（物理电子学专业论文）聚合物voa的设计和实验研究.pdf

摘要 可调光衰减器( v o a ) 是密集波分复用( d w d m ) 网络中的重要器件之一，它的一个 重要应用是实现多通道间的功率均衡。它的功能是通过某些途径可控的衰减在信道中传输的 光信号。本论文的主要工作是设计新型的可调光衰减器，包括材料的选取、结构的设计和模 拟、以及制作工艺的探讨 本文根据耦合模理论提出了一种基于三波导耦合结构的聚合物电光可调光衰减器的设 计方案。该结构由三个相邻波导组成，中间的波导用于信号光的输入和输出。光在衰减器中 传播时，利用两个旁侧波导耦合掉主通道波导中的光，从而达到衰减的目的。通过电光效应 控制两个旁侧波导折射率的改变量，来改变耦合进旁侧波导中光的能量，从而得到可调谐的 光输出功率。为达到精确的模型参数，本文还运用光束传播法( b p m ) 对该器件的插入损 耗、衰减范围、尺寸等参数进行了模拟、分析及优化，并得到了理想的结果实验方面，研 究了有机聚合物光波导的制备工艺过程，测试了聚合物光波导的曝光后折射率的改变，并制 备了脊形聚合物光波导样品，为v o a 的制作提供了理论支持和实验准备。此外，根据v o a 的各种参数，制定了相应的测试方案。 关键词：光衰减器聚合物光波导光束传播法耦合模理论 查堕查兰堕芏兰堡堡兰 a b s t r a c t v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ( v o a ) i so n eo ft h ek e yd e v i c e si nd e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) n e t w o r k i t sm a j o rf u n c t i o ni st od e c a yt h eo p t i c a ls i g n a lq u a n t i f i c a t i o n a l l y i no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，an e wv a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o ri sd e s i g n e d ，i n c l u d i n g c h o o s i n gm a t e r i a l ，d e s i g n i n gt h es t r u c t u r ea n ds i m u l a t i o n ，a n df a b r i c a t i o n a c c o r d i n gt oc o u p l i n gt h e o r y , ac o u p l i n g - b a s e dv o a i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ev o au s e s t h r e ec h a n n e lw a v e g u i d e sa n du t i l i z e st h ee l e c t r o o p t i ce f f e c t so fp o l y m e r t h em i d d l ew a v e g u i d e i su s e dt oi n p u ta n do u t p u tt h es i g n a ll i 出，w h e nt h es i g n a li i g h tp r o p a g a t e si nt h ev o a ，t h et w o w a v e g u i d e sb e s i d et h em i d d l ew a v e g u i d ew i l lc o u p l ep a r to f t h es i g n a ll i g h ti n t ot h e m s e l v e s ，t h e p o w e rc o u p l e db yt h et w ow a v e g u i d e si sd e c i d e db yt h ev o l t a g eo f t h ee l e c t r o d ew h i c hi sc o v e r e d o nt h et w ow a v e g u i d e s i no r d e rt og e tt h ee x a c tp a r a m e t e r so ft h ev o a ，t h eb e a mp r o p a g a t i o n m e t h o d ( b p m ) i su s e dt oa n a l y z ea n ds i m u l a t et h eq u a l i t i e so f t h i sd e v i c e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h i sd e s i g nr e d u c e st