（材料科学与工程专业论文）有机无机复合光波导的研究.pdf

摘要 论文题目 学科专业 研究生 指导老师 有机无机复合光波导的研究 材料科学与工程 李美莲 赵高扬教授 摘要 签名 2 1 世纪是以高容量、宽带宽、高速度为特征的信息时代，而集成光学和光通讯以具 有信息容量大、损耗低等特点得到了前所未有的飞速发展。光波导是集成光学和光通讯的 基础元件，研制高性能低成本的新型光波导材料已成为当今材料的研究热点之一。而有机 无机复合材料作为一种新型光波导材料，以其高灵活性、多功能性、可集成性和经济性等 特点在光波导材料方面具有重要的应用价值。本文的主要工作是采用溶胶一凝胶技术制备 p m m a 包层膜和有机无机复合s i 0 2 z r 0 2 芯层膜，实现包芯层复合。 本文结合溶胶凝胶技术和浸渍提拉法，在硅基板和石英基板上制备出厚度达1 7 比m 、 表面平整的p m m a 包层膜，并采用光度法计算出其光照热处理前折射率约1 4 9 ，经光照 热处理后其折射率最大变化到1 5 4 ，满足包层低折射率的要求；同时采用t 甲基丙烯酰 氧丙基三甲氧基硅烷( h 2 c = c ( c h 3 ) c o o ( c h 2 ) 3 s i ( o c h 3 ) 3 ，k h 5 7 0 ) 对p m m a 进行改性， 可使折射率降低到1 4 7 ，这与常用包层材料s i 0 2 的折射率1 4 6 更为接近。 利用溶胶凝胶技术与化学修饰相结合的方法，配制了三种不同配比的稳定溶胶，通 过比较选用综合性能较好的s i 0 2 z r 0 2 溶胶进行深入研究。在进一步研究过程中获得了紫 外感光性良好的s i 0 2 z r 0 2 溶胶并制备出厚度可达2 0 2 比m 的凝胶膜，经光照和热处理后 折射率在1 6 9 1 7 2 之间，完全满足光波导芯层高折射率的要求。 最后以膜厚为1 2 9 8 z m 的p m m a 薄膜为包层，以膜厚为2 0 2 z m 的s i 0 2 z r 0 2 凝胶膜 为芯层，在硅基片上实现了光波导包芯层的复合，并制备出条形复合波导结构；依据光波 导理论分析表明：该波导结构能够实现多模数通光。 关键词：光波导；p m m a 包层；s i 0 2 7 _ x 0 2 凝胶膜；有机无机溶胶凝胶 本论文得到国家自然科学基金( 9 0 4 0 1 0 0 9 ) 项目资助 t i t l e ：p r e p a r a t i o no f0 r g a n i c i n o r g a n i cc o m p o s i t e o p t i c a lw a v e g u i d e s m a j o r ：m a t e r i a l ss c i e n c e & e n g i n e e r i n g n a m e ：m e i l i a nl i s u p e r v i s o r ：p r o f g a o y a n gz h a o a b s t r a c t s i g n a t u 舡w ek n o w , 2 1 s tc e n t u r yi sa ni n f o r m a t i o ne p o c hw i t ht h ef e a t u r e so fh i 。g hc a p a c i t y , h i g h b r o a d b a n da n dh i i g hv e l o c i t y , a tw h i c ht h ei n t e g r a t e do p t i c sa n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p a ta l l u n p r e c e d e n t e df a s ts p e e d s o ，t h ed e v e l o p m e n to fn e wo p t i c a lm a t e r i a l sw i t hh i g h p e r f o r m a n c ea n d l o wc o s tf o ro p t i c a lw a v e g u i d e sw h i c h a r et h eb a s i cd e v i c e so ft h ei n t e g r a t e d o p t i c s a n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , h a sb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c h h o t s p o t s t h e o r g a n i c i n o r g a n i cm a t e r i a l ，an e wt y p em a t e r i a lf o ro p t i c a lw a v e g u i d e ，p o s s e s s e sm a n yf e a t u r e s s u c ha sh i 【g hf l e x