（物理电子学专业论文）新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究.pdf

卜 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位做作者签名：老d 名1 矽“年匆月7 日 指导教师签名：勃曰主 枷f f 年其l fb 3 分类号嫂 u d c 5 兰 删嬲 密级篡19 9 5 0 印 江荨大擎 硕士学位论文 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成 及数字热光开关的研究 s y n t h e s i so f n o v e lt h e r m o o p t i cm a t e r i a lo fa z op o l y u r e t h a n e w i t hc h i r a la t o m sa n ds t u d yo f t h e r m o - o p t i cd i g i t a ls w i t c h 指导教师萱国苤数援 作者姓名笪竖丝 申请学位级别亟 学科( 专业)物理电王堂 论文提交日期2 q ! 羔生垒旦论文答辩日期2 q ! ! 生鱼且 学位授予单位和日期 塑蒸太堂2 q ! ! 生鱼旦 二零一一年六月 评阅人 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着高速光通信和全光网络的高速发展，人们在光通信器件和光子集成方面 进行了广泛深入的研究。光开关作为光交换的核心器件，是影响全光网络性能的 主要因素之一，其中热光开关因为其原理比较简单，制作工艺不复杂，因而成为 关注的热点。在热光开关的研究当中，有机聚合物材料因为具有高热光系数，低 热传导系数且成本低廉，易于合成等优点，成为研究的一个重要方向。 本文首先合成了新型旋光偶氮聚氨酯材料( o a a p u ) 并对其进行了表征。 采用重氮一偶合反应方法，合成了一种新的含偶氮基团的非线性生色团有机分子。 接着与手性试剂l ( - ) 一酒石酸、异佛尔酮二异氰酸酯( p d i ) 制备含手性单元的新 型旋光偶氮聚氨酯材料( o a a p u ) 。利用傅里叶红外光谱( f t - i r ) 和紫外一可见光 谱( u v - v i s ) 等分析手段对合成的聚合物材料进行了结构表征，同时还测量了其熔 点，溶解性和旋光性，并通过差示扫描量热法( d s c ) 测量了材料的玻璃化转变 温度，结果显示其玻璃化转变温度较高，热稳定性较好。 其次采用衰减全反射 t r ) 技术测定了聚合物材料薄膜在6 5 0 n m 波长和不 同温度处的折射率) ，通过计算得出材料的热光系数( d n d t ) 。进一步对材料的 色散进行研究，分别测定了聚合物材料薄膜在5 3 2 n m 和8 5 0 r i m 波长下不同温度 处的折射率( 力) ，通过计算得出材料在不同温度下的赛尔迈耶尔系数，结合色散 方程计算出材料在光通讯波段的折射率及热光系数。结果表明，该聚合物材料具 有比一般材料更高的热光系数，因而对研制新型数字热光开关具有一定的意义。 最后介绍了y 型数字式热光开关的工作原理，从光场传输和温度场分布两 个方面对热光开关进行了数值模拟。利用光束传播法( b p m ) 对热光开关的光场 传输进行了分析；同时依据热传导原理建立的热学模型对热光开关的温度场分布 进行了分析。在此基础上提出一种基于o a a p u 材料的y 型数字式热光开关的 优化设计，通过在分支之间刻蚀出空气沟道来降低热量的传输损耗，结合o a a p u 材料较高的热光系数就可以实现降低开关功耗，缩短响应时间的目的。利用模拟 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究 分析软件r s o f t 、c o m s o l 对其进行了数值模拟，模拟结果表明，开关的加热功 耗约为0 9 6 m w ，响应时间约为4 m s ，和一般的y 型热光开关相比有明显提高。 关键词：偶氮聚氨酯，热光性能，y 型数字式热光开关，功耗，响应时间 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n do p t i c a ln e t w o r k t e c h n o l o g y , m a n yi n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nm a d eo ni n t e g r a t e do p t i c sa n do p t i c a l a p p a r a t u s o p t i c a ls w i t c h e sa r en o to n l yk e yd e v i c e sf o ro p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ，b u t a l s oo n eo ft