h ed r i v ev o l t a g ee f f e c t i v e l y , a n dr e a l i z e sal a r g el o s s t h ef a b r i c a t i o no f t h e p o l y m e rw a v e g n i d ei ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h et h e o r yo fu l t r a v i o l e t ( u v ) r a d i a t i o na n dt h e e x p e f i m e n l a ls e t u pa l ea n a l y z e d t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so far i d g ew a v e g u i d es a m p l e ，s u c h a b s o r b a n c es p e c t r a , r e f r a c t i v ei n d e x , a n dt h i c k n e s s ，a r cm e a s u r e da n da n a l y z e du s i n gap r i s m c o u p l e r , a l l t h e w o r k c o u l d h ea g o o d p r e p a r i n g f o r m a k e v o a o n t h e o t h e r s i d e ，a t e s t m e t h o d i s p r o p o s e dt og e tt h ep a r a m e t e r so f t h ev o a w h e ni ti sa c h i e v e de x p e r i m e n t a l l y k e y w o r d s ：v a r i a b l eo p t i c a l a r e n u a t o r p o l y m e rw a v e g u i d e b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d c o u p l i n gm o d em e t h o d i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声嚷 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆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除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查瞬和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：矬导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近二二十年来，电子学在计算和通信领域得到迅猛的发展，二人技术半导体材料，集 成电路的自动化微【= 艺和集成电路设计为此创造好的平台。冈此大规模，低成本制造集成电 路成为可能。然而，在很多应用中需要带宽特性的急剧增长。电路中信号传播和开关速度是 有限周定的。随着通信中对带宽的需求，电路表现出了局限性。 与此同时，光路的发展带来一场计算和通信的革命，光路在许多领域中大大优于电路。 光路应用相比于电路具有非常大的信息容量( 宽带宽) 、低的传输损耗、低的发热量，串扰 和电磁干扰小、重母轻和尺寸小的优点。光在光介质复用波长传播时不是线性的，冈此就能 并行的处理不同的波长。此外，光子学在订多电子学的应用领域起到至犬重要和补充作用。 成功应用光子的例子如：宽带通信高容量信息存储，大屏幕和便携信息显示技术”。l 固一 亟圃 l平面光波器件 图1 1 光波导的应用 宽带通信( 电信和数据通信) 能通过导波光学和自由空间通讯( f s o ) 实现。导波光学 基了：光的全反射( t i r ) ，制作时使芯层的折射率高于包层的折射率，从而把光限制在波导 中传播。图1 - 1 中光波导分两种：集成光学中的薄膜沉积和光纤光学中的圆形截面的介质。 按照其中不同的传播模式或电磁场分布，分为单模和多模波导。每种模式区别于其频率、有 效折射率，偏振能量分布，电磁场强度【4 l 。 东南大学硕十学位论文 1 2 集成光学的特点、历史和现状 1 2 1 集成光学概述 上世纪6 0 年代末，随着微波、激光、半导体、薄膜光学和集成电路理论与技术的迅速 发展，逐渐形成了集成光学的雏形。当时有很多名称，如“集成光路”、“光集成”、“集成光 学信息处理器”等。1 9 6 9 年美国贝尔实验室的s e m i l l e r 首先提出了“集成光学1 ( i n t e g r a t e d o p t i c s ) 的概念1 9 7 2 年，s o m e l d as 和y a d v e a 提出了在同一、1 ，导体衬底上同时集成光器 件和电子器件的构想嘎从那对到现在，集成光学无论在理论上还是在庶用方面都得到了长 足的发展。