i b i l i t y , h i g he f f e c t i v e n e s s ，i n t e g r i t ya n de c o n o m y t h i sp a p e ra i m sa tt h e p r e p a r a t i o no fp m m a a n do r g a n i c i n o r g a n i cs i 0 2 z k ) 2f i l mu s i n gt h es o l - g e lm e t h o da n dt h e f a b r i c a t i o no fc o m p o s i t eo p t i c a lw a v e g u i d ew i t hp m m aa n ds i o ：z 她f i l ma st h ec l a d d i n g a n dc o r el a y e r sr e s p e c t i v e l y p m m ac l a d d i n gf i l mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e dw i t hs m o o t hs u r f a c ea n dt h e t h i c k n e s so f1 和m ，w h o s er e f r a c t i v ei n d e xi s1 4 9a n du pt o1 5 4v i au ve x p o s u r ea n d h e a t - t r e a t m e n t ，w h i c hi sl o we n o u g hf o rt h er e q u i r e m e n to fc o a tl a y e r f u r t h e r m o r e ，t h ek h - 5 7 0 w h i c hw a sa d d e dt op m m ac o u l de n a b l et h er e f r a c t i v ei n d e xo fp m m at or e d u c et o1 4 7 ， w h i c hi sc l o s et ot h a to fq u a r t z ( a b o u t1 4 6 ) t h r e et y p e so fs o l sw i t hd i f f e r e n ti n g r e d i e n tp r o p o r t i o nh a v eb e e np r e p a r e dw i t hs o l g e l t e c h n o l o g yt os e l e c to n ew i t ht h eb e s tp e r f o r m a n c ef o rf u r t h e rs t u d y a n do r g a n i c i n o r g a n i c s i 0 2 z r 0 2g e lf i l mw i t hg o o dp h o t o s e n s i t i v i t ya n dt h i c k n e s so f2 0 2 弘mh a sb e e no b t a i n e d , w h i c hp o s s e s s e sh i g hr e f r a c t i v ei n d e xf r o m1 6 9t o1 7 2 ，r e s p e c i t i v e l yb e f o r ea n da f t e ru v e x p o s u r ea n dh e a t t r e a t m e n t ，w h i c hi sh i 【g he n o u g h t ob eu s e da st h ec o r el a y e ro fw a v e g u i d e a tl a s t ，t h eo p t i c a lc o m p o s i t ew a v e g u i d eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e du s i n gt h e p m m af i l mw i t hat h i c k n e s so f1 2 9 耻ma sc l a d d i n gl a y e ra n dt h es i 0 2 z r 0 2 g e lf i l mw i t ha t h i c k n e s so f2 0 2 # ma sc o r el a y e rr e s p e c t i v e l y , a n das t r i pw a v e g u i d es t r u c t u r eh a sa l s ob e e n o b t a i n e d t h eo p t i c a lw a v e g u i d et h e o r e t i ca n a l y s e si n d i c a t et