h ei m p o r t a n td e m e n t st h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a ln e t w o r k a m o n go p t i c a ls w i t c h e s ，t h e r m o o p t i cs w i t c hi so n eo fh o tr e s e a r c hs u b j e c t sb e c a u s e o ft h es i m p l ep r i n c i p l ea n dt h ef e a s i b l ec o n v e n i e n tt e c h n o l o g y f o rt h er e s e a r c ho f t h e r m o - o p t i cs w i t c h e s ，t h ep o l y m e rm a t e r i a li sa ni m p o r t a n tc a n d i d a t e ，b e c a u s ei th a s 8 0 m es p e c i a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g ht h e r m o - o p t i cc o e f f i c i e n t ，l o wc o e f f i c i e n to f t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n ds o no n i na d d i t i o n , t h ep o l y m e rm a t e r i a li s e a s yt o s y n t h e s i z ea n di ti sv e r yc h e a p i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y , t h eo a a p uw a ss y n t h e s i z e da n di t ss t r u c t u r e ，o p t i c a la n d t h e r m a lp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d an o v e lo r g a n i ca z o b e r m e n ec h r o m o p h o r em o l e c u l e w a ss y n t h e s i z e df i r s tu s i n gt h em e t h o do fd i a z o c o u p l i n gr e a c t i o n ，a n dt h e nt h en o v e l o p t i c - a l l ya c t i v ea z op o l y u r e t h a n e ( o a a a t j ) c o n t a i n i n gc h i r a lu n i tw a sp r e p a r a t e d 丽mt h ec h i r a l r e a g e n tu - ) 一t a r t a r i ca c i da n di s o p h o r o n ed i i s o c y a n a t e ( i p d i ) f u r t h e r m o r e ，t h ec h e m i c a ls t r u c t u r e so fo a a p uw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i ra n d u v - vs p e c t r o s c o p yt e c h n o l o g y a n di t sm e l t i n gp o 硫，o p t i c a lr o t a t i o n ，s o l u b i l i t yw e r e s t u d i e da sw e l la st h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ep o l y m e rm a t e r i a lw a ss t u d i e d b yt h e d i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t e r ( o s c ) t h er e s u l ts h o w st h a tt h eg l a s s t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ei sv e r yh i 曲a n dt h eo a a p uh a se x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t