现在的“集成光学”已经不再是当初把几个光学元竹集成在一起的简单概念。而 是一个集光学、激光、微电子学、光电子学、通讯、薄膜技术等为体的新型学科。随着信 息高科按时代的到来，在集成光学自身理论、材料，1 艺、器彳， 及应用等诸方面1 s 速发展的 同时，又不断地从光学，激光、微电子学、光电子学、通讯、薄膜技术等相关学科的发展中 汲取丰富的营养，使得集成光学日益充满活力和生机，成为2 1 世纪诸多新兴边缘学科中 颗耀眼的新旱! 目前集成光学的概念涵盖广泛的内容。从集成方式上划分，可分为光子集成( p i c ) 和 光电集成( o e i c ) ；从集成形式上划分，可分为单片集成和混合集成。所谓单片集成，是指 在半导体或光学晶体衬底上，只经过系列制作l 二艺，同时把所有元伺集成在一起；而混合 集成，是指用不同的二i ：艺制作各种元件以后，再组装在半导体或光学晶体衬底上。从研究内 容上划分，可将其划分为导波光学和集成光路两部分。导波光学主要研究光在导波介质中的 产生、耦合、传播和损耗等物理现象和性质，以及相应的光波导器件，比如光耦合器、光分 柬器及合波器、光开关，光放大器、光调制器等。集成光路主要研究如何把各种光波导器件 集成在同一村底上，形成具有一定功能的微型光学系统，以改进和提高这些微型光学系统的 性能。目前的集成光学器件种类繁多，新器件、新一i ：艺层出不穷，应用也日益广泛，他们不 断丰富着集成光学的内涵。 1 2 2 光波导的概述 光波导是集成光学的基础，集成光学的发展离不开光波导理论的发展及制作工艺的提 高。1 8 8 0 年，光波导开始被w h e e l e r 称作“光管道”。随着激光的发明和干涉光学的发展， 用来组成光器件和连接光路的长距离传输介质( 光纤) 和导波结构的需求迅速增加起来。光 2 第一章绪论 波导能够制作光通信平面器件并且能够集成到平面光波同路中，这种波导结构在微波以上频 段相对于电路显示出许多的优点。1 9 6 4 年s e h l o s s e r 最先从理论上研究了矩形介质波导，1 9 6 5 年a n d e r s o n 提出了薄膜波导器件和线路结构，并把这种结构戍用于红外波段。1 9 6 9 年m i l l e r 根据这些早期成就的优点和可行性，提出了“集成光学”的概念，使平面光波导和光波同路 获得了极人的发展。之_ i 再，在光波传播、激发和光学薄膜的理论被用来分析和设计波导结构， 并且精确和可靠性高的技术用来制作平面光波导和光集成器件。 高折射率介质层 衬赢 图i - 2 平面波导 图1 - 3 条形波导 由丁：芯层比包层折射率要高，光束能够限制在薄膜中就形成了波导。折射率的改变是阶 跃变化的波导称为阶跃型( s d 光波导；而折射率的改变是连续变化的则称为折射率渐变跫 ( g i ) 波导。图1 - 2 显示典型的二层结构的阶跃型平面波导，其沉积高折射率的薄膜材料在 低折射率的衬底上。第三层通常是空气或者另外的低折射率覆盖层。这种波导是基本的波导 结构，实际上可以适当的结合不同类珲! 的光波导结合起来来得到期望的特性。二维的光波导 能够使光在薄膜厚度方向受到限制；现在，光束在切向都受限制的三维光波导如条状波导( 图 i 3 1 的制备t 艺趋于完善，使得光集成器件容易实现了。 虽然这类光波导传播距离很短，但是由它所构成的集成光学器件在光通信系统中起重要 作用。早期的光纤通信系统是简单的长距离传输管道，点对点传输信号。光网络的目的是组 织和处理光信号并且传输，最终目标是全光网络，信号通过光网络以光的形式传播，特别是 全球的服务器，包括电话，有线电视、数字视频、数据和因特网容量的迅速扩展，加速了光 通信网络的增长。随着近几年来的光密集波分复用( d w d m ) 的发展，通信网络发生了戏 剧性的改变。 据市场人士预估，未来每三年为网络的一个时代，网络传输速率的需求会增长1 0 倍。 以往的光纤通信传输方式仅限于少数几个传输波长如8 5 0 r i m 、1 3 1 0 n m 及1 5 5 0 n m 的光信号。 然而国际网络的通信罩正呈现爆炸式的增长，虽然光纤网络拥有大容晕数据交换及传输的特 东南大学硕 。学位论文 性，但光纤网络的布建速度仍远小于需求的增加量。目前为了实现此目标，只有在光纤通信 系统中，进一步加强使用波分复用( w d m ) 技术使用一条光纤传输不同频率( 波长) 的光信 号，以增加光信号传输的容量，而这些波长又必须尽鼍落在光纤最低损耗和现有的光纤放大 器增益的波段内，例如1 5 2 5 n m 一1 5 6 0 n m 附近。 根据各路波长之间的间隔把波长间隔为2 0 0 g h z ( 1 6 n m ) 以上的复用称为粗波分复用 ( c w d m ) ：把波长间隔为2 0 0 g h z ( 1 6 n m ) 以f 的称为密集波分复_ h ( d w d m ) ，目前在长途系 统和城域网中广泛使用的是d w d m 系统；在用户接入系统( 尤其是光纤到户) 中使川的是 c w d m 系统。要达到大数晕的传输波长，必须使用目前倍受瞩目的d w d m 技术。 