l y m e r sh a v eb e c o m eo n eo f t h eb e s tc h o i c e sf o rt h ef a b r i c a t i o no f e l e c t r o o p t i c d e v i c e sd u et ot h e i rl o wd i s p e r s i o ni nt h ei n d e xo fr e f r a c t i o nb e t w e e ni n f r a r e da n dm i l l i m e t e r w a v e f r e q u e n c i e s ，f a s te l e c t r o n i cr e s p o n s ea n dh i g he oc o e f f i c i e n t ，t h u si n t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e n m a d eo n p o l y m e rd e v i c e s an o v e lo p t o e l e c t r o n i cv a f f a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ba s e do na t t e n u a t e d t o t a l i n t e r n a l r e f l e c t i o n s t r u c t u r ei sp r e s e n t e d i ti se n a b l ed i r e c t l ye n e r g yc o n t r o lb yc h a n g i n gt h ee l e c t r i c a lf i e l da p p l i e do n t h ee l e c t r o d e so f d e v i c e c o m p a r e dw i t ht h ea t t e n t u a n rw i t ht r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e ，o u ra t t e n c t a t o rh a s t h eo b v i o u sa d v a n t a g e so fl a r g ea p e r t u r es i z e ，l o wd r i v i n gv o l t a g e ，l o wc o s t ，c o m p a c td e s i g n ，h i g h s t a b i l i t y an e wc o n f i g u r a t i o no fa t rm o d u l a t o r , w h i c hu s e sp m m ar a t h e rt h a nt h em e t a lf i h na s c o u p l i n gl a y e r ，i sf a b r i c a t e d t h ee l e c t r o d em a t e r i a li sr e p l a c e db yat r a n s p a r e n tc o n d u c t i v ei n d i u m t i no x i d e ( i t o ) f i l m ，s ot h eo p t i c a ld a m a g et h r e s h o l do f t h ed e v i c ei ss i g m i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h e h l g h d a m a g et h r e s h o l de n a b l e st h ed e v i c et om o d u l a t eb o t hs t r o n gc w l a s e ra n dp u l s el a s e r t h ef o r m e r p r o p e r t yc a nb ee x p l o i t e di nw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt oa c h i e v el o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n w h i l et h em o d u l a t i o no f p u l s el a s e rm a yf i n dw i d ea p p l i c