h a t t h i ss t r u c t u r ec a nr e a l i z e m u l t i m o d el i g h tt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：o p t i c a lw a v e g u i d e s ；p m m ac l a d d i n gl a y e r ；s i 0 2 z r 0 2g e lf i l m ；o r g a n i c i n o r g a n i c s o l g e l m 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：垒薹鳖 年月日 学位论文使用授权声明 本人盔差莲在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：盔差垒 导师签名： ，柑 年月日 1 文献综述 1 文献综述 1 1 引言 2 1 世纪是以网络为核心的信息时代，人们对信息的需求与日俱增，对带宽和容量的 要求急剧增加。然而在传统的电学领域，电路中电信号的传播和开关速度是有限固定的。 随着通信对带宽的需求，电路表现出了其局限性，而光路的传输相较于电路的传输具有非 常大的信息容量、低的传输损耗、低的发热量、小的串扰和小的电磁干扰、轻重量和小尺 寸等优点，并且光在光介质复用波长传播时可以平行通过并处理不同的波长因此，光 通讯所具有的通讯容量大、传输损耗低等特点，极大的满足了人们对高容量、宽带宽、高 速度传播的需求，由此推动了光通信器件的研发与应用。集成光学是在光通讯、光信息处 理等新兴技术需求的基础上发展起来的，光波导则是集成光学中的基础器件，其连接发光 器件、光接受器件、光调制器件及光开关等，以实现新的功能，同时，这些光器件本身也 存在光波导结构2 1 。目前，以光波导为基础的光通信器件，如光放大器、光开关、光耦合 器等，虽已逐步走向实用化，但其面临诸如材料选用、工艺过程复杂等诸多问题还有待于 解决，因此研制性能优化及实用低成本的高技术新型光波导材料，已成为当今材料研究的 热点之一。 1 2 光波导的概述 1 2 1 光波导传输原理及其分类 根据光的波粒理论，可以推导出光的传输原理，光在均匀的同种介质中以直线传输， 光在两种不同介质的分界面上将产生反射与折射“1 。 光的反射定律包括：反射线位于入射线和法线所决定的平面内；反射线和入射线 分别位于法线的两侧；反射角0 l 等于入射角0 1 。见图1 1 。 法线 图1 1 光的反射和折射 f i g 1 - 1r e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o no fl i g h t 西安理工大学硕士学位论文 光的折射定律也同样包括：折射线位于入射线和法线所决定的平面内；折射线和 入射线分别位于法线的两侧；折射角0 2 与入射角0 l 的关系为： 三盟鱼- - - - - - ； s i n 0 2 ，l l ( 1 1 ) 其中n 1 为入射线所在介质的折射率；n 2 为折射线所在介质的折射率。 真空折射率定为1 ，空气折射率约等于真空折射率，实验中我们也一般以n = l 来计算。 同一种波长的光在不同介质中的传输速度不同，根据光的波动理论得到 塑i l l s 丘 ( 1 2 ) - - - - - - - i1 二j s i l l 岛 由公式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 可得 生丘 ( 1 3 ) l ，l lk 由公式( 1 3 ) 知，光在两种不同介质中传播时，其折射率与传输速度成反比。折射率 小的介质光的速度快，称光疏介质；反之称光密介质。光疏与光密是相对的，如水对空气 而言是光密介质，水对玻璃而言是光疏介质。 光的全反射，只有光从折射率大的介质进入折射率小的介质，同时入射角大于临界角 时才能够产生全反射现象。如图1 2 。 法线 i 法线 i l 法线 i i 图1 - 2 光的全反射 f i g 1 - 2t 0 t a lr e f l e c t i o no fl i g h t 当光线从光密介质n l 进入光疏介质n 2 时，随着入射角0 1 逐渐增大，折射角e 2 也逐渐 增大，并接近9 0 。，当折射角0 2 - - 9 0 。时的入射角称临界角，记作o o ，同时折射光的强 度逐渐减弱，反射光的强度逐渐增强至接近入射光强度。当入射角0 1 临界角e 0 时，入 射光不再进入光疏介质而由界面全部按0 1 = o l 反射回光密介质中： s i i l 巩t 兰 一 ( 1 4 ) 而光波导是以光的反射定律为理论基础发展起来的。最为简单的平面光波导由低折射 2 1 文献综述 率的上下包层和较高折射率的芯层组成，形状像简单的三明治结构，见图1 3 。选用上下 包层折射率相等( n 2 = n 3 ) 的平面光波导为例，阐述光在光波导中的传输原理，见图1 - 4 。当 光线以某一角度射向平面光波导端面进入芯层后，在芯层内进行反射、折射( 见图1 4 虚 线所示) 和全反射( 见图1 - 4 实线所示) 5 。 