硅基聚合物阵列波导光栅波分复用器的研制

【摘要】：本论文分别使用甲基丙稀酸甲酯-甲基丙稀酸环氧丙酯共聚物(PMMA-GMA)、氟化聚醚醚酮(FPEEK)和高含氟量聚芳醚(FPE)三种氟含量不同的聚合物材料在国内首次成功研制出32 通道硅基聚合物阵列波导光栅(AWG)波分复用/解复用器件。论文中简要介绍了光纤通信技术和波分复用技术的发展,对聚合物光波导材料和硅基聚合物AWG 器件的研究进展做了概括介绍。详细讨论了聚合物AWG 波分复用器的工作原理,分析了AWG 波分复用器的各项性能指标,并介绍了AWG 器件在波分复用系统中的主要应用。对三种聚合物材料的合成、AWG 参数优化、结构和版图设计、工艺制作、器件性能测试、芯片端面抛光和耦合封装等方面均进行了详细的研究。所完成的主要创新性的工作如下: (1) 使用我们自行合成的氟化PEEK 聚合物材料在国内首次成功制作出32通道硅基氟化聚合物AWG 波分复用器。这种氟化PEEK 聚合物波导的传输损耗为0.81 dB/cm,制作的AWG 器件波长间隔为0.8 nm,插入损耗在12.8~17.8 dB之间,串扰小于-20 dB。 (2) 使用高含氟量FPE 聚合物材料在国内首次制作出波长间隔0.8 nm,插入损耗10.3~15.3 dB,串扰小于-20 dB 的聚合物AWG 器件,该器件的性能指标在国内处于领先地位,器件的插入损耗已接近国际先进水平。 (3) 探索了一种基于光刻胶结合铝掩模技术的聚合物光波导器件的制作工艺,针对在工艺过程中产生的波导侧壁粗糙的问题,首次提出一种“回溶”技术来降低由此引起的散射损耗。实验表明这种方法使氟化PEEK 聚合物波导表面粗糙度由41.307 nm 降低到24.564 nm,散射损耗降低了5 dB。这项技术为研制低损耗的聚合物波导器件提供了有效途径。 (4) 自行设计了一套使用简单方便的光波导器件耦合测试系统。这套测试系统与国外生产的测试系统相比主要优势在于价格低了近十倍,并且放大倍数较大且可调。这套测试系统适用于多种光无源和有源器件的性能测试,具有很高的实用价值。 (5) 选用载玻片作为保护层材料,详细研究了硅基聚合物AWG 芯片的端面抛光问题,实验表明抛光可以使AWG 芯片的端面耦合损耗降低1.7 dB。抛光问题的有效解决,可大大推动我们自行研制实用化AWG 器件的进程。 (6) 自行设计了一套Peltier 型温度控制系统,可将器件的工作温度控制在-20℃至100℃。对研制成功的氟化PEEK 聚合物AWG 芯片用尾纤进行了单通道的耦合封装,详细研究了封装中关键性的技术问题,并测试了封装后的AWG 器件的温度和偏振特性。这些经验和技术对其它无源和有源器件的封装起到了指导性的作用,为AWG 器件的实用化和集成化奠定了基础。硅基聚合物AWG 波分复用/解复用器的成功研制为其它聚合物有源/无源器件的研究奠定了基础,可大大推进国内有机光波导器件的发展。