新型聚合物電光器件的研究.pdf

1、在現(xiàn)代光通信中，作為光通信系統(tǒng)關(guān)鍵器件的光調(diào)制器越來越引人關(guān)注，在集成光學中占有重要地位。極化聚合物電光調(diào)制器具有響應(yīng)速度快、制備工藝簡單、制作成本低、容易集成、容易實現(xiàn)高帶寬等顯著優(yōu)勢，正成為集成光學研究的熱點。
　　馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder，MZ)干涉型波導結(jié)構(gòu)是集成光學器件中一種最基本的，但也是最重要的波導結(jié)構(gòu)之一，在平面光波導器件和集成光路中具有重要的地位。本論文將聚合物波導材料的合成與聚合物波導器件的制備相

2、結(jié)合，對聚合物MZ結(jié)構(gòu)的光波導電光調(diào)制器的研究進行了新型聚合物波導材料的合成、聚合物光波導電光調(diào)制器的設(shè)計、制備及電光調(diào)制器性能的測試等一系列的研究工作，并在此基礎(chǔ)上對MZ結(jié)構(gòu)的長程表面等離子激元波導聚合物電光調(diào)制器進行了初步的設(shè)計研究。論文的主要內(nèi)容如下:
　　1、從分子設(shè)計出發(fā)，合成了氟化聚酰亞胺（Fluorinated Polyimide，F(xiàn)PI）聚合物光波導材料，通過紅外光譜（Infrared，IR）、核磁共振譜(Nucl

3、ear Magnetic Resonance，1HNMR)表征證明了FPI與設(shè)計結(jié)構(gòu)一致。熱分析表明FPI具有合適的玻璃化溫度和良好的熱穩(wěn)定性。通過旋涂法制備了高品質(zhì)的聚合物薄膜，研究了薄膜的成膜性及相關(guān)光學性能，結(jié)果表明，F(xiàn)PI具有能滿足制備聚合物光波導器件要求的成膜性、以及較低的光學傳輸損耗（波長1310nm下的傳輸損耗在0.1dB/cm左右，1550nm下的傳輸損耗在0.2dB/cm左右）。利用FPI作為波導芯層材料，制備了倒脊型

4、光波導，并實現(xiàn)了波導的良好導光。交聯(lián)的FPI可用于多層涂覆工藝，較好的解決了聚合物光波導材料在旋涂成膜制備波導器件時因存在的材料互溶而不成膜問題，簡化了制備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的聚合物多層平面光波導器件的制備工藝。
　　2、從分子設(shè)計出發(fā)，合成了光學透明性好、熱性能穩(wěn)定的以嘧啶和苯并噻唑為π電子橋的含活性基團偶氮類生色分子C1，C2，C3，并通過共聚方式制得了一系列聚氨酯酰亞胺(Polyurethane-imide，PUI)電光波導材料。通

5、過IR、1HNMR表征證明了PUI與設(shè)計結(jié)構(gòu)一致。熱分析結(jié)果表明PUI具有合適的玻璃化溫度(Tg)和良好的熱穩(wěn)定性，其Tg在196-208℃，10％熱失重溫度在275-390℃之間。通過旋涂法制備了高品質(zhì)的聚合物薄膜，研究了薄膜的相關(guān)光學性能，結(jié)果表明，波長1550nm下的PUI的折射率在1.597-1.651之間，波長1550nm下的傳輸損耗在0.7-0.9dB/cm之間。利用PUI作為波導芯層材料，制備了倒脊型光波導，并實現(xiàn)了波導的

6、良好導光。交聯(lián)的PUI可用于多層涂覆工藝，較好的解決了聚合物光波導材料在旋涂成膜制備波導器件時因存在的材料互溶而不成膜問題，簡化了制備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的多層平面光波導器件的制備工藝。合成的PUI優(yōu)于現(xiàn)有文獻報道的聚氨酯酰亞胺電光材料。
　　3、對聚合物電光波導材料PUI的極化及其電光系數(shù)的測試開展了研究。利用折射率橢球法推導了垂直極化的聚合物電光薄膜折射率改變量與材料電光系數(shù)、外加電場的關(guān)系，利用旋涂工藝和電暈極化技術(shù)制備了極化聚合物薄

7、膜，用簡單反射法測試的波長1550nm下的PUI電光系數(shù)在40-56pm/V之間，并且有較好的極化穩(wěn)定性。
　　4、對基于PUI電光波導材料的MZ結(jié)構(gòu)的聚合物光波導電光調(diào)制器進行了研究。結(jié)合電光效應(yīng)分析了MZ的工作原理，并以光波導模式理論為基礎(chǔ)，利用有效折射率法對倒脊形波導的模式特性進行了分析，為電光器件的設(shè)計和制備奠定了理論基礎(chǔ)。通過COMS OL及OptiBPM軟件對MZ結(jié)構(gòu)的PUI聚合物倒脊型光波導結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，同時通

8、過理論計算和分析，設(shè)計了共面波導行波電極。結(jié)合PUI材料的特點進行了波導器件制備工藝的優(yōu)化，最后制備出MZ結(jié)構(gòu)的PUI聚合物倒脊型光波導電光調(diào)制器，并在不同波長、不同調(diào)制頻率下觀察到了器件的電光調(diào)制響應(yīng)。
　　5、鑒于表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)光波導器件具有獨特的光電特性，仿真設(shè)計了基于PUI電光波導材料的MZ結(jié)構(gòu)的長程表面等離子激元（Long-Range Surface Pla

9、smon Polaritons，LRSPP）波導聚合物電光調(diào)制器。對金屬介質(zhì)界面的SPP及LRSPP波導模式做了分析，針對PUI電光波導材料及Au芯層材料，模擬研宄了MZ結(jié)構(gòu)的LRSPP波導聚合物電光調(diào)制器，得到了優(yōu)化的器件設(shè)計參數(shù)。以PUI為波導包層材料、Au為金屬芯層材料實驗制備了LRSPP波導，為基于聚合物SPP波導電光調(diào)制器的進一步研究和制備奠定了一定的基礎(chǔ)。設(shè)計的SPP波導聚合物電光調(diào)制器擁有電光聚合物的快響應(yīng)、SPP波導的亞