y s e c o n d l y , t h er e f r a c t i v ei n d e x ( ”) o ft h eo a a p ut h i nf i l mw a sm e a s u r e dv i a a t t e n u a t e dt o t a l r e f l e c t i o n ( a t r ) t e c h n i q u e a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s f o rt h e w a v e l e n g t ho f6 5 0 n m ，a n dt h et h e r m o - o p t i cc o e f f i c i e n t ( d n d t ) w a sa l s oo b t a i n e d m o r e o v e r , t h ed i s p e r s i o no ft h eo a a p uw a ss t u d i e d ，a n dt h er e f r a c t i v ei n d e x ( 刀) o f i t st h i nf i l mw a sm e a s u r e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef o rt h ew a v e l e n g t h e so f5 3 2 n ma n d 8 5 0n n l t h er e f r a c t i v ei n d e xd i s p e r s i o nc u r v e sa n ds e l l m e y e rc o e f f i c i e n t so fo a a p u w e r eo b t a i n e db ys e l l m e y e re q u a t i o n t h r o u g hc a l c u l a t i o n , w ed e r i v et h er e f r a c t i v e n i 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究 i n d e xa n dt h e r m o o p t i cc o e f f i c i e n to fo a a p ud u r i n g o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n w a v e l e n g t hr a n g e t h er e s u l ts h o w st h a tt h et h e r m o - o p t i cc o e f f i c i e n to fo a a p ui s h i g h e rt h a no n eo fg e n e r a lm a t e r i a l s ，w h i c hi si m p o r t a n tf o rt h e r m o o p t i cd i g i t a l s w i t c h f i n a l l y ，t h ep r i n c i p l eo fy b r a n c ht h e r m o o p t i cd i g i t a ls w i t c hw a sp r o p o s e d ， i n c l u d i n gl i g h tt r a n s m i s s i o na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n t h el i g h tt r a n s m i s s i o ni n t h es w i t c hw a sa n a l y s e db yt h eb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d p 蚂，w h i l et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h es w i t c hw a s s t u d i e db yt h et h e r m a lm o d e lo ft h ed e v i c e s e s t a b l i s h e db yt h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e r r i n g a n dt h e na no p t i m i z a t i o nd e s i g no fy b r a n c ht h e r m o o p t i cd i g i t a ls w i t c hb a s e do no a a p uw a sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h e r e s u l ts h o w st h a tt h et r a n s m i s s i o nl o s so fh e a tc a nb er e d u c e db yt h ea i rc h a n n e l e t c h e di nt h eb r a n c h ，a n dt h ep o w e ra n dt h er e s p o n s et i m eo ft h es w i t c hc a nb e r e d u c e db yt h eh i g ht h e r m o o p t i cc o e f f i c i e n to fo a a p u n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sb y r s o f ta n dc o m s o ls h o wt h a tt h eh e a t i n gp o w e ro ft h es w i t c hi sa b o u t0 9 6 m wa n d t h er e s p o n s et i m ei sa b o u t4 m s ，w h i c ha r ed e a r l yb e t t e rt h a nt h o s eo fg e n e r a ly b r a n c ht h e r m o o p t i cd i 西t a ls w i t c h k e yw o r d s ：a z op o l y u r e t h a n e ，t h e r m o - o p t i ce f f e c t s ，yb r a n c ht h e r m o o p t i cd i g i t a l s w i t c h ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，r e s p o n s et i m e 江苏大学硕士学位论文 第一章文献综述 目录 l 1 1 弓i 言1 1 2 基于有机聚合物的热光开关1 1 2 1 光开关概述1 1 2 2 基于有机聚合物的热光开关的研究进展5 1 3 有机聚合物热光材料的研究进展8 1 3 1 常见的用于光通讯的有机聚合物材料。8 1 3 2 偶氮苯聚合物材料一9 1 3 3 偶氮聚合物材料的研究进展1 0 1 4 本论文的意义及主要内容1 1 第二章新型旋光偶氮聚氨酯( o a a p l 7 ) 的合成、表征。1 3 2 1弓i 言。1 3 2 2 实验内容。1 3 2 2 1实验原料1 3 2 2 2 实验仪器1 4 2 2 3o a a p u 的合成路线1 4 2 3 结果与讨论。1 6 2 3 1o a a p u 的紫外谱图。1 6 2 3 2o a a p u 的红外谱图1 6 2 3 3o a a p u 的熔点、溶解性和旋光性1 7 2 3 4 q 鼬址u 的差示扫描量热法( d s c ) 分析1 8 第三章o a a p u 材料的热光性能及色散研究 3 1 热光性能的测量原理1 9 3 1 1 介质平板波导理论1 9 3 1 2 衰减全反射原理2 0 3 1 3 棱镜耦合原理。2 0 3 1 4 波导层的折射率及厚度的测量2 1 3 1 5 热光效应。2 1 v 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究 3 2o a a p u 材料的热光性能的测量。2 2 3 2 1 实验仪器2 2 3 2 2 折射率的测量2 3 3 2 3 热光系数( d 嘶i t ) 的测量。2 3 3 3o a a p u 材料的色散研究2 7 3 4 结论2 8 第四章基于o a a p u 材料的新型低功耗y 型数字式热光开关的设计分析2 9 4 1 介质波导2 9 4 2 光束传播法( b p m ) 3 1 4 3y 型数字式热光开关( d o s ) 原理3 4 4 3 1 绝热模式演变的概念3 5 4 3 2y 分支波导中的劈形过渡3 5 4 3 3y 分支波导原理。3 6 4 4 热光开关中的温度场分析3 9 4 4 1 热传导学原理3 9 4 4 2 热学模型4 0 4 5 采用o a a p u 材料的y 型低功耗数字式热光开关的设计及分析4 2 4 5 1弓i 言4 2 4 5 2 器件结构4 2 4 5 3 光场传输分析4 3 4 5 4 温度场分析4 4 4 5 5 结论4 6 第五章全文总结。4 7 j 敦谢。l i l 参考文献 在校期间发表论文 v i 4 9 5 3 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章文献综述 在信息高速发展的今天，信息量、信息传递速度和控制复杂程度急剧增长， 人们对通信的带宽和速度提出了越来越高的要求。