d w d m 的巨大成功鼓励了电信设备商去提高网络容量甚至探索更多的d w d m 通信信 道。d w d m 使全光网络成为可能。光纤网络的持续发展最终需要依靠便宜和可靠的光集成 器件作为路由器，光开光和光探测器p i 。 近几年来，许多公司正积极研究、开发并推出d w d m 系统的新产品，市场竞争相当激 烈。日本富士通于2 0 0 0 年6 月份在北美地区推出了全球最大规模的1 7 t b i td w d m 系统。 美国s p r i l i t 从1 9 9 5 年开始陆续布建d w d m 系统；在2 0 0 0 年底，它的妖途干线d w d m 布 建率为1 0 0 ，主要使用1 6 波长系统，并逐渐发展为4 0 波长系统，甚至是9 6 波睦系统， 使骨干网络容量扩充至2 4 0 g b i t s ( 是2 5 g 的9 6 倍) 。日本n 1 1 从1 9 9 6 年开始建设d w d m 试用网络，但没有更进一步计划；由于日本国内使用的光纤丈部分是g 6 3 3 色散位移光纤， 而这种光纤不适合8 波长以上的d w d m 系统的光传输，冈此n t t 目前的网络策略是着重 于s d hs t m - 6 4 系统技术的发展。英国电信b t 已建设1 6 波长d w d m 系统，现正计划建 设泛欧式光网络系统，其传输容最为3 2 0 g b i t ( 3 2 1 0 g b i 0 。美国的世界通信公司w o r l d c o m 初期建设容鼍4 0 g b i t ，使用1 6 波长2 5 g b i t s 的d w d m 系统，同时也在世界各地建设d w d m 海缆系统。 另外，宽带通信也被用于短距离，计算机内部网络。当代的计算机速度上的限制在于 信息只能在电子处理器和储存芯片中传输。这种情况f ，微处理器计算能力的增长要求总线 传输的增长，而限制总线带宽的主要瓶颈在于电路板与电路板数据接口之间的通信。光互联 的发展代替传统的主板，可以获得高的数据传输速度i 。 1 2 3 有机聚合物集成光学器件的特点 随着光网络中宽带通信的进一步成功，数据通信和计算将依赖于基于光波导器件的光 4 第一审绪论 器件，例如光分离器，光合波器，复用器( m u x ) ，解复用器，光开关，调制器，可调滤波 器。可调光衰减器( v o a ) ，光放大器和其他集成光学器锋。基本的设计和制作集成光波导器 件己初具规模，但在材料领域没有完全的胜者( 表1 1 ) 。今天光纤已经府用于高速数据传输， 虽然光纤提供了便利的方式长距离的传输光信息，但是对于传输复杂高密度的线路是不容易 实现的。除光纤易碎和震动敏感性之外，光纤设备的制作也比较困难，特别是端口数量多时 会导致成本过高。而光波导材料弥补了这种不足。i n p 材料i v 族半导体材料广泛的被应 用于波导制作。这种材料在制作光有源器什上具有很大的潜力，如1 5 5 0 n m 附近的激光器和 光探测器的集成。然而，从最近销售光器件的情况来看，由于半导体的处理很复杂，价格比 较昂贵。在应用较为接近的s i 集成电路的制造技术基础上，已经实现了基于s i 的平面光波 器件( p l c ) 1 9 8 0 年n t t 首先提出s i 基的平面光波器件；然而，制作出第一批商业产品 花费了将近1 5 年的时间。近来，光开关和阵列波导光栅( a w g ) 的复用器獬复用器在d w d m 系统中占据s i 基平面光波器什技术的主要应用”，出于成本考虑，高的开关功率需要s j 基 开关器件，然而，低波长调节范围和中心波长温度依赖的是s i 基a w g 主要的问题。在可 选材料体系中，聚合物是高集成光器件和光路值得期待的材料选择【s l 。聚合物材料是制作集 成光器件很有前景的材料，因为聚合物材料提供了快速响府，低正本的优点。相对了：s i 具 有低光损耗和小的双折射，由于聚合物具有比s i 人的热光系数，所以其受热能量转换效率 高。高的折射率比值使得其器件尺寸小。此外，聚合物提供了一个理想豹平台。通过选择掺 杂或反应来结合其他复杂的材料 聚合物集成光学器件具有如卜优点： i 制作高质量的聚合物波导材科相对容易，同时波导材料的折射率也易于调整。 2 器件制作工艺简单，并与传统的半导体工艺相容，有利于大规模的生产，成本低。 3 材料可旋涂在许多类型的基底上，有利于与其它的光电子器件集成。 4 ， 材料种类多，因而可选择损耗低且偏振无关的材料来制作器件。双折射小，制成 波导器件性能受偏振影响较小。 1 3 光衰减器 1 3 1 光衰减器及其用途 光衰减器( o p t i c a la t t e n u a t o r ) 是光通信中不可或缺的重要器件之一，它的目的是可控的 5 东南大学硕士学位论文 降低波导中传输光功率。光衰减器可按实际操作的需要定最的衰减光信号，常用的方法是吸 收或反射掉光功率余量。光衰减器在光纤通信、光纤传感器及光纤测量系统中有着广泛的应 用。利用它可以模拟光纤长距离传输或者检测传输系统的动态范围。目前光衰减器的市场潜 力巨大，在无源器件中，其产量仅次于连接器、耦合器等。近年来，随着光纤通信的迅猛发 展，光衰减器在波分复用光纤网络中发挥着重要的作用。