有机聚合物电光调制器的设计与实验研究

论文摘要

Mach-Zehnder光波导电光调制器是重要的集成光学器件,在民用,国防,科研等领域都起着重要的作用。有机非线性电光聚合物具有电光系数大、易于制备、与半导体工艺兼容、在红外到毫米波波段色散小、响应速度快等优点,已经成为集成光学器件发展的有力推动力量。基于非线性有机聚合物光波导的Mach-Zehnder（M-Z）电光强度调制器目前已经成为各国研究的热点。本文比较全面地介绍了聚合物电光调制器的发展现状以及未来的发展趋势,然后对基于有机电光聚合物光波导的M-Z强度调制器的制作工艺,理论,测试三个方面做了详细的研究:对聚合物波导的主要工艺步骤进行了详细的研究。利用真空热蒸发的方法在硅基片上制备了波导下电极;用旋涂的方法制备了聚合物下包层;利用聚合物薄膜电晕极化系统对一种新型生色团DCDHF-2-V和聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）主客掺杂型电光聚合物进行了极化实验;初步研究了针对下包层材料的反应离子刻蚀工艺,并通过对刻蚀样品的台阶仪测试得到了一系列实验参数。这些工作为制作聚合物波导强度调制器的原型器件提供了实验基础。分别利用两种方法对泰勒级数展开法进行了算法优化和编程实现,并对实际聚合物光波导调制器进行了二维模拟,分析了不同参数下光在M-Z调制器结构中TM基模的模场分布,并得到了以损耗最小为依据的优化结果。还利用二维宽角度Padé方法对对调制器进行了编程实现和模拟,并对比了两种方法的结果。接下来又将Padé方法扩展到三维,不仅得到了波导中横截面TM模基模的模场分布,而且还直观的给出了由于模式形状失配而产生的能量损耗过程。利用基于简单发射法的聚合物薄膜电光系数测量系统对极化样品进行了测量,但结果明显偏小,随后又对误差产生的原因进行了详细的分析;其次利用棱镜耦合法对波导样品进行了折射率和厚度的测量并利用MATLAB软件实现了求解折射率和厚度的数值方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外聚合物电光调制器的发展动态
• 1.2.1 聚合物电光调制器的发展现状
• 1.2.2 聚合物电光调制器的发展趋势
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 有机聚合物电光调制器的工艺研究
• 2.1 聚合物波导电光调制器简介
• 2.1.1 波导结构
• 2.1.2 聚合物波导M-Z干涉仪结构
• 2.2 聚合物波导的制作工艺
• 2.2.1 衬底的清洗
• 2.2.2 下电极的制备
• 2.2.3 下包层的制备
• 2.2.4 芯层材料的旋涂
• 2.2.5 聚合物薄膜的极化
• 2.2.6 光刻
• 2.2.7 反应离子刻蚀
• 第三章 聚合物电光调制器的光波导结构设计和数值模拟
• 3.1 电磁场基本理论
• 3.1.1 矢量波动方程
• 3.1.2 平板光波导的解析解
• 3.1.3 有效折射率法
• 3.2 二维数值模拟
• 3.2.1 泰勒级数展开法
• 3.2.2 二维宽角度方法
• 3.3 三维数值模拟
• 3.4 模拟结果
• 3.4.1 二维模拟结果
• 3.4.2 三维模拟结果
• 第四章 聚合物光波导参数的测量
• 4.1 电光系数的测量
• 4.1.1 简单反射法测量原理
• 4.1.2 系统的搭建与测试
• 4.1.3 结果分析
• 4.2 折射率及厚度的测量
• 4.2.1 棱镜耦合法测量原理
• 4.2.2 测量结果分析
• 4.3 聚合物波导传输损耗的测量
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻硕期间取得的研究成果