有機聚合物集成光學RF移相器關鍵技術研究.pdf

1、光控相控陣技術是結合微波技術和光電子技術發(fā)展起來的一種旨在控制天線陣列波束掃描的現(xiàn)代雷達技術，它實現(xiàn)了微波技術和光電子技術的優(yōu)勢互補。在提升雷達掃描速度、工作頻率、瞬時帶寬和掃描精度等方面具有其獨特的優(yōu)勢，在衛(wèi)星通訊、射電天文學、航天以及空中管制等領域起著重要作用。集成光學射頻(RadioFrequency：RF)移相器是光控相控陣系統(tǒng)中的關鍵器件，研究它對于精確控制波束的形成、完成預定方位角的波束掃描具有重大意義，因此一直受到廣泛的關

2、注和研究。國內對于該器件的研究長期以來處于理論探討階段，采用分離器件構建移相器也偶見報道，而國外在這方面已經開始了器件的集成化研究。本文正是基于這一背景而展開研究的。本文提出了一種新型的有機聚合物集成光學RF移相器，對其關鍵技術進行了研究。結合實驗室現(xiàn)有條件進行了如下工作： 1．首先簡單回顧了有機聚合物材料和光電子器件的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀，重點介紹了其中的光學RF移相器；然后闡述本論文研究背景及意義，介紹了國內外集成光學RF移相

3、器的研究現(xiàn)狀。 2．簡單介紹聚合物材料的特性和聚合物的電光效應，針對目前有機聚合物集成光學RF移相器存在的移相線性度和功率平坦度問題，提出了一種新型的有機聚合物集成光學RF移相器設計方案，并從理論上證明了該方案能有效解決移相線性度和功率平坦度問題。 3．采用變分有效折射率法、有限差分束傳播法和微分算子展開束傳播法、廣角有限差分束傳播法分別對有機聚合物脊形波導、M-Z波導和S形波導進行仿真分析，得出了以下結論：(1)當芯層

4、厚度d與脊寬w分別滿足d≤1.51μm，w≤5μm時，聚合物光波導可以實現(xiàn)單模傳輸。(2)M-Z光波導優(yōu)化結構參數(shù)為：Y分支角α=1.1°，波導脊寬度w=5μm，雙臂間距G=20μm，優(yōu)化后光的傳輸損耗為0.258dB。(3)改進后的算子展開束傳播法精度高、計算量小、速度快，為光波導的分析和設計提供了可供選擇的算法。(4)當S形脊波導曲率半徑大于5000μm后，波導的彎曲輻射損耗已不會再明顯減小，光能量已可以在S形波導中穩(wěn)定的傳輸，形成

5、導模。 4．基于全內反射原理，提出一種新型非對稱型Y分支，并進行了理論仿真，證明其可以實現(xiàn)特定分束比光輸出。 5．通過對不同類型電極的比較后選取共面波導行波電極進行研究；用準靜態(tài)保角變換法來分析共面波導調制器各尺寸參數(shù)對調制器特征參量的影響，得出了以下的結論：(1)隨著電極厚度增加，有效折射率和特征阻抗都相應的減小。(2)隨著聚合物薄膜厚度增加，有效折射率減小，特征阻抗增加。(3)隨著電極間距增加，有效折射和特征阻抗都相

6、應的增加。(4)隨著電極厚度、聚合物厚度和電極間距中任意一個參量的增加，導體損耗系數(shù)都會隨之減小。因此在設計時要綜合考慮，實現(xiàn)速度匹配和阻抗匹配，從而實現(xiàn)寬帶調制。 6．對聚合物波導的各個主要工藝步驟進行了實驗研究，包括襯底的清洗、下電極的制備、下電極標記的腐蝕、旋涂下包層、光刻、反應離子束刻蝕、電光聚合物的極化、上電極的制備等；制備出了聚合物M-Z波導和非對稱型Y分支波導；聚合物極化后電光系數(shù)可達50pm/v。 7．對

7、聚合物波導的傳輸損耗、電光系數(shù)和折射率的測量方法進行了理論、實驗研究。首先基于液體耦合法搭建了聚合物波導傳輸損耗測量系統(tǒng)；然后對簡單反射法測量聚合物宏觀線性電光系數(shù)的理論進行了詳細的推導，并設計搭建了聚合物薄膜電光系數(shù)測量系統(tǒng)；最后利用棱鏡耦合法對波導樣品的折射率進行了測量。 8．利用廣角有限差分束傳播法對光纖和有機聚合物脊形波導的耦合損耗進行了詳細的分析，得出了如下結論：(1)耦合損耗隨著光纖和有機聚合物脊形波導間的錯位、間隙