这是由于在波分复用光纤网络中， 各通道中信号的强弱有很大差异，如不进行有效控制会影响光放入器的增益平坦性，以及 引起信号的饱和或增加信道之间的串扰等。因此必须用可变光衰减器来调整各通道中信号的 强弱。图l - 4 为可变光衰减器在密集波分复用系统( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , d w d m ) 中的应用示意图【”。可见，随着密集波分复用系统的发展市场对体积更小、重 量更轻、成本更低的可调谐光衰减器的需求量会急剧增长。 输舢 金茹 信 号弋 巢馨 代号 光放光衰光调光放 大器减器制器大器 图l - 4 可调谐光衰减器在d w d m 系统中的应用 1 , 3 2 光衰减器的性能指标 由于光衰减器的种类繁多，并且其性能要求随着具体的应用稍有差别- 目前还没有一 个严格统一的性能指标。参照各生产厂商产品性能及具体应用要求光衰减器性能一般情况 f 应符合下列指标 ；o - n 1 ( 1 ) 外形尺寸：光衰减器必须尺寸小、重量轻，并且有连接功能，便丁装入光端机、 光中继器或其他仪器设备中； ( 2 ) 衰减量随波长变化小； ( 3 ) 衰减范围；衰减范围虑由具体戍用而定，但一般情况下应大于0 - 2 0 d b ： ( 4 ) 插入损耗：多数可变式光衰减器插入损耗小t4 d b ； ( 5 ) 回波损耗：光衰减器一般用在接收端，线路的同波一般在人丁4 0 d b k m 之间， 所以有3 0 d b 左右的回波损耗就足够了。但对应用于g b i t s 级高速光通信系统、 6 第一章绪论 c a t v 网、相干光通信中的衰减器要具有很高的网波损耗，最好能大于4 0 d b ； ( 6 ) 重复性好：在温度变化，冲击等条件f 均十分稳定。 这只是对可变式光衰减器的一般要求，国外目前可调谐光衰减器也正向着体积更小、成 本更低的方向发展。 1 3 1 3 光衰减器的类型 按使用方式来分，光衰减器大致可分为固定光衰减器和可调谐光衰减器两类，其中可 调谐光衰减器还可以分为阶跃可变式和连续可变式两种。同定光衰减器只能对光功率进行预 定鼍的衰减，而可调谐光衰减器既能对光功率进行预定骨的衰减也能对光功率的电平进行适 时控制。与同定光衰减器相比，可调谐光衰减器的结构复杂、精度要求高，而且需要进行精 密调试”。从光衰减器的生产技术来看，目前所生产的和正在研究的光衰减器主要有采用 m e m s 技术和采用集成光学技术的光衰减器。此外，还有传统技术制造的大体积光衰减器。 1 3 3 1 传统型光衰减器 按工作机理来看，传统型光衰减器主要有机械型、液晶型和声光剖这二大类。机械犁 光衰减器生产技术成熟，性能稳定，目前商业化的光衰减器几乎全是机械型的。 ( 1 ) 机械型光衰减器 目前机械型光衰减器土要有两类，一类是利用输入、输出光纤对接时的位移来对传输的 光功率进行衰减的位移型光衰减器。男一类光襄减器是在光传输路径中插入遮挡物捎玄部分 传输光，从而对传输的光功率进行衰减，图1 5 和图1 6 分别是利用移动光纤原理制作的纵 向位移型和横向位移型光衰减器的原理图。根据这个原理可以制成同定的和可调谐的位移型 光衰减器1 1 3 - 4 1 。 搿一 固定兜纤 圈 可动光纤 图1 5 纵向位移可变光衰减器图1 6 横向位移可变光衰减器 遮光型光衰减器主要有阶跃可调谐光衰减器和连续可调谐光衰减器两种形式。一般是 通过在平光路中插入衰减片转盘的方法制作其光学原理如图1 7 所示 t 5 1 。衰减片采用吸 收型玻璃或在玻璃基片上镀吸收膜的方法来制作。采用对准器射出平行光路，在光路中插入 7 东南大学硕t 学位论文 了两个具有同定衰减量的衰减圆盘，每个衰减圆盘上分别装有0 、5 、1 0 、1 5 ，2 0 、2 5 d b 六 个衰减片，通过旋转这两个圆盘，使两个圆盘上不同的衰减片相结合，即可获得0 、5 、1 0 、 1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 、4 5 、5 0 d b 十档衰减帚。 入先纤 出竞拜 图1 - 7 阶跃可调谐光衰减器结构图 连续可谓谐光衰减器有两种形式，一种是利用连续交化的衰减片进行衰减，另一种是 利用插入传输光路中的挡光片来进行衰减。衰减片型连续可调谐光衰减器的总体结构和工作 原理同上述阶跃型光衰减器相似，如图i - 8 所示。但它是由一块步进衰减片和一片可调谐光 衰减片组成的。通过步进衰减片的精档和可调谐光衰减片的细档共同作用，即可达到连续衰 减光功率的目的f 1 6 】。 输入光纤 输出：兕纤 图】8 可调谐衰减片式衰减器的结构图 ( 2 ) 液晶型光衰减器 图1 9 为液晶型光衰减器的原理图。液晶层为分子轴呈扭向排列的p 型液晶。入射光束 经白聚焦透镜后成为平行光，该平行光被分束元件p 分成与偏振面相互垂直的两束偏振光： o 光和e 光当。光和e 光经过未施加电压的液晶元件时。两束偏振光同时旋转9 0 0 ，旋转 厉的偏振光再被另一个与p i 光轴成9 0 0 的分束元件p 2 合成为一束平行光，经另一只白聚焦 透镜耦合进输出光纤中。当在液晶中的两电极间施加一定的电压后，液晶晶向的扭向排列偏 转一定的角度。