以往的光通信由于当时对通信 容量的需要还不太大，加上其自身的局限性，一般只应用于点对点的大容量干线 传输，而接入部分则由同轴线或双绞线等以电信号为载体的系统完成。但在今天， 这样的通信网络已不能适应爆炸般的信息需求，在这样背景下，光网络的发展非 常迫切。 光网络的目的是组织和处理信号的传输，信号通过光网络以光的形式传播， 这包括两个方面：一方面是光网络在传输过程中冲破干线应用的局限，而在比传 输网更广的范围内普及，并将应用范围覆盖接入网部分，充分利用光的信息量大 这一特点：另一方面是减少信息中转过程中的光一电一光的转换，充分利用光的 速度快这一特点，直接完成光的交换与接入，也就是说，实现全光网的目标。光 网络的这些功能完全依靠光网络中的光信息处理器光子器件来实现。 目前，随着光传输领域波分技术( w d m ) ，时分技术( t d m ) ，空分技术 ( s d m ) 阻j 等技术的成熟，光纤的传输容量越来越大，但信息交换和路由选择的速 度却远远不能满足光网络的要求，而信息切换或路由选择系统的核心器件是光开 关，所以这导致光开关技术成为光网络发展的瓶颈，因而对光开关的研究受到人 们越来越多的关注，而近年来，基于有机聚合物材料的热光开关的研究正成为关 注的热点。 1 2 基于有机聚合物的热光开关 1 2 1 光开关概述 一光开关的作用和器件的性能参数 光开关是实现大量信息在网络光路中的高速分组切换与选择吸收的核心器 件，可以集成到具有各种不同功能的光网元之中，在光通信领域里的应用非常广 泛。目前光开关的主要应用包括【2 一，】： 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究 ( 1 ) 用光开关实现网络的自动保护倒换 在光纤断开或转发设备发生故障时能够自动进行恢复。现在大多数光纤网络 都有两条以上的路由连接到关键节点上。一旦光纤或节点设备发生故障，通过光 开关，信号可以避开故障，选择合适的路由到达目的地，这在高速通信系统中尤 为重要。这是一种简单的开关方式，通常采用1x2 光开关就可以实现。 ( 2 ) 交叉连接( o x c ) o x c 主要由解复用单元、复用单元和交换单元组成，交换单元由开关矩阵 来实现。o x c 主要实现动态的光路径管理、光网络的故障保护、灵活增加新业 务等。由于o x c 主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上，要求光开关具 有低插损、低串扰、低开关时间、透明性、高速和大容量的特点。由于热光光开 关和微机械光开关有可能得到很大的交换规模，而且性能也较好，因此它们很可 能成为解决制约o x c 交换数量的突破口。 ( 3 ) 光分插复用器( o a d m ) o a d m 是光网络关键设备之一，是光网络中的另一主要交换节点。与0 x c 相比，它主要用于实现波长通道的上下路功能，其结构也是由解复用、复用和交 换单元组成，通常用于城域网和骨干网。实现o a d m 光信号上下路的具体方式 很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2 2 光开关，来实现对密集波 分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用，使0 a d m 能动态配置 业务，增强了o a d m 节点的灵活性，同时，使得o a d m 节点能支持保护倒换， 当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能力 和网络的保护和恢复能力。o a d m 与o x c 相比，规模较小，因此相对也比较成 熟。 ( 4 ) 光路由器 光路由器和o x c 没有本质区别。一般来说，o x c 在进行波长选路时，是静 态或半固定的，光开关是作为自由空间开关。而光路由器在进行波长选路时，是 动态地实现自适应的路由和波长分配，光开关除了完成传统的自由空间开关功能 之外，也能通过自身，或通过增加功能模块，实现波长选择和波长转换等功能。 ( 5 ) 网络监视 在远端光纤测试点上，可以使用一个l x n 光开关，将多根光纤连接到一个光 2 江苏大学硕士学位论文 时域反射计( o t d r ) 上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监控，特别是在实际 的网络应用中，光开关允许用户取出信号或插入网络分析仪进行在线监控而不干 扰正常的网络信息传输。 ( 6 ) 光纤通信器件测试 光开关通常可用于元器件的生产和检验测试。采用多通道开关，通过监视每 一个对应一特定测试参数的开关通道，可以测试多种光器件，而不用把每个器件 都单独与仪表连接，从而可简化测试，提高效率。 光开关器件的性能参数主要包括以下几个： ( 1 ) 插入损耗 输入和输出端1 3 之间以d b 表示的光功率的减少值，表示为与开关的状态有 关。 _ , = - 1 0 1 9 等 式中忍为进入输入端的光功率，忍盱为输出端光功率。 ( 2 ) 消光比 两个端e l 处于导通和非导通状态的插入损耗之差。 ( 3 ) 开关速度 开关端1 3 从某一初始状态转为通或断所需的时间，开关时间从在开关上施加 或撤去转换能量的时刻起测量。 ( 4 ) 回波损耗 从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，与开关的状态有关。 r l = - 1 0 1 9 杀 2 ， 卑为在输入端接收到的返回光功率。 ( 5 ) 隔离度 某端1 3 输入的光在两个相隔输出端口光功率的比值。 k 叫0 l g 乏 3 ) 式中，刀，m 为光的两个隔离端口o 册) ，己为光从f 端口输入时在行端口测得的 3 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究 输出光功率，匕为光从i 端口输入时在m 端口测得的输出光功率。 ( 6 ) 远端串扰 光开关接通端口的输出光功率与串入另一端口的输出光功率的比值。对于l x 2 光开关，当第一输出端口接通时，远端串扰定义为： f c n = - 1 0 1 9 鲁 ( 1 4 ) 其中，只为从端口1 输出的光功率，最为从端口2 输出的光功率。 ( 7 ) 近端串扰 当其他端口接终端匹配，连接的端口与另一个名义上是隔离的端口的光功率 之比。对于l 2 光开关，当端口1 与匹配终端相连接时，近端串扰定义为： n c l 2 = - 1 0 1 9 鲁 ( 1 5 ) 其中，置为输入到端口1 的光功率，最为端口2 接收到的光功率。 二光开关分类 光开关根据制作器件的材料，器件工作的原理，器件的结构等可以划分为不 同的类型。常见的光开关主要有： ( 1 ) 机械式光开关 传统机械式光开关靠光纤或光学元件移动，使光路发生改变。其优点是插损 低( 2 d b ) 、隔离度高( ；，4 5 d b ) 、不受偏振和波长影响；缺点是速度慢，体积 大，受机械结构限制严重。为了解决传统机械式光开关的缺陷，人们于2 0 世纪 9 0 年代提出微机械式光开关( m e m s 光开关) ，它利用微镜的机械转动来实现开 关功能。其中比较有代表性的是o m m 公司的8 8 m e m s 光丌关，其插入损耗 小于4 d b ，开关时间小于1 0 m s s 。m e m s 光开关的优点是体积较传统机械式要 小，开关速度加快；缺点是任何机械摩擦、磨损及外部振动都可能使其可靠性降 低，且驱动结构复杂，成本较高。 ( 2 ) 液晶光开关 液晶光开关的工作状态是基于对偏振的控制：一路偏振光被反射，而另一路 可以通过【8 1 。典型的液晶器件包括无源和有源两部分。无源部分，如分路器将入 4 江苏大学硕士学位论文 射光分为两路偏振光。根据是否使用电压，有源部分改变入射光的偏振态或者不 改变。由于电光效应，在液晶上施加电压将改变非常光的折射率，从而改变其偏 振状态，本来平行的光经过在液晶中的传输会变成垂直光。 液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光电材料。 电控液晶开关的交换速度可达亚微秒级，将来可以达到纳秒级。 ( 3 ) 电光开关 电光开关是利用电光效应来改变波导材料的折射率从而实现对光的开关功 能。其材料包括锂酸锂，半导体材料和电光有机聚合物材料等。其优点是开关速 度快，集成方便；缺点是高的偏振相关损耗和高串扰 9 - 1 1 j ，还有它们对电漂移敏 感，一般需要较高的工作电压。此外电光开关是非锁定型的，这限制了其在网络 保护和重组方面的应用，较高的成本也妨碍了其广泛的商用。 目前电光开关大都使用锂酸钾材料，随着聚合物材料的研究的深入，非线性 光学聚合物材料由于具有光波等效折射率低，电光系数高，制备工艺与半导体制 备工艺兼容且成本低廉等优点，也成为制造电光型光开关的良好材料。 ( 4 ) 热光开关i t 2 州j 热光开关通常是在介质材料如玻璃或者硅片上先制作波导结构，再蒸镀金属 薄膜加热器，加热器通电发热，导致其下面的波导的折射率发生变化，从而实现 光的开关动作。可分为数字式光开关( d o s ) 和干涉式光开关两类，后者相对于 前者而言，结构紧凑但对波长敏感，工作时需要对温度进行控制。热光开关的基 本结构为l 2 型，可以通过集成累加形成开关阵列，目前研究的热点正逐步转 向具有高热光系数的有机聚合物材料。 除此以外，光开关还包括磁光开关，声光开关，光控开关等其它类型。 1 2 2 基于有机聚合物的热光开关的研究进展 热光技术一般用于制作小型光开关，典型的如1 2 、2 2 等，更大的光开 关可以由lx 2 光开关单元在同一晶片上集成。常见的热光开关主要有两种基本 类型：数字式光开关( d o s ) 和干涉式光开关。干涉式光开关具有结构紧凑、低 串扰、低开关功耗等优点，但其对波长敏感，需要精确控制开关能量和环境温度。 数字式光开关不需要精确控制开关能量和环境温度，对偏振不敏感，但串扰大， 5 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究 开关功耗相对较高。 ( 1 ) 干涉式光开关 干涉式光开关主要采用m z 干涉仪结构。主导思想是利用光相位特性。