由于芯层折射率n 1 大于包层折射率n 2 ( n 2 = n 3 ) ，因此有可能在光波导芯层内进行全反 射传输。 覆盖层 波导层 基底层 高折射率介质全反射光学界面 图1 3 平面光波导全反射示意图：( a ) 平面光波导截面图；( b ) 平面光波导全反射 f i g 1 - 3t o t a lr e f l e c t i o no fp l a n a ro p t i c a lw a v e g u i d e ：( a ) t h es e c t i o n a lp r o f i l eo fp l a n a ro p t i c a lw a v e g u i d e ( b ) t o t a lr e f l e c t i o no fp l a n a ro p t i c a lw a v e g u i d e j l 1 1 3 l n i 厂 m 图1 4 光在平面光波导内进行反射、折射和全反射 f i g 1 - 4t h er e f l e c t i o n ，r e f r a c t i o na n dt o t a lr e f l e c t o no fp l a n a ro p t i c a lw a v e g u i d e 当0 0 0 时，a a o ，光线在光波导内n 1 和n 2 界面上产生反射和折射，传输一段距离 后光能量逐渐下降并趋向零。当o 0 0 时，a a o 时，光线在n 1 和n 2 界面上产生全反射， 并能不断地传输下去，从这一端传输到另一端，从而达到光在光波导中作为载波传输信号 的目的嘲。 根据光波导芯层折射率的变化可分为阶跃型( s i ) 光波导和梯度型( g d 波导。阶跃 型( s i ) 光波导是指芯层折射率的改变是阶跃变化；梯度型( g i ) 波导是指芯层折射率的 改变是连续变化的。图1 3 是典型的三层结构的阶跃型平面波导，使高折射率的薄膜材料 沉积在低折射率的衬底上，第三层通常是空气或者其它的低折射率覆盖层，这种波导是最 基本的波导结构。根据不同的传播模式或电磁场分布，光波导可分为单模和多模波导，每 种模式的区别在于其频率、有效折射率，偏振，能量分布，电磁场强度有所不同。根据光 的传输方向所受的限制，可以分为二维光波导和三维光波导见图1 5 “1 。光只在薄膜厚度 3 西安理工大学硕士学位论文 方向( y 方向) 受到限制的是二维光波导( 见图1 5 ) ；光在x 方向和y 方向都受限制的是三 维光波导如条状波导( 见图1 6 ) 。大多数光集成器件希望在器件平面内任何方向上传输光， 所以一般用三维光波导。二维光波导用于三维光波导的连接和干涉上。 折射率 图1 - 5 二维光波导 f i g 1 - 5t h et w o - d i m e n s i o n a lo p t i c a lw a v e g u i d e 按制备材料可将光波导分为无机光波导， 导，这些将在后续章节详细介绍。 1 2 2 光波导的发展与应用 图1 _ 6 三维光波导 f i g 1 - 6t h et h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a lw a v e g u i d e 有机聚合物光波导以及有机无机复合光波 1 8 8 0 年，光波导首次被w h e e l e r 称作“光管道 ，即我们今天所说的光纤。其后随着 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。人们利用光波导制作光通信平面器件和光集成器件的回 路。1 9 6 4 年s c h l o s s e r 最先从理论上研究了矩形介质光波导；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，这种结构应用于红外区域；1 9 6 9 年m i l l e r 研究了这些早期成就 的优点和可行性并且提出了“集成光学刀，极大的支持和促进了平面光波导和光波回路的 发展。在这之后，集成光学无论在理论方面还是应用方面都得到了极大的发展。发展到 现在“集成光学 已是- i - j 集光学、激光、微电子学、光电子学、通讯、薄膜技术等为一 体的独立学科，被广泛应用于光纤通信、光纤传感技术、光学信息处理、光计算机与光存 储、材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面，同时各国科学家也在不断的发展和完善 各种集成光学器件。人们预计，集成光学会像集成电子学一样，将引起信息技术发展的深 刻变革h 1 。 在集成光学中，传送信号的载波是光波，而系统是通过光波导和光纤进行连接的，系 统的元件是光波导器件，因此光波导是集成光学的基本单元，是集成光路的基本组成部分。 它不仅是微光学线路中集成光路的基体，而且是大量光信号快速传输的载体，所以它同时 也是全光传输的基础。利用薄膜光波导技术可以制作耦合器、分束器、光开关等光无源器 件以及激光器、放大器等有源光学器件 i o l 。而这些器件都是集成光路和光通信系统中基 本器件。