这时通过液晶的部分。光和c 光发生偏振面的旋转。其中偏振方向旋转 9 0 。的那部分。光和e 光被分束元件p 2 汇成一束平行光而耦合进输山光纤中。其余的光则不 能被汇合，并以一定的角度射出光路。随着外加电场的不断加强，偏振面发生9 0 0 旋转的那 部分光功率逐渐变小，即被自聚焦透镜耦合到输出光纤中的光功率随之变小，从而实现对传 输光功率的褒减f ”l 。 8 第一章绪论 曩明电轾 图1 - 9 液晶型光衰减器结构图 ( 3 ) 声光型光衰减器 射光柬 ， 图1 1 0 声光型光衰减器结构 图l 一1 0 是声光犁光衰减器的结构原理图。当把频率为f 的射频( r f ) 信号输入这种衰 减器时，在其内部产生一个移动相位光栅( m o v i n gp h a s eg r a t i n g ) 。当入射光束进入布拉格 区域时，会产生衍射光束。光束经过该器件所产生的光栅结构会把更多的光功率从入射光束 耦合到衍射光束中。其衍射效率与衰减器中的声能密度有犬。而声能密度的大小又取决丁入 射的射频信号频率f o 因而改变射频信号的频率就可以控制衍射光束光功率的大d , t ”1 。 1 3 3 2m e m s 光衰减器 m e m s 光衰减器主要有捎光型、反射微镜型、m a r s 型、液晶型、波导型以及移动光 纤犁等。 挡光型m e m s 可变式光衰减器利用微驱动器驱动的挡光片插入两根对准的单模光纤的 缝隙中来实现对光功率的衰减。从驱动器的类型来看目前报道的这类光衰减器主要有热驱动 和静电驱动的衰减器。 波导型热光m e m s 可变光衰减器是利_ i j 热光效鹿原理对光功率进行衰减的。这种 m e m s 光衰减器主要由一个在聚合物中的薄膜型非对称分支波导和一个微犁薄片状加热器 构成。通过给加热器通电流来加热波导材料，使之折射率发生改变，从而使光耦合时非对称 的耦合进两个分支来实现衰减。 液晶型m e m s 光衰减器是利用液晶对光的散射效应来使输入的光功率发生衰减。这类 衰减器是在波导中填入液晶材料，当液晶材料在加电时分子阜有序排列而望透射状态，此时 输出光功率最大：当不加电压或电压不够大时，液晶分子星无序排列，入射光束受到散射作 用，从而达到衰减的目的。 微镜反射式m e m s 光衰减器是利用微型平面镜来改变反射光束的方向，从而改变耦合 进入输出光纤中的光功率。这种m e m s 光衰减器主要由输入、输出光纤、准直透镜和微平 面镜组成。 9 东南大学硕十学位论文 此外还有m a r s 光调制器型m e m s 可调谐光衰减器、电化学型m e m s 可调谐光衰减 器，这里不再一一介绍。 1 3 3 3 利用集成光学制作的光衰减器 利用集成光学工艺制作的光衰减器从结构分主要有m - - - z 型，长牛角型及s 型三种， 从材料机理分有电光型和热光型。 m z 型光衰减器通过改变m z 型的两条干涉臂之间的相位差达到改变输出光强的目 的，电光效应m z 型光衰减器的典帮的结构图如图1 1i 。m z 的相干臂为电光型材料，通过 加载电压使其折射率改变，从而引入一个相位差。在出口处两条相干臂中的光发生干涉，当 相位差达到万2 时，输出光强为零最小：当不加电乐时则没有相位筹，此时光1 0 0 输出。 图1 1 1m z 型电光光衰减器结构图 长牛角型光衰减器是通过改变波导内部折射率形成一个反射镜使单模光发生反射从而 激发出高阶模，在输出单模波导区将高阶模滤掉来达到光衰减的目的，其典型结构图如图 1 1 2 t 。该器件由两个输入和输出直波导、一个电极、两个过渡区、一个多模波导区和单模 波导区组成。输入和输出单模波导与标准单模光纤匹配连接，可使插入损耗降至最低。波导 设计为脊型波导，芯层和覆盖层均为热光聚合物，具有几乎相同的热传导系数。在覆盖层上制 成金属薄膜电极作为加热器。光单模波导进入多模波导，经过过渡波导区时被逐渐绝热扩展 为多模光；在多模波导区，与光束成微小角度a 的金属薄膜电极通电时会产生欧姆热。在金 属薄膜电极下面的聚合物层由于热光效应，折射率变低，使局部区域产生明显温度梯度，也 就产生折射率梯度，梯度方向垂直于薄膜表面或与光束成a 角。当沿水平传播方向的光束通 过具有折射率梯度时，光束被部分反射，反射角度为与水平成2o 角。如果反射的角度大于 在波导区域内的单模传播角度，则反射光束会被耦合到高阶模中；在第一二个过渡区时光束的 高阶模大部分辐射出去而完成衰减，最后从单模波导中输出单模光。可以通过控制电极的电 压来控制聚合物波导的温度，从而使衰减器有较大的衰减范围。 1 0 第一章绪论 图1 1 2 长牛角型光衰减器结构图图1 1 3s 型光衰减器结构图 s 型光衰减器是利用波导的弯曲及折射率的改变来控制弯曲处光的辐射景来控制衰减 的，其典型结构图如图1 1 3 所示i “。根据弯曲波导理论，沟道波导弯曲区域切面上的折射 率不是阶跃型，而可以等效为向外倾斜的斜线( 如图】一1 4 所示) ，当y 增大时，包层的折 射率不断增加，甚至比核芯区的更大，电磁场分布也会向折射率增大的方向平移，即偏向y 的正方向。所以产生辐射损耗可以理解为，在波导的弯曲部分，要求离波导较远的光场( 一 直延伸到无穷) 以比光速更快的速度向前移动，这当然是不可能的，故在较远区域的场就不 再被约束在波导内，其能晕产生向外辐射。 