输 入光被分为两柬，通过两个分开的波导，再合并，通过对其中一个波导加热可以 改变其光程，当两条路径光程长度相同时，光通过其中一个出口，当光程长度不 同时，光线通过另一个出口。m z 型光开关结构如图1 1 所示，它包括一个m z 干涉仪和两个3 d b 耦合器，两个波导臂具有相同的长度，在m z 干涉仪的干涉 臂上，镀上金属薄膜加热器形成相位延时器，波导一般生成在硅基底上，硅基底 还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。当加热器未加热时，输 入信号经过两个3 d b 耦合器在交叉输出端口发生相干相长而输出，在直通的输出 江苏大学硕士学位论文 其中一个干涉仪的加热电极产生的相移功能偏向长波段，另一个偏向短波段，当 处于波段中央的光输入时，能实现近乎线性的衰减曲线。2 0 0 2 年报道的利用s 型的多模干涉区1 2 热光开关b 引，缩短了器件尺寸，减小了功耗，同时获得了 较大的波谱宽度，在1 3 0 m w 的功耗下能实现大于4 0 d b 的串扰，开关时间为 6 5 m s 。2 0 0 8 年，同本早稻田大学的n x i e 等人设计的改进的多模干涉2x2 热 光开关0 s j ，驱动功率为9 m w ，串扰为一2 3 d b 。 ( 2 ) 数字式光开关 最简单的数字式光开关为y 分叉结构。当对y 分叉的一个分支加热时它会改 变折射率，从而阻断了光线通过此分支，实现光的开关功能。y 分叉结构如图1 2 所示， l 图1 2 y 分支型热光开关 f i 9 1 2y - b r a n c ht h e r m o o p t i es w i t c h 同样，为了提高数字式热光开关的性能，人们也对其结构进行大量的优化研 究，发展出了包括x 结，根据y 分叉结构改进的w 型，全内反射型以及引进衰 减器和加入双电极结构的改进型等多种结构。例如1 9 9 6 年，t i c k n o r t 等人采用 0 1 。的y 分叉结构1 19 。，器件的插入损耗为2 d b ，消光比优于2 0 d b ，开关功率 小于6 0 m w 。之后n k e f l 等人研制出基于聚合物材料的2x2 对称x 结光开关圳， 能实现小于一2 5 d b 的串扰，功耗低于5 0 m w 。柏林大学的u s i e b e l 等人提出了 一种w 型数字热光开关的结构1 2 1 j ，器件采用倒脊型单模波导，在y 分叉波导中 7 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究 加了一段吸收波导，这种结构虽然稍微增加了开关功耗，但却有效地降低了串扰。 除此以外，还有m s y a n g 等人提出的将光可变衰减器( v o a ) 引入d o s 的结 构 2 2 1 ，k e ns a k u m a 等人提出的采用双电极的结构瞄】，等等，都可以进一步降低 开关的串扰，改善开关的表现。2 0 0 5 年韩国的y o u n g o u kn o h 等人提出一种结 构，将开关和衰减器集成在同一衬底上，开关和衰减器由同一根加热电极控 制，采用这样的结构的器件尺寸缩短到1 0 m m ，在通讯波段的插入损耗低至0 8 1 1 d b ，串扰为7 0d b 。2 0 0 9 年，i a ny u l i a n t i 等人提出了采用余弦弯曲波导构成 的的大分叉角y 分叉结构1 6 1 。，分叉角度为0 2 9 9 。而器件尺寸仅为5 m m ，串扰 为3 3d b 。 近几年，随着有机聚合物材料研究的发展，特别是一系列具有良好的热稳定 性和大热光系数的材料的出现，使得人们对热光开关的研究开始从对结构优化的 关注逐渐拓展到聚合物材料领域。 1 3 有机聚合物热光材料的研究进展 有机聚合物材料和其他材料相比，其最大特点就是结构灵活，器件制作比较 容易，且和光纤折射率匹配。对于用于热光开关的有机聚合物材料而言，其要求 主要包括：( 1 ) 具有良好的波导特性，传输损耗小。( 2 ) 热光系数大。( 3 ) 具有 良好的热稳定性。 1 3 1 常见的用于光通讯的有机聚合物材料 ( 1 ) 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 在聚甲基丙烯酸甲酯中，由于亚甲基和甲基吸收峰耦合，使吸收峰较宽，刚 好覆盖了常用的通讯波段，所以在通讯波段传输损耗较大。通过研究发现，将分 子结构中的氢全部或部分用氘或氟取代，可以降低通讯波段的传输损耗。据 报道，全氘代聚甲基丙烯酸甲酯d p m m a 在波长1 3 a n 处的传输损耗小于 0 1 d b c m ，而其它物理性质与普通聚甲基丙烯酸甲酯相同，但在1 5 5 , t a n 处传输 损耗依然很大( 大于1 5 d b c m ) ；而采用含氟的聚甲基丙烯酸甲酯，在1 5 5 , t o n 8 江苏大学硕士学位论文 附近的吸收衰减则大大降低矧。 ( 2 ) 聚酰亚胺( p i ) 聚酰亚胺具有玻璃化温度高，低介电系数，低吸湿率，低膨胀系数等特点。 