另外光波导分波复用器、光探测器阵列是以太无源光网络( e p o n ) 的核心，而 ( e p o n ) 是实现光纤到户( 硎) 的最佳技术之一，是解决“最后一公里 瓶颈问题的关 键技术之一，是实现全光网络的基础。因此集成光学要得到全面的发展，光通信要走 向全光网，突破“电子瓶颈 的束缚，都需要这些光波导器件的进一步发展与成熟。 无论是集成光学、光纤到户，还是全光网络，都离不开光波导的进一步发展。研制成 本低、制作工艺简单、性能可靠的高质量光波导是全光器件和光电集成的基础，是实现高 1 文献综述 速度、大容量、低损耗信息传输的关键。而高质量光波导的制备又离不开光波导材料的发 展，因此，研究新型光波导材料和制备技术，优化实验条件，改进实验方法，从而对提高 波导质量具有重要的意义n 幻。 1 3 光波导材料的发展 近年来，光放大器、光开关、光耦合器等光波导器件虽已逐渐走向实用化，但其仍面 临材料选用，光损耗，材料制作工艺等诸多问题，因此研制低成本、高技术新型光波 导材料已成为当今材料研究的热点之一。如今光波导材料研究方向大体可以分为无机光 波导材料、有机聚合物波导材料和有机无机复合波导材料。 1 3 1 无机光波导材料及器件的发展 无机光波导材料上最先发展起来的，也是目前通常使用的光波导材料。主要分为硅基 光波导材料和非硅基光波导材料n 钉。 ( 1 ) 硅基光波导 硅基光波导的主要制作材料有i n p ( g a a s ) i i i v 族半导体材料、s o l ( s i l i c o no n i n s u l a t o r ) 、硅基s i 0 2 和g e s i 光波导材料等。 硅基氧化硅光波导可以充分利用现已成熟的微电子技术，并能实现光器件与微电子器 件的集成以及多种有源器件和无源器件的一体化。然而s i 0 2 光波导技术与s i 的集成电路 工艺并不完全兼容，一：波导的厚度远大于集成电路有源层的厚度；二：厚的s i 0 2 所引 起的应力给i c 工艺带来影响；三：s i 0 2 光波导弱的光场限制使得s i 0 2 光波导器件不可能 做得很紧凑。以上原因限制了s i 0 2 光波导在光电集成中的应用。 进入九十年代以后，人们才开始研究s o i 光波导j i s - 1 7 j 。s o l 材料用于波导器件有以下 几个优点：硅基工艺相容，容易光电集成；可制作大截面尺寸的光波导，减少与光纤的耦 合损耗；可以制作三维器件，可大规模集成；损耗小，与光纤耦合效率高等。但是s o l 材料的折射率较高，与较低折射率的光纤不匹配。 ( 2 ) 非硅基光波导材料 制备非硅基光波导的主要材料有l i n b 0 3 晶体和玻璃。l i n b 0 3 晶体有较成熟的制作工 艺和很好的电光、压电和波导性质，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。该波导材 料的缺点是不能同电子器件集成在一起，调整电场与光场之间有较大的相速失配，不适合 高频及宽带的应用。 玻璃即离子交换光波导由于传播损耗小，制作成本低廉，且易于与其它光电子元件集 成，在光通信、光传感器等领域有很好的应用前景。但其热稳定性较低，且离子交换制备 的波导结构不能和电子器件集成在一起。 目前光通信中主要的无机光波导器件可分为三类。 ( 1 ) 基于l i n b 0 3 的光波导器件 1 8 1 0 由f 这种波导具有较高的电光和声光系数，可研制 西安理工大学硕士学位论文 光调制器、光开关、可调谐滤波器等。常用的基于l i n b 0 3 的光波导有下列几种：钛扩散 波导、质子交换p e 波导、离子注入等，但是其温度系数比较大，制作成本比较高，限制 了它在光电子集成方面的应用。 ( 2 ) 基于半导体材料的光波导器件。主要材料是g a a s 和i n p 系半导体材料和z n o 、z n s 半导体材料。g a a s 系用于短波长光电集成，i n p 系用于长波长光电集成。这种光波导器 件的缺点是制备工艺复杂和材料成本昂贵，大规模生产时器件的性价比较低，所以基于半 导体化合物的平面光波导器件，距离实用还有一大段路要走。 ( 3 ) 硅基光波导器件。硅是微电子学领域最重要的半导体材料，它的工艺技术和集成回 路技术得到了高度发展。其主要优点为材料易得、低廉，具有良好的热学、电学与机械性 能，以及加工工艺成熟等。主要研制的类型有：外延型光波导、s o l 光波导、氧化硅光波 导、g c x s i l s i x 外延层光波导和g e 扩散光波导、硅v 槽光波导等。硅衬底上的氧化硅光 波导器件的研究已从单纯的低损耗研究转向实际的功能器件的研究1 1 9 , 2 0 1 。 不同材料的光波导采用不同的制备技术，表1 - 1 是无机光波导的主要制备技术2 1 表1 1 ：无机光波导的主要制作方法 t a b 1 - 1t h em a i np r e p a r a t i o n so fi n o r g a n i cw a v e g u i d e s 1 3 2 有机聚合物光波导材料的发展与制备技术 随着光通信和集成光学研究的深入，光波导已经被广泛应用于各种光无源器件和集成 光路中，各种光集成结构的研究都是围绕光波导展开。