f 芝：1 l 一一 一一l i - r 图卜1 4 弯曲波导截面的等效折射率分布 1 4 集成光学的模拟及其意义 随时因特网的迅速发展，对通信网的带宽、传输速率的需求的增大。为了克服电子瓶 颈的约束，从而对光传输系统以及集成光学、纤维光学器件( 如光纤，激光器，探测器，调 制器，开关，波分复用器件等) 朐发展提出了越来越紧迫的要求。这些器件的发展一部分是 随着制作技术的进步而发展，但用于对集成光学器件建模的数值技术以及商业化的计算机辅 助设计软件包( c a d ) 也起来了非常重要的作用。由于制作 艺和设施不断改善和创新， 即使结构相当复杂的集成光路也能转化成实际器作，达到理论与实际相结合，并反过来推动 建模技术的发展，两者是相辅相成的。具体体现在对现有器件的优化、对新产品缩短设计周 1 1 东南大学硕t 学位论文 期、以及对新器件的性能评估等。总之，精确的分析和模拟光波导器件的功能对于发展集成 光电子学是十分重要的找出有效的，灵活的分析1 具去模拟、设计、优化器件是非常必要 的。 按照折射率的分布，光波导可以分为弱导光波导和 f 弱导光波导。在弱导近似下，矢量 亥姆霍兹方程之间没有耦合。可以转化成标荤的形式，模场的求解相对要简草；对于节弱导。 由于矢量亥姆霍兹方程之间相互耦合，严格求解相当困难“1 ，多采用近似的方法来处理； 另外对于折射率为周期或准周期的情况，如光纤光栅或波导光栅，可以用耦合模方程来处理 b 。在本文以下的论述中，一般都是针对弱导近似豹光波导。 按照波导结构，光波导可以分为平板波导( p l a n a rw a v e g u i d e ) 、条形波导、契型( t a p e r ) 波导、脊型波导以及弯曲波导等基本结构还有由它们组合成的复合波导结构，如定向耦合 器、光分支器、星形耦合器和阵列波导光栅复用器等。 平板波导结构是最简单的，也是最典犁的波导它的导波模场和传播常数有解析解。 条形波导的模场和有效折射率有很多求解方法，如有效折射率方法变分法f “，以及 各种形式的数值解法，模场匹配方法、线形方法( m e l h o do fl i n e s ) 等等| 。“l 。在理论上一般 希望能够精确求解波导的有效折射率，对条形波导来说，变分法和数值方法比较可取。脊型 波导和条形波导有些相似可以通过有效折射率方法以及与条形波导相同的数值解法得到它 的有效折射率和导波模场， t a p e r 波导实现不同截面尺寸波导的连接，它的横截面是变化的。较早处理t a p e r 结构 采用的是局部模方法“1 ，已有研究表明利用t a p e r 结构实现不同截面波导的连接，如果采用 抛物线结构可以获得最小的传输损耗i 2 ”， 弯曲波导在改变光的传播方向，控制相位方面有重要应用( 如a w g ) 。较早对于弯曲 波导的研究主要是求解弯曲损耗，但由于采用了近似方法，计算得到的传播常数精度不够 1 2 s - 2 9 t 。当前有利用模场匹配的方法和线形方法对弯曲波导进行研究旧，计算弯曲波导的传 播常数、导波模场和传输损耗，这两种方法有些相似，不过线型方法实现起来相对要简单。 上面陈述了光波导的一些理论和计算方法，这些理论和方法主要集中于模场和传播常数 的求解，而对光脉冲在波导中的动态传输则需采用光传播算法( b p m ) ，这是目前优化设计平 面光波导器件最流行的方法。b p m 是二十世纪7 0 年代mj a f l e c k ，j r m o r r i s 和h d f e l t 为了处理大气中的激光传输而提出来的m l ，不久他们将b p m 应用于研究波导中的光传输 脚6 1 ，后来经过不少人的研究和改进，b p m 已经成为一种实用性非常强的波导模拟算法工 具，它的最重要特征是能够对导波模和辐射模作统一处理。最初的b p m 都是采用快速傅立 1 2 第一章绪论 叶变换( f f d 算法【3 1 - 3 4 1 ，其结果是耗时长且不稳定，只能处理近轴近似情况，适用范围窄。 近年来发展起来的级数算法和有限差分算法对此有重大改进【2 8 2 9 1 ，如果将b p m 和线型方法 相结合还可以直接模拟计算弯曲波导的光传输m 】。 般的半导体器件总涉及强导特性。需要采用二维矢量b p m 进行分析。但在许多应用 中为了保证单模特性、低的耦合损耗和研制中容易控制，往往采用大截面单模波导。在这种 情况下。波导往往显示出弱导特性，因此可以采用标量b p m 来分析处理，而且单模波导意 味着有效折射率方法也是有效的。对于平面光波导器件一般都是单模的，因此在用b p m 进行优化设计时，一般将三维波导通过有效折射率方法转化为二维等效波导f 2 8 j “，这样可 以大大减少计算时间。特别是对于比较复杂的器件如a w g ，如果不采用这种变换，几乎不 可能进行模拟计算。 1 5 本论文所傲的工作及论文内容： 本文所做的工作处于导波光学范畴，内容是设计与制作光学器件有机聚合物平面光波导 结构v o a 。本文根据耦合模理论的光强在两个波导中分布的情况，提出了使用二条相邻波 导制作可调光衰减器，用b p m 算法进行了模拟分析和优化，并研究了聚合物光波导的制备 方法。 