a t i o n si np u l s el a s e rs y s t e m ss u c ha se n e r g y b a l a n c e ，m o d e l o c k i n go rq s w i t c h i n g b a s e do nf r e e s p a c e c o u p l i n g m e t h o dt h e s y m m e t r i c a lm e t a l - c l a d d i n gp o l y m e rw a v e g u i d e e l e c t r o o p t i c s w i t c hi sf a b r i c a t e d a l i g h tb e a mf r o mf r e es p a c ec a nb ec o u p l e dd i r e c t l y i n t oa s y m m e t r i c a lm e t a l c l a d d i n go p t i c a lw a v e g u i d e t op r o d u c es u p e r - h i g h o r d e rm o d e st h e p r o p a g a t i o n c o n s t a n to fs u p e r - h i g h o r d e rm o d e si sv e r ys e n s i t i v et ot h ei n d e xc h a n g eo ft h ew a v e g u i d ew h i c hi s c h a n g e w i t ha p p l i e de l e c t r i c a l f i e l d ，s 0 t h es w i t c h o v e ro f w a v e g u i d e b e a r n a n dr e f l e c t i v eb c a m is r e a l i z e d w i t h o u te m p l o y i n gt h ep r i s m ，g r a t i n g ，t a p e r e df i l m ，a n do t h e rc o u p l i n gc o m p o n e n t s ，t h es i z e o f t h es w i t c hi sr e d u c e dg r e a t l y t h er e f l e c t i o ng e o m e t r yd e v i c e sc a nb eo p t i m i z e dt ow o r ka tw a v e l e n g t h sf r o mt h ev i s i b l ei n t o t h ei n f r a r e d a n dc a ne v e nw o r ki nt h ea b s o r p t i o nr e g i o no f e l e c t r o o p t i cp o l y m e rd u et ot h ei n c r e a s e o fe l e c t r o o p t i ce f f e c tc a u s e db yr e s o n a n te f f e c t b a s e do ni m p r o v e da t t e n u a t e d t o t a l r e f l e c t i o n t e c h n i q u e ，t h ee l e c t r i c a l l yi n d u c e dc o m p l e x r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g eo f e l e c t r o - o p t i cp o l y m e rf i l mw a s m e a s u r e db ye m p l o y i n gt h ed a t ao b t m n e df r o md i f f e r e n tg u i d e dw a v er e s o n a n c ed i p m e a n w h i l e ，a l l a c c u r a t em e a s u r e m e n to fe l e c t r o o p t i cc o e f f i c i e n ti na c t i v ep o l y m e ra b s o r p t i o nr e g i o nc o u l da l s ob e a c h i e v e d 。 