由于无机光波导存在着材料或技术 方面无法解决的问题，人们开始了对聚合物薄膜光波导的研究。其主要原因是聚合物薄膜 光波导具有比无机光波导更优秀的特性乜1 涩：制作高质量的聚合物波导材料相对容易， 同时波导材料的折射率也易于调整；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；有机聚合物光波导材料比硅基无机光波导加工工艺简单 经济，无须高温加热，通过甩膜、光刻等工艺便可制出复杂的光电集成器件，而且器件轻 1 文献综述 巧、机械性能好，因而适于制作大型光学器件和挠性器件( 从几厘米到一米) ；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。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；有机 聚合物光波导材料具有较高的电光耦合系数，较低的介电常数，响应时间短，热损小。比 如，一般聚合物的热光效应是硅的1 0 倍，硅基光开关功率4 0 0 - 5 0 0 m w ，有机聚合物光 开关功率小于5 m w ，驱动电压小，响应快 2 a l 。基于这些原因，聚合物材料制备光波导得 到广泛的应用| 2 4 1 。 最初聚合物光波导以多模光纤用光波导为主，现在单模光波导的开发已有进展。主要 材料有p c z ，制备方法是紫外线重合；p m m a + p m m a ( 苯乙烯) ，制备方法是掩埋紫外线 重合，采用石英玻璃为基片；重氢化氟化甲基酸盐，掩埋制备法，用硅甲基丙烯酸盐为 基片；硅树脂，以硅为衬底，采用掩埋法；还有氟化聚酰亚胺树脂，以硅为衬底，采用掩 埋电子束照射。发展到现在，聚合物材料已经被使用制作阵列波导光栅( a w g ) 、电光调 制器瞵1 、光开关和微环谐振器协1 等。可以看出，聚合物光电子器件几乎已经涉及了集成 光学的各个领域。 但聚合物材料的致命缺点是稳定性差，波导损耗较氧化硅、铌酸锂要大，这些缺点使 其实用化受到很大的限制。因而研制低成本且性能优良的聚合物薄膜，对于聚合物光波导 及其器件的研究和实用化有着重要的理论和实践意义啪1 。所以人们在应用有机聚合物作 为光波导材料时，根据宽带通信的不断发展，不断的进行改性u 1 。主要是通过两种方法进 行改进：对传统的聚合物材料进行部分改性，合成新的聚合物；将无机纳米材料掺杂到聚 合物中，使其既有聚合物的优良特性，又有无机物的性能。有文章报道了以下几种新型聚 合物光波导材料1 2 1 , 2 8 1 ：氟代、氘代聚甲基丙烯酸酯，其分子结构中的氢部分或全部被氘 或氟取代，减少了在通讯波段的传输损耗。含氟聚酰亚胺，在光波导领域的应用研究是 近几年开始的。氟聚芳醚。聚硅氧烷，目前采用的方法还是利用氘或氟来取代烷基中 的氢，以减少在近红外区域的传输损耗。聚甲基丙烯酸甲酯p m m a ，它是非常透明的 塑料材料，广泛用于眼镜、透镜及短距光纤上。用这些聚合物材料，采用旋转涂敷和加热 成膜，制作外包层和芯层，用光刻即反应离子刻蚀形成芯层图案，然后进行上部外包层成 膜，从而形成光波导。 上面每一种聚合物材料都存在各自的缺点，人们对其进行不断的改进，以p m m a 为 例说明。p m m a 在可见光处光传输较大，玻璃化温度较低，使用时要适当的对其进行改 性。邓小波等人糟1 合成了p m m a - - g m a 聚合物制备波分复用器，而费旭等人则哪! 合成 了可交联聚甲基丙烯酸甲酯制备了阵列式波导光栅。但是新材料的合成成本较高，工艺较 复杂，仅是通过合成新聚合物或者是改变聚合物侧链的方法不能满足人们对聚合物光学材 料的要求，人们又开始研究聚合物与无机纳米粒子的杂化材料。m u h a m m a da l iz u l f i k a r 和s d i a n k o v 3 k 3 2 1 采用溶液共混法或溶胶凝胶法进行p m m m s i 0 2 杂化材料制备，改变 p m m a 的热稳定性；有人分别采用微模塑法和溶胶凝胶法在p m m a 罩掺杂s i 0 2 以改变 7 西安理工大学硕士学位论文 其微观结构 3 3 - 3 5 1 0 也有人采用了溶胶凝胶法分别合成了聚合物无机复合材料和s n 0 2 掺杂 p m m a 透明复合材料汹m 1 ；江国栋阳采用s 0 1 g e l 法制备纳米s n 0 2 掺杂p m m a 透明复 合材料；另有不少人研究了在p m m a 里掺杂m s 、c 0 0 2 、a g b r 和a g c l 以获得某些性能 如耐热性、光致发光性和耐吸附性等3 。同时王志鹏1 报道了采用溶胀法制备 z n s p m m a ，用以改变主体p m m a 膜的透明度和折射率，以及改善其驰豫特性，使其达 到高非线性光学性能。 当前聚合物光波导及其器件的制作工艺主要有以下5 种方法： 1 光漂白技术嘲1 ：这一方法是利用某些聚合物材料所具有的光敏成份在光照的情况下 发生光化学反应，最终在曝光部分和未曝光部分形成折射率差，从而获得所需的光波导。 