用于光互连的体波导光栅耦合器：分析、制备和应用

论文摘要

波导光栅在集成光学发展中扮演着重要的角色,提供了一种将光耦合输入或输出波导的便捷方式,这种十分具有吸引力的耦合方式可以有效减小光学系统、波导及电子器件的体积和重量。聚合物体波导光栅与表面浮雕光栅不同,前者通常位于波导层内。在这个位置,导模特别是零阶导模的振幅最大,导波光与光栅作用更强烈,因此有望获得更高的耦合效率。同时,体波导光栅还具有制备工艺简单、波导表面平整等优点。因此,制备可以实际应用的具有较高分辨率的聚合物体波导光栅受到各国研究者的重视。迄今,聚合物体波导光栅的制备方法基本上属于物理方法,并没有在材料内部引发本质性的化学变化,因此所制备的器件的长期稳定性难以保证。利用双光子引发光聚合反应可以在材料内部引起本质性的化学变化,致使材料折射率发生永久性变化,这种技术为制备体波导光栅带来了极大的便利。本文研究了体波导光栅耦合器的泄漏特性并提出利用双光子引发光聚合反应制备体波导光栅的新方法。主要取得以下几个方面的进展:基于等效传输线理论和微扰理论分析了体波导光栅的导波特性。体波导光栅做输入输出耦合器时,泄漏参数是一个重要的因子,它决定了进入光栅各衍射级中能量的大小。本文从理论上推导了泄漏参数同体波导光栅结构参数如光栅常数、光栅高度以及折射率调制深度之间的函数关系。数值计算的结果有助于设计具有较高耦合效率的体波导光栅。利用棱镜耦合法测量了由三元材料体系构成的聚合物平面波导的光传输模式和传输损耗。通过控制聚合物材料体系溶液的浓度,可以得到高质量的单模、双模和多模波导。利用光纤扫描的方法测量了聚合物薄膜波导TE和TM偏振模式的光传输损耗,分别只有0.38dB/cm和0.41dB/cm。首次证实双光子聚合反应能够在三元材料体系构造的固态聚合物薄膜中实现。根据双光子吸收上转换荧光的特点,给出了飞秒脉冲激光经高数值孔径显微物镜聚焦后正好位于波导层中的判据。研究了体波导光栅制备过程中加工系统的性能参数包括平台震动、扫描速度等对体波导光栅质量的影响。利用相衬显微镜研究了制备的体波导光栅,并利用原子力显微镜对体波导光栅的表面形貌进行了研究。随着入射光功率的增加,体波导光栅表面会出现明显的表面浮雕结构。经分析,这种结构是由于材料的膨胀而不是烧蚀引起的。实验测得体波导光栅的折射率调制深度达5.7×10-3。研究了表面无形变的体波导光栅的输入耦合特性,实现了He-Ne光的输入耦合,最高耦合效率达11%。针对棱镜耦合测试系统对波导硬度及光洁度要求较高的缺点,提出了利用体波导光栅测量聚合物波导的厚度和折射率的新方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 集成光学的概念、分类及优点
• 1.1.2 聚合物平面光波导
• 1.1.3 光学与电子连接器
• 1.1.4 光学连接器的类型
• 1.1.5 导波光学耦合器的类型
• 1.2 波导光栅的发展历史与现状
• 1.2.1 波导光栅的制备工艺
• 1.2.2 波导光栅的理论分析
• 1.2.3 波导光栅器件的研究
• 1.3 课题的提出及主要内容
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 主要内容
• 第二章 运用传输线理论分析体波导光栅耦合器
• 2.1 平板波导的线光学理论
• 2.1.1 平板波导的模式
• 2.1.2 Goos-Hanchen相移
• 2.1.3 导模的特征方程
• 2.1.4 导模的截止和传播模式数
• 2.2 平板波导的波动方程
• 2.2.1 麦克斯韦方程和亥姆霍兹方程
• 2.2.2 平板波导中的导模
• 2.3 光栅的基本原理
• 2.3.1 Floquet定理
• 2.3.2 相位匹配条件
• 2.3.3 光栅输入输出耦合器
• 2.4 波导的传输线模型和微扰论
• 2.4.1 波导的传输线模型
• 2.4.2 平板波导的传输线方程
• 2.5 体波导光栅的扰动分析
• 2.5.1 体波导光栅的微扰场
• 2.5.2 数值计算结果
• 第三章 聚合物薄膜的制备和光学特性
• 3.1 引言
• 3.2 三元材料体系构建聚合物平板波导
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 薄膜的制备
• 3.3 聚合物薄膜平面波导的光传输模式和传输损耗
• 第四章 双光子引发光聚合反应制备体波导光栅
• 4.1 双光子吸收及其在光聚合中的应用
• 4.1.1 双光子吸收机制
• 4.1.2 双光子吸收在光聚合中的应用
• 4.2 双光子聚合原理及技术特点
• 4.2.1 光化学基本原理
• 4.2.2 飞秒激光三维微细加工系统
• 4.2.3 双光子聚合过程的分辨率
• 4.3 双光子引发光聚合反应制备体波导光栅
• 4.3.1 测量及表征技术
• 4.3.2 液态树脂的双光子聚合反应
• 4.3.3 聚合物波导光栅的制备
• 第五章 飞秒激光对聚合物体光栅表面形貌的影响
• 5.1 引言
• 5.2 体波导光栅表面形貌的研究
• 5.2.1 实验设备
• 5.2.2 实验结果与讨论
• 第六章 体波导光栅耦合器的测试及应用
• 6.1 引言
• 6.2 利用双光子引发光聚合反应制备聚合物波导光栅耦合器
• 6.2.1 聚合物薄膜的制备及模式测量
• 6.2.2 体波导光栅的制备及折射率变化的测定
• 6.2.3 聚合物体光栅耦合特性的研究
• 6.2.4 聚合物薄膜波导厚度和折射率的测量
• 第七章 全文总结
• 一、研究内容与结论
• 二、研究工作的创新点
• 三、论文工作存在的不足
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间参加的科研课题、发表的论文
• 附件
• 学位论文评阅及答辩情况表