k e yw o r d s ：e l e c t r o - o p t i cp o l y m e r ；o p t o e l e c t r o n i c v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ；h i g hl i g h ti n d u c e d d a m a g et h r e s h o l d ；e l e c t r i c a l l yi n d u c e dc o m p l e x r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e i l 第一章有机聚合物电光可变衰减器的研究 可变光强衰减器( v a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o r ) 是激光应用和光纤通信系统中一种非常重要 的光学器件，其作用是通过列传输光的衰减来实现对光功率的控制。 现有的可变光衰减器件无论是机械、热光、液晶还是微光机电，响应时间一般都在毫秒 量级”。但随着光通信技术的发展，新的密集波长高速通信系统列可变衰减器提u j 了快响廊 速度和集成阵列化等一系列新的要求。例如在密集波分复用系统中，光放大器一般t 作在饱和 状态，当某一条或某儿条信道的信息被加载或下载时，因为输入光功率的变化，会引起放人器 工作状态的改变，并引起一系列复杂的瞬态过程。这一过程的时间一般在几个到几十个脚之 内，这时响应时间在m s 量级光衰减器已不能满足系统功率监控的要求。但目前不管是在已商 品化或是研发成功的衰减器中，尚未见到响应速度小丁1 西的器件。因此，为了提供多通道 快速动态监控功能，研究基于电光效应并易于进行阵列化集成的衰减器是解执这一问题的主要 探索方向。 有机聚合物电光可变衰减器其设计原理在于利用聚合物薄膜的电光效应，通过电场控制衰 减全反射( a t t e n u a t e d t o t a l i n t e r n a l r e f l e c t i o n ) 结构中入射光到导模的耦合效率，从而控制波 导结构对入射光的吸收即衰减量”。1 。 器件核心结构为衰减全反射结构，整个器件无运动部件，可靠性较高。用电控制光强衰 减，因此器件稳定性好，响应速度快，器件结构紧凑，工艺简单，成本低廉( 合成方便、t 艺 与常规半导体工艺兼容) 。易于集成，也能很方便地实现器件的阵列化。 1 1 器件结构 图1 1 有机聚合物电光可变衰减器结构示意图 f i g 1 1t h ec o n f i g u r a t i o no f a t t e n t u a t o r 有机聚合物电光衰减器的结构如图1 1 所示。器件为棱镜一有机聚合物波导结构，有机聚 台物波导由四层材料组成：金属薄膜、有机聚合物薄膜、隔离层和电极。金属薄膜( 通常是金 或银) 不仅作为光能的耦合介质，而且还用作为电极；有机聚合物薄膜用作为导波层是导波能 量的载体；隔离层使导波层与电极分离，以免产生不必要的损耗。 12 器件工作原理 当激光器发出的t m 偏振的光入射进棱镜底面时，在入射角0 大于棱镜和空气的全反利临 界角o 。情况下，进行角度扫描，则因光学隧道效应，可在导波层激发出一系列的共振导模“1 。这删，反射率r 对入射角。的关系曲线如图2 所示。每一个共振吸收峰对应波导中的一个 导模，导模的数量是波导参数的函数。 | | j 一八i | | j 令 ： ?i7 ； + ： ：i；i ：，；：；l ；j i。沙”咄i 。i ，a 图1 2 反射率r 与光线入射角的关系曲线 f i 9 1 2t h er e f l e c t i v i t yr v e r s u sn l ei n c i d e n ll i g h ta n g l e n e l l l o n l ：t n g l l l ( d e g r ee ) 图1 3 工作曲线的偏移引起的反射率变化 f i g1 3t h e r e f l e c l i v i t yc h a n g ec a u s e db y e x c u r s i o no f w o r k i n gc l k r v e 图12 中t m 。模共振吸收峰的半宽度( f w h m ) 最小，表明损耗最小，最适合用作为屯 光可变衰减器的工作曲线。工作曲线的反射率极小值r 。对应的入射角。称为共振角。由于共 振角是极化聚合物折射率的灵敏函数，在上、下两电极施加电信号时，极化聚合物折射率因电 光敛应而产生变化，从而引起工作曲线共振角的变化。 