含氟聚酰亚胺在光波导方面的应用研究是从近几年开始的，在聚酰亚胺中引入氟 原子后，近红外区域的传播衰减减少，同时阻隔了其发色中心，减少了他们的电 子相互作用，在可见光下颜色由黄色转变为白色，透明度增加。此外，聚酰亚胺 的热稳定性高，含氟的聚酰亚胺溶解性要好于普通的聚酰亚胺，这为光器件的制 作加工带来了方便驯。 除此以外，还有聚芳醚等其它材料，其中，含氟聚芳醚由于具有良好的热稳 定性和机械性能，低吸湿率和近红外波段光透射率高等优点，也成为优良的光波 导材料。 1 3 2 偶氮苯聚合物材料 在众多有机聚合物材料中，偶氮苯材料以其独特的性质受到更加广泛的关 注，这类材料通过将芳香族偶氮苯基团引入聚合物体系，对发挥偶氮苯基团的功 能起到了强有力的推动作用，因其在光电信息存储及处理方面具有独特的非线性 光学特性，对其特性的深入研究将对光信息产业的发展产生深远的影响。作为一 种新型的光学材料，偶氮苯功能化聚合物具有品种多、稳定性好、易于合成等优 点，在光信息存储、光开关等方面有着巨大的应用价值忉氆j 。 偶氮苯基团是一种具有光学活性的官能团，它可以在光或热的作用下进行 t r a i l s c i s 和c i s t r a n s 异构化转变，导致化合物吸收光谱和相态发生显著变化，异构 化反应如图1 3 所示驯。偶氮染料分子一般以稳定的反式结构存在，在光作用条 件下，反式结构会发生光致异构化从而变成顺式结构，但顺式结构不稳定，在光 或热的作用下会发生光或热致异构重新回到反式状态。光致顺反异构过程是偶氮 类材料的最基本特征，也是非线性光学响应的基础。如果在线性偏振光作用下， 伴随着偶氮分子的光致异构过程，偶氮分子的取向也将发生改变，并倾向于在光 偏振方向的垂直方向上重新取向。适当条件下，线偏振光的作用将最终使偶氮分 子的排列从无序到有序，被照射过的偶氮聚合物就将从光各向同性转变成光致各 向异性。所以，这种宏观的光致各向异性不仅与光强度有关，而且与光的偏振方 9 新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究 向有关。 1 w o 1 ) _ _ - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i h v 如) o r n = n 图1 3 偶氮苯顺反异构变化简图 f i 9 1 3e i s t r a n si s o m e r i z a t i o nd i a g r a m o fa z o b e n z e n e 目前已报道的偶氮聚合物体系主要包括：主一客体掺杂型体系、含偶氮苯光 学活性侧基的接枝共聚型体系和含偶氮基团的小分子单体通过缩聚、加聚等反应 生成聚合物的化学键合型聚合体系。 主一客体掺杂体系是采用超声波振荡等物理共混的方法使偶氮染料分散于 高分子薄膜中，生色团含量低且易于相分离，高温下偶氮生色团容易分解和升华， 因此在实际应用中受到很多限制印j 。含偶氮苯光学活性侧基的聚合物在分子水 平上是均相体系，具有较高的热稳定性和力学性能，还可以根据实际应用要求， 通过改变偶氮基团的类型和用量，可以得到具有不同生色团类型和含量的功能性 材料1 3 1 - 3 5 j 。由偶氮单体聚合而成的功能高分子，偶氮基团含量高，且在高分子 链上分布均匀，但偶氮单体的合成较为困难且合成步骤较多。接枝共聚体系与其 相比，可以利用现有的高分子骨架直接聚合得到偶氮聚合物，因此，近年来发展 很快。 1 3 3 偶氮聚合物材料的研究进展 含偶氮苯光学活性侧基的聚合物既具有偶氮基团的光学活性，又具有高分子 材料优异的力学性能和加工性能，因此在光器件材料、光信息存储材料、非线性 光学材料等领域都有重要的应用价值。而这一类聚合物的合成就成为近年聚合物 材料研究领域的一个热点方向。 在聚合物材料的研究过程当中，可控的相对分子质量和结构规整的聚合物合 成逐渐成为现代合成高分子化学的主要目标之一。活性聚合是实现高分子聚合物 1 0 江苏大学硕士学位论文 的分子设计的有效手段。根据引发机理不同，活性聚合主要分为活性离子聚合和 活性自由基聚合。活性离子聚合反应条件苛刻，反应工艺复杂，单体覆盖面窄， 因此关于活性离子聚合法制备偶氮聚合物的报道较少。而最近十多年发展起来的 活性自由基聚合法则克服了传统的活性离子聚合的缺点，既可以在温和的条件下 进行本体、溶液、悬浮和乳液聚合，又可以合成具有特定结构和预定分子量的聚 合物，单体适用面广，具有十分广阔的应用前景。目前，广泛使用的活性自由基 聚合方法主要包括：氮氧稳定自由基聚合( n i p ) 酬、原子转移自由基聚合( 栅) 1 3 7j 和可逆加成断裂链转移佛a 网聚合呻啪j 。近几年，有关用活性自由基聚合法 合成结构精致的偶氮聚合物的报道是逐年增多。 目前，偶氮苯类聚合物在实际应用方面还存在一些困难。虽然其在加工和成 本方面较传统的非线性光学材料有较大的优势，有着巨大的潜力，但当前制约其 实际应用的主要因素是光传播损耗过大。造成这一类聚合物中光传播损耗过大的 主要原因是由于生色团的引入会在聚合物薄膜中形成许多不均匀的微畴结构，从 而导致损耗的剧增，这