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聚合物基光波导光纤耦合及封装研究

文雪  
【摘要】:新型有机聚合物光波导器件以其材料成本低、制备工艺简便、可见光窗口透明等优势成为近年来集成光学领域的研究热点之一。而聚合物光波导芯片与光纤的耦合联接、封装固定是芯片制造迈向实用化的重要环节。性能优良、造价低廉的耦合封装方法能够很好地发挥聚合物光波导芯片低成本的优势。 本文在对国内外聚合物光波导及光电子封装技术深入调研和分析的基础上,针对研制的新型聚合物PSQ-L基光波导芯片的自身特性,对其与光纤的耦合及封装进行了理论和实验研究,具体内容包括: (1)对单模光纤与研制的聚合物PSQ-L基光波导的端面耦合进行了深入研究。首先分析了平端光纤与聚合物波导端面耦合的影响因素,包括对准偏差、端面菲涅尔反射损耗、端面固化胶特性、及波导横截面尺寸等。计算结果表明,该聚合物波导具有较低的端面反射率及良好的透过率。预测了折射率为1.515的PSQ-LH聚合物材料作为固化胶可提高端面耦合效率。然后针对研制的聚合物PSQ-L基倒脊形光波导,优化设计了锥形透镜光纤的结构参数。最后针对平端光纤与研制的正脊形聚合物光波导的耦合,设计了聚合物基波导模式转换器,获得了较高的耦合效率。 (2)针对研制的聚合物PSQ-L基倒脊形光波导,设计了一种低成本、耦合效率较高的端面光纤耦合封装结构。给出了设计方法,并对所设计的封装结构进行了光、机、热多因素综合分析。包括高温冲击分析、低温冲击分析、振动模态分析、谐响应分析以及封装材料分析等。可靠性分析的仿真结果预测了该封装结构的优良性能。 (3)采用截断法分别测试了平端光纤、锥形透镜光纤与新型聚合物PSQ-L基倒脊形光波导的端面耦合效率,实验验证了模拟结果的正确性。对研制的聚合物PSQ-L基光波导芯片与光纤的耦合封装进行了实验研究。基于低成本、高效率的紫外固化胶粘结技术,针对设计的封装结构探索了封装工艺,采用锥形透镜光纤与平端光纤相结合的耦合方式进行了封装。对封装后的芯片进行了光学测试,获得了较好的通光效果,并有效提高了耦合效率。将课题组自主研发的PSQ-LH聚合物材料应用于平端光纤与聚合物光波导的端面耦合固化,初步实验结果表明该材料起到了较好的折射率匹配作用,降低了封装成本。


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