由图1 3 可见，工作曲线的下降沿具有线性好、斜率大的特点，因此，当入射角固定于工 2 毒书_崖d比 作曲线f 降沿最上点附近对应的位置时，在电极上加上电压后，极化聚合物折射率的变化将引 起工作曲线的偏移，而任何微小的偏移都会产生反射率的明显变化。利用这一原理，可实现光 强的衰减。 1 3 制备工艺流程 我们的衰减全反射型可变光衰减器工作波k 为1 5 5 0 n m ，器件的制备工艺如图l4 。 图1 4 衰减全反射型可变光衰减器的工艺流程 f i g l4t h ep r e p a r a t i o nt e c h n i c so f a t r v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r 1 材料选择 棱镜选用高折射率等边三角棱镜，型号为s - n p h 2 ，由o h a r a 公司出产。( 1 5 5 0 m n 波长 下n = 1 8 6 1 4 6 ) 。耦合层采用金属银膜( 1 5 5 0 n m 波长下s = 一1 1 6 3 8 + n 1 1 ) 。电光介质采刚铰 链型的$ 6 1 6 ，它是聚亚安酯聚合物， 以4 _ n ，n d i ( 2 羟乙基) 一氨基一2 ，4 二硝基一偶氮苯做为 极性发色团，交联剂为甲苯- 2 ，4 - 二异氰酸酯( 2 ，4 一t d i ) ，h = 16 8 0 。缓冲层采用p m m a ，n = 1 4 9 。 下层金属膜采用金膜。 2 制作上电极 采用溅射的方法把银蒸镀在棱镜的下表面，作为衰减器的上电极。严格控制银膜的厚度， 由相应的计算机软件模拟表明，在1 5 5 0 n m 工作波长下，膜厚5 0 h m 时可使反射光强接近为零。 这时衰减器的动态范罔最大。 3 聚合物极化 采用甩胶法来将聚台物$ 6 1 6 ( n = l6 8 0 ) 制作在银膜之e ，调节甩胶机转速来控制膜厚为 2 6 5 t m 。采用电晕极化方法对聚合物进行极化i “1 ”，如图l5 。在3 0 分钟内将极化温度从l 1 0 升高到1 6 0 。c ，擞化电压从3 0 0 0 v 升高到4 2 0 0 v ，维持2 0 分钟。在高温条什下，聚合物内 部的极性分子处丁i _ 可自由转动的状态，在垂直于聚合物表面的方向施加高电场，则聚台物内部 的极性分子在电场作用之下会整齐的排列起来。保持电场作用，将温度缓慢降至室温。这时极 性分子便被牢牢地冻结。再撤掉电场，聚台物材料便对外呈现一定的光学嚣向异性。具有电光 特性。 图1 5 电晕极化示意图 f i g 15t h es k e t c hm a po f c o r o n ap o l i n g 4 帛b 作下电极 采用溅射的方法在包覆层p m m a 薄膜上制作另一层银膜，作为衰减器的f 电极。最后制 成的衰减器的结构如1 1 所示。 14 衰减器的工作性能 1 光束准赢度的影响 由于反射率r 对入射角臼极为灵敏，如果光束发散角大，发散角的平均效应、导模的反 射曲线的斜率就不可能很大，工作曲线的反射率极小值r 。也不可能达到很低，这就影响丁，工 作效率以及衰减范围。因此我们利用光束准直的方法使光束的发散角 6 、f ，b 为上一f 电极之间的距离，r 为下电 极的厚度) 时，由电磁场的静屯近似理论分析，可以 认为中间场和边缘场互不影响，整个电极的总电容c 可以看作由中心平板电容c 和边缘电容c ，组成，则 c = c 口+ c ， 氢 q ，卜 图1 6 衰减器的阶跃响应时间 f i g 1 6t h er e s p o n s et i m eo f v a r i a b l e o p t i c a la t f e n u a t o r 一事 飞：玉：丁。兰 图1 7 电极的电容效应 f i g 17t h ec a p a c i t a n c ee f f e c to f e l e c t r o d e 其中平板电容c 。按平板电容器公式计算： c p = 等= 等 n t ， g 为上下电极之间介质的介电系数，s 为f 电极的面积，b 为上下电极之间的距离，即电 光介质膜与缓冲介质膜厚度之和， 边缘电容c r 可由保角变换法求出 b = 或+ d 。( 1 2 ) ( 志 l n ( 志+ ) _ t 2 b ) n ( 志一肌， 由于b 是，删量级，所以c r c 。由上述分析可知，上电极的直径口越小，调制器的 带宽越大。但也不能太小，至少应大于入射光束的直径。实际上，我们取d = 2 m m ，b = 8 9 m ，有理 论计算和实验测量，c 8 p f 。因此，可得响应时间t r l n s 。 实验上，我们用频域带宽4 兀。测量的方法来测量阶跃响应时间f ，。 3 d b 带宽萌和t ，的关系为， 钙柏= 去 ( 1 。) 3 衰减动态的范围 为了提高器件的衰减动态范围，需要使入射光导模的能量耦合效率虽人，即尽量使a t r 吸收峰的晟小值趋近于零。