2 反应离子刻蚀技术或电子回旋共振刻蚀技术5 蛐1 ：这一方法并不改变材料的折射率， 而是利用传统的半导体工艺中的等离子体干法刻蚀技术直接在聚合物薄膜上刻蚀出所需 的波导。电子回旋共振刻蚀技术是其进一步的改善，它能提供更加高度控制的离子，从而 获得侧壁更为光滑的高质量的波导。 3 激光刻蚀技术“h 盯：这一方法是直接利用短波长深紫外( 3 8 0 、2 3 8 、1 9 3 n m ) 激光 束在聚合物薄膜上刻蚀出所需的波导。 4 空间选择极化技术：这一技术利用了聚合物材料在极化后，其偶极取向将使得极化 方向的折射率会稍微增大的特性，从而通过对聚合物薄膜的特定区域进行极化便可获得所 需的光波导。 5 离子注入技术咖1 。 在以上各种技术中，光漂白技术是最为简单的一种，但是这种技术经常受材料特性的 限制；激光束刻蚀技术对设备要求高且更适于制作多模光波导：空间选择极化技术同样也 对材料的特性有较高的要求，而且在折射率的变化上控制较难；反应离子刻蚀技术是一种 应用广泛且很少受材料特性的限制，是与传统的半导体工艺相容的一种技术，它对仪器的 要求不是很高，工艺上易于实现，适用于大多数聚合物材料，但是在刻蚀过程中较难获得 质量较高的波导图形。 聚合物光波导材料的选择 聚合物薄膜材料要制备光波导应该满足如下的要求 5 1 1 ：首先在通用波段对波长的吸 收损耗和双折射较小：其次芯层材料的折射率易调节和有良好的成膜性且薄膜表面平整， 因为表面光洁度对器件性能产生很大影响，并且要有较高的热稳定性；再者薄膜固化温度 的匹配，多层波导中后续层的固化温度应该小于前一层的玻璃态转化温度，上包层的固化 温度要低于或接近芯层的固化温度，而芯层的固化温度则要低于下包层的固化温度，否则 会在波导中引入较大的光学损耗；另外薄膜的化学特性匹配，要求各层薄膜之间互不相溶， 各层薄膜间的应力匹配，否则会产生龟裂现象；最后要求下包层和衬底间的粘附力要好， 防止制备中从衬底剥落。 作为光波导器件的下包层材料，膜的厚度、表面粗糙度和组分是三个最重要的参数。 8 l 文献综述 理想的下包层材料应该：足够厚( 大于1 0 n ) ，s o o - j i np a r k 等啪1 采用两次旋涂法获得了 1 1 岬左右的聚合物下包层，以免信号光波通过高折射率的硅衬底泄漏掉；表面平坦，减 少光波的散射损耗；组分均匀。 综上所述，聚合物光波导材料因其优越性得到广泛的应用，但由于其热稳定性差，损 耗大、折射率变化小的缺点而受到限制。虽然人们同时进行了材料本身和制备技术方面的 改进，但是还很难改变这些难以克服的缺点。 1 3 3 有机无机复合光波导材料的发展与制备方法 复合材料被定义为：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，通过复合而成的 新型多相材料。复合材料既保留原组分的特色，又通过复合获得了原组分不具有的性能跏。 近年来，用复合材料制备集成光学器件引起了人们很大的兴趣。 溶胶凝胶有机无机复合材料作为一种新型材料，以其较高灵活性、多功能性、可集成 性和经济性等特点阻砌，被应用在光波导材料研究上。使用有机无机复合材料溶胶凝胶制 备薄膜，可通过引入光聚合的引发剂，使该型材料具有一般光刻胶的特性，因而可使用微 机电系统技术或激光直写来制备集成光学器件的图案。采用可光刻的有机无机复合材料和 微机电系统技术制备平面光波导器件如密集波分复用器件，显示其在集成光学器件方面的 应用前景。并为提高集成密度，发展高质量的被动光学器件，如耦合器、滤波器、波分复 用器等提供了可能。目前，d w d m 器件和波导放大器的研究水平明显无法满足日益增长 的w d m 系统的需求，研究高质量的d w d m 器件及其高效波导放大器的集成技术已变得 非常迫切甄踟 而传统的溶胶凝胶法在制备光波导材料方面与火焰水解法( f h d ) 、等离子体增强化学 气相沉积法( p e c v d ) 、热氧化法等相比，具有工艺简单、热处理温度低、成膜速度快、成 本低等明显优势，成为近几年国内外材料和光电领域研究的热点。但是传统的无机溶胶 凝胶法，衬底和薄膜之间存在较大的应力，很难获得较厚且无龟裂的无机玻璃薄膜，每次 成膜的最大厚度约为0 2 9 m ，要通过多次涂布和退火来达到波导器件所需的厚度要求。且 多次涂膜退火制各工艺复杂，往往会导致薄膜上出现斑点、粘污等现象，影响波导质量。 而有机无机溶胶凝胶技术，在合成过程中掺入了有机成分，有机网络与无机网络在纳米 或分子尺度上相互杂化，形成的凝胶网络更具有柔韧性，降低了在热处理时开裂的可能 1 5 7 , 朝1 。通过调节有机溶剂的用量，能够实现薄膜厚度可控，且一次涂布即可达到要求，通 过调节金属有机物的掺杂量，能够实现薄膜折射率可控。利用溶胶凝胶有机无机复合制备 波导的工艺，选用适当的掩模，也可以制备复杂的高密集度d w d m 器件。所以采用溶胶 凝胶法制备有机无机复合光波导材料已成为了人们目前的研究热点之一l s g i 。 但是由于有机无机复合材料在材料组成上的多样性，和以此为基础进行各种掺杂导致 新的应用，仍需大力研究有机无机复合材料组成，制备工艺与性能的关系，制备廉价的各 种应用器件。 9 西安理工大学硕士学位论文 李小甫咖1 等人研究了氧化钛和氧化硅的复合薄膜，得到不同的折射率值的复合波导， 但是光损失会随着氧化钛的增加而增加。