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基于键合型有机/无机杂化材料的电光调制器的研究

张峰  
【摘要】:电光调制器是光纤通信系统的关键器件,在光信息处理过程中起着不可替代的作用。信息技术的飞速发展使人们对光纤通信系统带宽的要求越来越高,现有的电光调制器已经越来越成为提升通信系统带宽的瓶颈,如何获得高速的电光调制器是解决这一问题的关键。极化聚合物电光调制器具有响应速度快、电光系数大、成本低廉等优点,受到越来越多的关注。 有机/无机杂化材料因其兼有有机材料和无机材料的优点,克服了纯聚合物材料极化稳定性不高等缺点,成为制备聚合物电光调制器的材料发展的一个重要方向。 本文首先介绍了光调制器的种类和研究意义,制作电光调制器的材料分类,聚合物材料的种类以及电光调制器的研究进展。然后研究了聚合物电光调制器的理论基础:包括电光效应的原理,聚合物极化的理论和M-Z电光调制器的工作原理。接下来重点介绍了一种新型的侧链键合型有机/无机杂化材料的制备和特性表征,以及利用合成的有机/无机杂化材料进行加载条形和倒脊型两种波导结构的M-Z电光调制器的制备、极化和测试。本论文的主要工作如下: 1、合成了一种新型的侧链键合型有机/无机杂化材料。杂化材料的配制分为两步反应:首先将生色团分散红19(DR-19)分子以化学键形式键合在硅烷偶联剂γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)上,合成一种烷氧基硅烷染料(DR-19ASD);然后利用溶胶凝胶法将第一步合成的含有生色团DR-19分子的烷氧基硅烷染料进行水解缩合反应制备出最终的侧链键合型有机/无机杂化材料。杂化材料中生色团分子以化学键与主链相连,同时含有Si-O-Si,Si-O-Ti,Ti-O-Ti这样的无机网格,因此相对于纯聚合物材料,其具有光学性能好、生色团含量高、制备工艺简单、稳定性好等优点。 2、对合成的杂化材料进行了一系列表征,通过原子力显微镜研究了其成膜特性;利用椭偏仪测量并拟合得到杂化材料在1550nm波长下折射率为1.498;测量了杂化材料的热重(TGA)曲线,确定其热分解温度为300℃,具有很高的热稳定性;测量了杂化材料的差示扫描量热(DSC)曲线,确定其玻璃态转换温度Tg范围为150-290℃;测量了单层杂化材料薄膜经过高温电晕极化前后的紫外-可见光吸收谱,计算得序参数值为0.246;经高温电晕极化后,采用简单反射法测得,杂化材料在1310nm波长下的电光系数为20pm/V。 3、利用自主合成的键合型有机/无机杂化材料分别制作了加载条形波导结构和倒脊型波导结构的马赫-曾德尔(M-Z)型电光调制器。制备工艺包括:涂膜、光刻、显影、刻蚀等。利用光学显微镜和扫描电镜表征了波导的形貌,然后对制备完成的器件进行极化。对于加载条形电光调制器,采用高温电晕极化,测试得到其在1550nm波长下插入损耗为21dB,并测试得到其在19KHz、31KHz、50KHz、60KHz下的正弦调制响应;对于倒脊型波导电光调制器,采用接触极化,测试得到其在在1310nm波长、1550nm波长下的插入损耗分别为11.3dB和23.1dB,同时测试得到其在1550nm波长下,10KHz的正弦调制响应。


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