这一般是通过控制棱镜底面金属膜的厚度实现的。对于一定的_ r 作 波长和器件结构，金属膜存在着一个最佳厚度。在该最佳厚度下，a t r 吸收峰的最小值趋近于 零，器件的衰减动态范围将最大。( 我们将在第二张详细推倒耦合层厚度和导波层厚度刘器件 性能的影响) 4 器件的工作稳定性 由于分子的热运动，聚合物中由电场极化诱导的轴向有序状态在除去屯场后将逐渐衰减 恢复到其原始的各向同性状态。对于这种现象本质的了解十分重要，因为器件应用要求极化 取向非常稳定，弛豫机制的了解将有助于聚合物体系的设计以增强调制器的稳定性。 对无定形聚合物来说，许多实验所观察到聚台物中发色团的取向弛豫： 巾( f ) = e x p ( - t r ) 4( 1 5 ) 这里的中( f ) 可以是归一化的双折射或二次谐波的衰减。其分布宽度用( 在0 与1 之间) 来表征。 弛豫日寸间f 的温度依赖性可由、f 式来表示： 雄脚e 冲 南 a ， 其中，系数爿和口。是与母体聚合物及发色团分子无关的正常数。与有f 面的经验 关系： 矗= + ( 5 0 1 0 ) ( 17 ) 改善有机聚合物热稳定性的方法主要是提升聚合物的玻璃化转变温度。 1 ，5 有机聚合物电光可变衰减器性能的测量 15 1 测量装置 测量装置如1 8 ，半导体激光器发出的激光经过偏振器后，产生t m 偏振光入射到样品上， 样品的反射光由探测器接受后，转变为电信号，输入示波嚣，同时，经a d 转换后输入计算机。 在计算机和示波器上都可以观察到反射光的电压信号。计算机通过步进电机控制o 2 0 转角仪 转动，使其上的样品转动，即样品入射光线的角度在变化。并把彤2 护转角仪转过的角度显示 在计算机的 二作界面上，同时保证探测器与样品的反射光同步运动，以便探测器接收到样品的 反射光。计算机的工作界面横坐标为角度，纵坐标为反射光的电压信号。通过这一套实验装置， 及梢应的计算机软件，我们可以在汁算机的工作界面卜得到样品的衰减全反射曲线。测量装簧 的配备如下： 激光器：l a s e r m a x i n c 美国，波k ：1 5 5 0 n m 晶体偏振器：i “东曲阜师范大学，l p g 1 b g 确定偏振方向，选择t m 模测量 样品：样品结乎句如图1 1 8 2 0 转角仪：保持探测器与反射光线同步 探测器：日本h a m a m a t s u ，i n g a a sp h o t o d i o d eg 8 3 7 0 ，0 5 一l a s e r b e a r n 护2 g o n i o m e t e r 图18 测量装置 f i g 1 8t h e f a b r i c a t i o no f t h ee x p e r i m e n t 15 2 电光系数的测量 1 测量方法 a t r 谱的特性之是整个谱线的位置对于电光物质的折射率m 的变化很敏感，当”变化 时， 整个a t r 谱的变化表现为沿坐标横轴方向发生一微小位移。在a t r 谱中任意一个吸收 峰上( 图1 9 ) ，其全反射吸收峰的下降沿存在着一段非常陡的线性区，在图中用a b 表示。该 段区域的线性较好、斜率较大。这样如果把工作点选择在a b 段的中点s 处( 即保持光线入射角 臼= 吼，以称为电场敏感角) 。当在电极上施加一个工作电压之后，由于电光效应会引起极化 聚台物折射率 的变化，进而引起整个a t r 谱线的平移，使得0 。处的反射光强随工作电压线 性变化( 如图1 9 ) 。 7 图19a t r 实验曲线 f i g 1 9t h ea t re x p e r i m e n tc u r v e 由图1 9 可知，由于场致折射率变化很小，当施加外电场时，a t r 谱整体沿臼方向平动 目+ a b 段近似线性，因此电场变化导致a t r 谱移动的角度可以用0 s 处的光强变化来表示0 2 0 5 9 ：坠生乳 ia i b 上式右边的各参数均司从实际a t r 曲线上测量。 由光波导棱镜耦合条件： 7 玎= ”1s i n 0 其中 l 为棱镜折射率，7 耵为聚合物导模有效折射率，所以： 勘盯= c o s 0 8 0 故由( 1 8 ) 、( 1 9 ) 、( 1 】0 ) 得： 翻：7 cos曰丝二皇田。1 i 一lb 2 对薄膜施加了电场e ，由极化聚合物电光效应产生的折射率蛮化 8 n ：一塑 ( 18 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 2 ) 由( 11 1 ) 和( 1 1 2 ) 式，可得s 点光强的变化与所加电信号之间的关系。