徐翔“等人采用溶胶凝胶法制备z r 0 2 光敏凝胶 膜，并制备了图形不是很好的2 岬光栅波导。而王碉阳1 等人则采用溶胶凝胶杂化法制备 了s i 0 2 s i 有机无机复合光波导，厚度为4 5 8 6 岬，折射率1 5 5 无龟裂的波导薄膜。华斌 1 等人采用溶胶凝胶法制备了z 她s i 0 2 平面光波导，研究掺入不同含量的z r 0 2 后薄膜 的折射率变化，但其折射率不到1 6 0 ，要获得更高折射率的z r 0 2 s i 0 2 光波导，仍然需要 进一步的研究。 1 3 4 小结 综上所述，在光波导领域内没有哪一种材料能是完全的优胜者。无机光波导材料和聚 合物材料都有它们独特的优势和制备工艺，每种材料在某方面都具有其一定的优势，但同 时又存在着某种难以克服的弱点。有机无机复合光波导材料结合了二者的优点，避免了各 自的缺点，为制备出高质量的波导器件提供了可能性。 1 4 影响光波导材料的因素 光波导器件作为光通信中最重要的基础性部件之一，随着光通信技术的飞速发展，受 到人们越来越多的重视。而光波导材料是器件的基础，其光学性能很大程度上决定了器件 性能n 。其中折射率和光损耗是影响光波导材料光学性能的两个很重要因素。所以对于 光波导材料，必须考虑的主要特性是折射率和光吸收散射损耗。 ( 1 ) 折射率 在光波导的制作中，光芯部分的折射率应该大于外包层的折射率。就是说，重要的参 数是折射率差a n 。芯层和外包层的折射率要由制成的光波导的特性决定。例如，对只传 输一个模式的单模光波导，若以二维光波导情形表示，则波导宽度w 应满足 形 形= a 2 厮 ( 1 5 ) 其中，w c 为高次模的截止波导宽度；九为入射光波长：n 是芯层折射率。折射率差 很大程度上决定于光波导尺寸，一般取大于0 5 n 1 。芯层折射率小，就会使光波导尺寸 变大，从而导致芯层尺寸的增大，不利于光波导器件的集成。而芯层折射率变大，有利于 集成器件的小型化。 ( 2 ) 光损耗 光损耗主要是指光吸收损耗和光散射损耗乜川。光吸收损耗：主要是指材料本身的 吸收损耗，选择了材料本身，吸收损耗就避免不了，所以也叫固有因素损耗。吸收损耗主 要是由带间吸收和自由载流子吸收所引起的；而对于有机材料，分子结构中含有的c h 或。一h 键的振动会引起近红外光的吸收，这与c h 键的低次伸缩振动及其与变形振动 耦合在近红外波段会引起较强的吸收有关。光散射损耗：由外界因素引起的，也叫非固 i 0 1 文献综述 有因素损耗。光波导中的非固有因素损耗分为体散射和表面损耗两种，前者主要与体系中 的存在的杂质和缺陷有关，而后者主要决定于波导膜表面的光洁度、均匀度及薄膜间结合 部的粗糙度，对于条形波导，还与条形结构界面的平滑程度相关。 因此人们在制备光波导时要认真考虑这两方面的因素，一旦材料选定，光损耗值也就 固定了，而非固有因素却与光波导的研制工艺有关，当选定了光波导材料，固有因素很难 改变，只有通过在研制工艺中减少非固有因素旧1 。比如对于目前制作工艺较成熟的s i 基 s i 0 2 光波导来说，其多模模式和单模光纤模式很匹配，且s i 0 2 材料在光通信窗d 0 5 5 0 n m ) 透明，因此s i 0 2 掩埋型光波导的损耗主要是表面粗糙度引起的散射损耗。要获得低损耗 s i 0 2 光波导，就要考虑降低表面粗糙度。另外光波导经常采用薄膜重叠的方法制作，这 时，薄膜口间结合部的粗糙会引起光散射，所以制作平滑的多层薄膜是相当重要的。在三 维光波导里，膜厚平面内条形结构界面的平滑程度也是非常重要的。在制作有机无机复合 波导材料时，其固有因素与制造工艺有关，一定要预先对原料进行精制，去除原料中杂质 和尘埃；并使整个生产系统处在一个较为密闭的环境中，以避免杂质的混入，以减少固有 损耗和非固有损耗。 综上所述，选用光波导材料的出发点，应具备包芯层合适的折射率差，包层有足够厚 度的，芯层材料均匀，具有高的透过性，以及易于制备出表面光滑、高质量的光波导。 1 5 论文的研究目的和意义 光通信的迅猛发展对集成光学提出了越来越高的要求，相应的对材料的要求也越来越 高。制备光波导器件时，除了光波导的衬底要求光洁的表面和足够的膜厚以避免光泄漏和 损耗外，同时还要求高的折射率差，使器件小型化，易于波导器件的集成。无机光波导材 料和有机聚合物才有各有优点，却有无法避免的缺点，而有机无机复合材料结合了无机和 有机聚合物的优点，使制备高质量的波导成为可能。本实验能一次制备出足够厚的聚合物 衬底，有光洁的表面，从工艺上减少了由粗糙度引起的光损耗。制备的有机无机s i o d z r 0 2 能够获得较高折射率和一定的厚度，为获得较小尺寸的光波导器件提供了基础。包芯层复 合的实现和图形的制备更是为后续的深入研究提供了新的思路，对高质量光波导器件的研 究具有重要的意义。 1 6 论文的主要研究内容 本论文主要是采用浸渍提拉法制备有机聚合物p m m a 包层厚膜，采用溶胶凝胶法和 化学修饰法制备感光性芯层薄膜，并对其性能进行研究；在研究的基础上实现包、芯层的 复合，利用紫外掩模技术制备条形复合光波导。本论文的主要工作包括： ( 1 ) 有机