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《吉林大学》 2012年
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硅基高分子聚合物光开关研究

靳琳  
【摘要】:十二五期间,中国已经将三网融合上升为国家战略,这将给整个通信行业带来重大商机。三网融合的推进必须以宽带网络的建设为基础,电信宽带光纤到户作为十二五期间的重点专项将占有1600亿元人民币以上的投资额度。这对网络设备制造商是机遇,所有光通信的配套设备、光电子器件、收发器、传输设备、接入设备都会有重要需求。三网融合的实现过程必将促进光通信行业的整体发展。光开关作为光通信器件重要组成部分,在光路倒换、光发射机、信号中继等各个环节有重要应用。 目前主要应用于光通信中的光开关以无机材料为主,基于聚合物材料体系的光开关国外有些公司已经开始销售相应产品。国内聚合物光开关方面的研究起步较晚,还没有产品化。本论文以低成本的聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(P(MMA-GMA))材料为主体材料,采用偶氮染料分散红1(DispersedRed1,DR1)作为客体掺杂的方法使合成的聚合物材料具有极性,适用于电光开关的制备。这种材料具有合成路线简单,成膜质量好,高性价比等优点。采用椭偏仪对材料的光学参数进行了表征,合成的材料折射率为1.5037(@1550nm)。采用旋涂法在硅基片上成膜,原子力分析薄膜表面起伏度为0.441nm(18×18μm2),常见的集成光开关器件其波导尺寸为微米量级,这样的薄膜质量完全可以满足波导器件制备的需要。 为了实现电光开关器件,对这种材料的热学特性进行了分析,高温量热仪测试结果表明材料5%失重温度在300℃以上,差示扫描量热仪分析结果表明材料Tg为102℃,据此确定材料的极化温度为110℃。采用电晕极化的方式,对制备的极化聚合物薄膜进行了极化,并通过反射法对材料的电光系数进行了表征,实验结果显示材料在1310nm下电光系数为10pm/V。 论文提出了一种自上而下(Top-Down)的光开关器件设计流程。这种方法在设计初期首先考虑芯层材料折射率,成膜厚度以及光刻机可以实现的最小线条宽度,选择合适的波导宽度。然后确定包层材料的折射率范围而不是确定的值来对波导的模式进行匹配。通过这样的方法,增加材料的适用性,当材料的折射率在一定范围内变化的时候,都可以满足波导单模传输。 针对光开关的版图设计,完成了专门的程序实现光刻板参数的计算。在给定器件的波导参数之后,该程序可自动计算器件波导各部分的坐标,电极的坐标以及对位标记和备注信息内容的坐标值。 掺杂型光开关采用行波电极结构,通过微波探针加载驱动信号,器件测试结果显示在10kHz的方波信号驱动下,开关时间为纳秒量级,插入损耗14dB。 主/客掺杂结构的材料体系,极化之后的聚合物薄膜容易发生弛豫。论文还采用键联型聚合物DR1-co-PMMA材料制备了器件。同时,针对聚合物材料工作点漂移的问题,论文提出一种具有热光偏置结构的电光开关,该设计充分利用聚合物材料热光系数大的特点,通过加热调整器件的工作点,保证器件输出稳定。器件测试结果显示在50kHz方波信号驱动下,开关时间为纳秒量级. 聚合物材料因为C-H键的振动吸收,在通信波段会引入较大的损耗。可以通过用较重的原子替换C-H键中的H使振动吸收峰红移,从而减少材料在通信波段的吸收。论文实现了一种含氟超支化氟化聚合物材料,采用氟原子替换氢原子的方法,减小材料在1550nm波长处的吸收。材料的吸收光谱显示,这种材料在1310nm和1550nm有较小的吸收,具有制作通信用光波导器件的潜质。进一步对材料的热学特性进行了表征,聚酰亚胺具有较高的热稳定性,玻璃态转变温为187℃,5%热分解温度为596℃。合成了两种折射率不同的芯层和包层材料,设计制作了热光开关,开关时间为267.9μs和254.1μs。此实验结果说明该材料在光波导器件应用领域有较好的应用前景,为材料的进一步应用奠定了良好的基础。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN256

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