对t m 模，有 弘一南糕，e ( 】3 ) 8 式中的2 瓦等，其中如和d 一分别为极化聚合物和缓冲层的厚度，为调制信号的电 压，甜j 为上作点s 附近的光强变化值t 所以 岍一矗糕们，栽 ( 11 4 ) 实际测量8 s ，b ，它们对应的光电转换的电乐值分别为：b v s ，所以( 1 1 4 ) 式 又可以写成 一南c o s o 。糕们s 赫 。 2 ”1口一如d 3 + d 4 、 ( 11 5 ) 式又可写成： ：墨 ”3 一 ( 日一目口) 2 n lc o s 口d 3 + d 1 ( 11 6 ) 由此公式就可得到电光系数7 1 ，即材料的电光活性。 2 测量结果 实验中测量聚合物电光材料的折射率r 。= 16 8 厚度为2 6 5 , l e n ，b u f f e r 层的厚度为2 j a n 。 电光调制器的工作内角口= 6 4 4 1 8 5 。a t r 曲线p 降沿线性区a 、b 点的坐标为：目= 6 43 8 1 2 ， = 5 4 4 9 2 ，= 6 4 4 0 9 3 ，= 3 7 7 2 0 。由公式( 1 1 6 ) ，可计算得到有机聚合物电光材 料的电光系数，即材料的电光活性t 3 3 ：3 2 4 p m 矿。 1 5 3 衰减器工作电压的测量 1 测量方法 样品的反射光强( 衰减器的输出光强) 从最大值衰减到晟小值所需的电压为衰减器的j l = 作 电压，即a t r 曲线从最大光电压值变化到峰底时所需的电压。扫描样品的a t r 曲线，选取 工作点在t m ，膜的顶部，调节步进电机到停转状态，此时计算机工作界面的横坐标角度意义失 效。由公式( 11 3 ) 。a t r 衰减全发射峰越陡、越窄，实现全调制的工作电压越小，即样品的 反射光强从最大衰减到最小( 如图1 1 0 ) 所需的电压越小。提高导波层成膜质量，增加导波层 厚度，采用低阶衰减全反射峰，可减小衰减器的工作电压。 2 测量结果 a t r 曲线从光强最大处( 对应的光电压1 0 v ) 减小到光强屠小处( 对应的光电压o 。0 4 v ) 所需的工作电压为1 8 2 v ，即衰减器的工作电压为：1 8 2 v 。 量 营 b 窘 点 a t t e n u a t e d - t o t a t - r e f l e c t i v i t ya n g l e0 ( d e g r e e ) 图1 1 0 衰减器工作电压测试 f i g 1 1 0t h ew o r k i n gv o l t a g eo f v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r 15 4 衰减器动态范围的测量 1 测量方法 动态范围是衰减器最重要的指标参数之一。基于a t r 衰减全反射理论的电光衰减器的动 态范围是由a t r 衰减全反射峰的范围决定的。a t r 衰减全反射峰的最小值是衰减器动态范围 的关键。我们选择合适的金属层的厚度，可使衰减全反射峰的最小值接近零。在衰减器的两个 电极上加交变的电信号，测量样品反射光强的变化范围。 童 警 b l 占 a t t e n u a t e d - t o t a l - r e f l e c t i v i t ya n g l e0 似e 可e e ) 图1 1 1 衰减器动态i 作范围实验曲线 f i g1 1 1t h ee x p e r i m e n tc h i v eo f d y n a m i cr a n g e f o r v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r o 2 测量结果 选择衰减器的工作点在a t r 峰的中点并固定不动( e 2 0 仪停转) ，图11 1 中a 点为选定 的工作点。在衰减器的两个电极上加1 0 y 交变的电信号，样品反射光强的随叫间的变化显示 在计算机的工作界面上( 此时计算机的丁f l - - 界面上横坐标不再具有角度的意义，为时间量) 如 图11 1 ，样品反射光强的变化范丽为：0 0 4 v 9 v ，动态范围：2 3 d b 。 15 5 损耗测量 1 损耗测量方法 损耗测量的方法：先用激光束直接打在探测器上，探测激光束的光强尸d ，再把激光束照 到样品，通过样品反射到探测器上，探测到光强p ，损耗l o s s 一1 0 l 0 9 1 。旦。 p o 2 测量结果 样品的插入损耗 2 5 0 摄氏度。用d s c 曲线测量的结果为： 瑶= 2 9 2 。c 1 5 7 响应时间的测量 衰减器的阶跃响应时间f ，为阶跃信号r c 电路充放电时间所确定。它的定义如图1 1 3 ( a ) 所示，阶跃信号的响应从相对值0i i - s - i - 0 9 所需时间称为f ，。根据响应时间f ，与带宽4 ，的关 系厂= 五1 _ ，测得影，即可得到f ，t 当频率变化时，被调制光信号幅度的相对值变化在3 d b 之内，则频率变化范围厂，即为调制带宽，见图1 13 ( b ) 。 