本文第二章对二维及三维的有限差分光束传播法作了一个详尽的归纳。并对几种算法 的特点及程序实现给出了详细的说明。 第三章介绍了耦合模理论及设计的基于二波导耦合的电光聚合物可调光衰减器。在使 用b p m 模拟后，这种新型的可调谐光衰减器可达到6 0 d b 的衰减，并且与两根波导的耦合 方式相比，具有更小的驱动电压和尺寸，更大的衰减。通过理论的计算，为实际制作提供了 极好的基础。最后文章提出了利用这种结构的v o a 隹4 作阵列时的各种参数。 本文第四章介绍了有机聚合物波导的特点，研制有机聚合物集成光学器件的工艺和测 试结果。同时我们给出了制作的有机聚合物波导的样品。研究分析了聚合物光波导光曝光法 的实验装置，有机聚合物波导样品的吸收谱、折射率、厚度、损耗等特性。为制作v o a 的 实际器件提供了制作方法和相应得测龟机制。 东南大学硕士学位论文 第二章光束传播算法 2 - 1 有限差分光束传播法 有限差分的光束传播法f i n i t e d i f f e r e n c eb p m ( f d b p m ) f f - 常广泛的被应用于光波导的 设计。可以使用f d b p m 计算弯曲波导，锥形波导和交叉波导等结构。最初的f d - b p m 采 用标量傍轴近似，光波限制于一个小角度内传播。其优点在于沿传播方向可取相对于波欧 较大的步长；慢变幅度近似把二阶问题转化为一阶问题，从而提高了计算效率，使得计算 更精确，更有效率，更稳定f l i 。而这点对于数值算法来说比较重要。其缺点在于其傍轴性， 要求折射率的变化不能较大。对于大角度的器件，采用傍轴算法不能准确的进行模拟。为 了克服这些困难，建立在f d - b p m 基础上的各种p a d 6 近似算子的宽角计算方法口1 发展起来 这些都极大的推进了f d b p m 的发展，甚至能够使用f d - b p m 设计高折射率差的材料，如 半导体波导的设计。 此外本章讨论了透明边界条件t r a n s p a r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n ( t b c ) 1 3 4 1 ，这是一种简单 而不需特殊条件的边界条件。 2 1 1 波函数 f d - b p m 是由基本的波函数推导而来的。假设波导在y 方向是一致的。可以用m a x w e l l 方程组表示： v e = 一问p o l 4 ( 2 1 ) v h = 扣o ，e ( 2 2 ) 既然假设波导结构在y 方向是是一致的，那么对y 方向的偏微分可以设为零，方程组 简化为： 一季：巾p 。t - l ( 2 23 ) 一= 一，0 ) l l 。，1 j ) 拿一誓；一弘肛。h ，(24)oz 4 一= 一，u ( 2 4 ) 盘 。 4 第一二章光束传播算法 ( 2 ，7 ) a t e 模式 图2 1 所示的是t e 模的主要场结构。e v 和h 。是主要场，需要用波函数表示在 t e 模中，x ，z 方向的电场和y 方向的磁场为零： e l = e ：= h y = 0 图2 - 1 t e 模中的土要场r 和h 。 把方程( 2 9 ) 带入方程( 2 3 ) - ( 2 8 ) 能够得到t e 模方程 5 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 ，1 1 ) 日 e e e k e 巾 | | 肚 肛 = i i = = 堡缸堡瑟 呱卜毽 吗i 一 一 望昆 h h 斗 “ 一 弘 一 一 = = 堡出堡缸 一 东南大学硕上学位论文 譬一譬：觚啪， a z苏 。 ” 1 氐表达式 第一步，从波函数中得到y 方向电场马，取代x ，z 方向的磁场 峨：士孚 j c 0 1 t o 出 凰：士孚 j c o l x o 珊 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 把方程( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 带入到方程( 2 1 2 ) ，可以得到目的波函数： 等+ 可0 2 e y 稚妒。 ( 2 1 5 ) 这里砖= 2 o p o 2 巩表达式 第二步，从波函数中得到h ，。由方程( 21 2 ) 对z 做一次偏微，得到 a 2 ，a 2 h ： 越y 万一面蔷叫呲0 ，言 ( 2 1 6 ) 在方程( 2 1 6 ) d p 。假设s ，沿着传播方向z 变化很小，可以忽略。就有 墨0 ( 2 1 7 ) o z 可以这样近似 昙( ，b ) = 鲁q + e ，鲁铒鲁 这里需要注意的是式( 2 1 7 ) 的近似一直运用在b p m 中。 ( 2 1 8 ) 通过计算式【a 式( 2 1o ) a x + a 式( 2 1 0 ) 0 z 和磁场的散度 v h = 0( 2 1 9 ) 得到，譬+ 冬：o ，也就是譬：一竽 盘韶彩靠 把式( 2 1 0 ) 带入式( 2 1 6 ) ，可以约去式( 2 1 6 ) 中的h z 。就可以得到磁场h 。的波函数： 6 第一章光束传播算法 粤+ 警+ 如以：0 ( 2 2 0 ， 1 + 1