o： ： + ：， 一 ( a ) o5 k 厂、 i r i 、 一一 图1 13 衰减器的阶跃响应时间 f i g1 1 3t h es t e pr e s p o n s eo f v a r i a b l eo p t i c a l 1 测量仪器 示波器：l e c r o y w a v e r u n n e r6 1 0 01 g h z o s c i l l o s c o p ed u a l1 0 g s s 采样( 美国) 高频光电探测器：n e w f o c u s m o d e l1 6 1 1 - f s a c3 - d b b a n d w i d t h3 0 k h z - i g h z ( 美国) 高频信号源：x g 2 6 型超高频信号发生器2 7 5 m h z 一2 7 g h z 9 ( 中国) 低频信号发生器：x f d 一8 b ( 中国1 2 测量方法 在样品上r 两个电极上施加不同频率的正弦波调制电信号，并始终保持它们的电压幅度为 i0 v ，测量被调制光信号幅度来观测调制频带 的宽度。 3 测量结果 实测调制信号频率f ( m h z ) ：0 1 2 7 5 5 74 8 7 6 36 8 41 38 5 3 3 01 0 3 0 被调制光信号的幅度d v s 1 0 d b ) ；器件制作工艺复杂，价格昂贵，妨碍了 它的广泛使用p9 。衰减全反射型有机聚合物电光调制器，采用导模共振代替了表面等离子体 共振，太大降低了调制器的工作电压、提高了调制度；反射型的结构，不存在传输损耗，降低 了对材料损耗的要求；同时，制各工艺也相对简单，适合中、高带宽应用 4 s 4 7 1 。但衰减全反射 型有机聚合物电光调制器一般需要5 0 n m 左右的金属薄膜作为耦合层，将入射光能流从棱镜耦 合到波导中，同时也作为电极。当激光功率较大时，金属薄膜由于吸收光能流而被融化，导致 器件损坏。为了解决这一问题我们提出了高损伤阈值衰减全反射有机聚合物电光调制器。 图2 1 波导传输型的m a c h z e n d e r 有机聚合物波导电光调制器 f i g 2 1t h em a c h - z e n d e r p o l y m e r e l e c t r o - o p t i c m o d u l a t o r 4 图2 2 反射型聚台物屯光调制器 f i g 2 2t h ea t t e n u a t e d - t o t a l - r e f l e c t i o nm o d u l a t o r 21 器件结构 高损伤阈值衰减全反射有机聚合物电光调制器的结构如图23 ( a ) 所示。它是棱镜表面的多 层薄膜结构。器件采用i t o 导电薄膜作为电极，有机聚合物材料p m m a 作为耦台层，取代了 金属薄膜。耦合棱镜采用o h a r a 公司生产的高折射率的s - n p h 2 玻璃，它的折射率在1 0 6 4 n m 为18 9 ，与i t o 薄膜的折射率相同，因而可以忽略棱镜和i t o 薄膜的分界面。导波层是电光聚 合物材料，b u f f e r 层的厚度较大，隔离了另外一个i t o 电极对导波层的影响。器件可以近似为 四层薄膜结构，如图2 3 ( b ) 。 x d + s d 0 ( a ) m o d u l a t e db e a m - - - - - 一p r i s m 一t h ef i r s ti t o f i l m 1 一p m m ac o u p l el a y e r - 。一p o l y m e rw a v e g u i d e 一b u f f e rl a y e r + 一t h e s e c o n di t of i l m i n c i d e n tb e m ) n 涮夕d n u n n ， 如 ( b ) 图2 3 调制器的结构剧 f i g ，2 3 ( a ) t h ec o n f i g u r a t i o no f m o d u l a t o r ；( b ) s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f f o u r - l a y e rs y s t e m 22 器件的工作原理 在电光材料两端加电压，电光材料的折射率发生变化 a n 一主”扔3 其中，n 3 是材料的电光系数。 选取器件的工作点在a t r 曲线下降沿中点 电压，器什反射光的光强随电信号的变化而变化 调制关系如下： f 21 ) a t r 曲线f 降沿中点线性度较好。给器件加 电信号被调制在光信号上，实现了光强凋制。 ，= 一面y 3 3 k n 3 e ( 22 ) 2 九，c o s 伊 、。 其中，口是工作内角，k 是a t r 曲线下降沿中点附近的斜率，e 是外加凋制电场。 2 3 器件的优化条件 衰减全反射峰a t r 的三个参数和器件的工作性能密切相关： ( 1 ) 吸收4 唪的位置。吸收峰的位置对应于共振发生的角度，在此角度r ，棱镜中的波矢 在模式传播方向上的分量和共振模式的传播常数相等，即满足棱镜耦台条件。这一 参数决定着器件的工作角。 ( 2 ) 吸收峰的深度。吸收峰的深度代表着能量从入射光束到共振模式的耦合效率，吸收 峰越深，能量耦台越充分，耦合效率就越高。这一参数决定着器件的消光比。 ( 3 ) 吸收峰的宽度。吸收峰的宽度代表着该共振模式的损耗特性。模式损耗越大，传播 距离越短，吸收峰越宽，吸收峰下降沿的斜率就越小。这一参数决定着器件的工作 电压。 我们通过分析a t r 吸收峰的特性，分析器件的优化条件。 器件的各层的电磁场分布为： h y ( x ) = 4 3 8 一f q ( 。一d 5 ) + b 3 e 2 q ( 。一d 一5 ) 4 2 9 p 2 ( 。一d ) + b 2 e p 2 ( 。一d ) 爿l e f q 。+ 日1 e f q 。 a o e 一肌。 其中，a j 、b ，为样品各层电磁场的复振幅；码= ( 女；n ；一卢2 ) 1 2 ，q = ( 0 h 一p 2 ) 1 2 p 2 = ( 2 一七0 2 n 2 2 ) ，2 ，p o = ( p 2 一粕2 ”0 2 ) 1 2 。玛、”2 、”3 为各层的复折射率。 由边界条件，样品的反射系数为： 6 ) s+ 0 d 即 n “ 工d o 上 蝴z 誊篆鬻筹嘉筹器 仁。， 。 f l 一已一。2 ( q d 一嘲。一曲2 ) 1 十f 日叫2 ( q d 一锄。) 一gj 2 咖2 1 p 2 南2 e 一2 p 2 。 、7 其中，幽。：a r c t a n ( 萼里生) ，办2 ：a r c t a n ( 、n i ，p 2 ， 1 。d 、s 分别为导波层和耦合层的厚度。 在衰减全反射角0 , 4 豫附近，样品的反射系数r 可以在卢。附近展开。p 是忽略棱镜时， 理想三层平板波导的传播常数。在弱耦合条件下e - 2 p 2 5 1 ，样品的反射率为： r 2 ”= 2 、，。，4 i m ( f l 。，。) ，i m ( 。a 。f l r a d ) r e ( f lr e ( a f l r a di m ( f l j j ：j i m i ( i 丽d ( 2 5 ) 、lj -，j j l“) +氏) ) 2 8 r n d = 。1 d谚=d+j：黼。4-：ini2：n；2：o丽。2+p2) 由公式( 2 5 ) ，当： i m ( 芦o ) = i m ( a f l r a d )( 26 ) 则： r = 0f 2 7 、 理想三层平板波导传播常数的虚部代表了波导的损耗，式( 2 6 ) 中的i m o ) 表示了波导 的本征损耗，主要是由耦合层与导波层介质的吸收和传播过程中的散射所引起的。由( 2 6 ) 式 可知，当由波导的本征损耗与由棱镜波导结构产生的泄漏损耗相当时，a t r 衰减全反射峰最小 值达到0 。 众所周知，随着导波层和耦台层的损耗的增加，a t r 峰的最小值和宽度都将增加阳一“。这 会导致器件性能的下降。在选择材料时，应选取损耗小的材料。但对于有机聚台物电光材判， 往往是电光系数越大，材料的光学损耗也越大。反射型器件对材料的损耗要求较低，在选取有 机聚合物电光材料时，可以只考虑材料的电光系数，而不考虑材料的损耗。 当耦合层和导波层材料确定时，耦合层和导波层的损耗为确定的值理想三层平板波导传 播常数的虚部与导波层的厚度有关。图2 4 是理想三层平板波导t m 。的传播常数与导波层厚度 的关系曲线。当导波层厚度较小时，传播常数随波导厚度变化较大；导波层厚度较大时，传播 常数随波导厚度变化较小。由公式( 26 ) 、( 2 7 ) ，我们可以得到，在材料确定的情况f ，导波层 厚度和耦合层厚度共同影响衰减全反射峰的最小值。这与采用金属薄膜做耦合层的a t r 调制 器不同，由于金属的损耗远火于导波层的损耗，只有金属层厚度对a t r 峰有影响。 纠 兰 鬻 圈2 4 理想三层平板波导t m 。的传播常数虚部与导波层厚度的关系曲线 f i g 24t h ei m a g i n a r yp a r to fe i g e np r o p a g a t i o n c o n s t a n t p 0 o ft m 。o fi d e a lt h r e el a y e rw a v e g u i d e v e r s u st h et