聚合物基集成光波导器件的研究

论文摘要

集成光学在光通讯以及光传感领域受到了广泛的关注与重视,而在众多光子材料下,新型的有机聚合物光子材料具有很多优势,例如成本低、成膜性好、可人工合成、性能灵活可控等,因此成为近些年来集成光学研究的重点之一。聚合物基集成光波导器件的制备工艺简单且种类多样,例如直接光刻、激光直写以及纳米压印等。在这些制备工艺之中,纳米压印一直备受青睐,主要是因为其在制备工艺简单的同时,亦能够提供较高的制备精度。紫外软压印制备工艺是纳米压印的改进版本,引入了软模具进行压印,能够有效的降低对主模具带来的损伤与污染,采用了紫外固化的方式代替了纳米压印中的热固化,从而极大的降低了制备难度与成本。本论文主要针对三类聚合物基集成光波导器件的设计、制备、测试与结果分析进行了研究与探讨,涉及的集成光波导器件包含用于通讯领域的光波导分束器以及传感领域的微环谐振器与多模干涉型传感器。主要内容简述如下:1.对两类聚合物基光波导分束器(Y型与MMI型)进行了设计、制备与测试。所采用的聚合物材料为在通讯波段损耗较低的LFR材料。首先对两类光波导分束器进行了优化设计,主要考虑的问题包括光波导尺寸的设计、S型弯曲波导的总传输损耗的优化以及MMI型光波导分束器多模波导区域的优化。然后采用紫外软压印工艺对两类光波导分束器进行了制备,最后对分束器进行了表征与测试,制备的Y型与MMI型光波导分束器在1550nm波长下的插入损耗分别为11.28 dB与12.98 dB。与已报道的聚合物基光波导分束器相比,有较大的提升。2.工作于890 nm波长下的聚合物基光波导微环谐振器设计、制备与测试。采用的聚合物光子材料为在短波长波段具有较低损耗的Ormocore材料。首先,针对微环谐振器的几个重要性能参数,对微环谐振器进行了优化设计,然后采用紫外软压印工艺进行了制备,最终对制备的微环谐振器进行了表征与测试。进一步设计并制备了多环阵列结构,以实现对多个参数的综合检测。为了提高聚合物基光波导微环谐振器的自由光谱范围,设计并制备了基于游标效应的双环级联结构,不仅能够有效的提高微环谐振器的自由光谱范围,还能进一步提高传感灵敏度。3.聚合物基多模干涉型折射率传感器的设计、制备与测试。首先对双模波导干涉型折射率传感器进行了优化设计,通过控制单模波导与多模波导的位置关系,来控制两个模式之间的分光比。依然采用紫外软压印工艺进行制备,并对其进行表征与测试。所得到的干涉光谱的消光可达到15 dB,波长漂移灵敏度789 nm/RIU,角度灵敏度为316 π rad/RIU。为了进一步提高传感灵敏度,设计了三模波导干涉型折射率传感器,加入了长周期光栅结构用以控制两模式的分光比,提高干涉光谱的对比度,最后对其制备容差进行了分析计算。通过模拟计算,三模波导干涉型折射率传感器的传感灵敏度为4100 π rad/RIU。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 聚合物光子集成
•     1.1.1 聚合物光子材料
•     1.1.2 聚合物基集成光子器件的制备工艺
•   1.2 聚合物基光波导器件及其应用
•     1.2.1 聚合物基光波导器件在光通讯领域的应用
•     1.2.2 聚合物基集成光芯片传感领域的应用
•   1.3 本论文的主要内容
• 2 聚合物基光波导分束器
•   2.1 引言
•   2.2 光波导分束器几个重要性能参数
•   2.3 分束器的设计方法
•     2.3.1 波导结构的设计方法
•     2.3.2 Y型分束器的设计优化
•     2.3.3 MMI型分束器的设计优化
•   2.4 聚合物基光波导分束器的制备
•     2.4.1 主模具与PDMS软模具的制备
•     2.4.2 紫外软压印制备聚合物基光波导分束器
•     2.4.3 压印过程中关键问题的讨论
•     2.4.4 聚合物基光波导分束器的表征
•   2.5 聚合物基光波导分束器的性能测试
•     2.5.1 测试平台的搭建与芯片的测试
•     2.5.2 目前存在的问题分析及改进措施
•   2.6 本章小结
• 3 工作于890 nm波长下的聚合物基微环谐振器的设计与制备
•   3.1 引言
•   3.2 微环谐振器的理论基础
•     3.2.1 微环谐振器的传输函数
•     3.2.2 微环谐振器的性能指标
•   3.3 聚合物基微环谐振器的设计
•     3.3.1 波导横截面尺寸
•     3.3.2 弯曲损耗的计算
•     3.3.3 耦合效率的计算
•     3.3.4 模式失配损耗的计算
•     3.3.5 微环谐振器结构的设计
•   3.4 聚合物基微环谐振器的制备
•     3.4.1 主模具的与PFPE软模具的制备
•     3.4.2 聚合物基微环谐振器的制备
•     3.4.3 压印过程中关键问题的讨论
•     3.4.4 聚合物基光波导微环谐振器的表征
•   3.5 聚合物基微环谐振器的性能测试及其结果分析
•     3.5.1 测试平台的搭建
•     3.5.2 测试结果及其结果分析
•   3.6 微环谐振器阵列的设计与制备
•   3.7 双环级联结构的设计、制备与测试
•     3.7.1 游标效应
•     3.7.2 双微环谐振器结构的测试及其结果分析
•   3.8 本章小结
• 4 聚合物基多模干涉型折射率传感器
•   4.1 引言
•   4.2 多模波导干涉型折射率传感器的基本原理
•   4.3 干涉型传感器的探测机制及其重要性能参数
•   4.4 聚合物基双模波导干涉型折射率传感器
•     4.4.1 聚合物基双模波导干涉型折射率传感器的设计
•     4.4.2 聚合物基双模干涉型折射率传感器的的表征
•     4.4.3 聚合物基双模干涉型折射率传感器的测试与结果分析
•   4.5 聚合物基三模干涉型折射率传感器的设计
•     4.5.1 聚合物基三模干涉型折射率传感器的工作原理
•     4.5.2 波导结构的设计
•     4.5.3 模式耦合光栅的设计
•   4.6 本章总结
• 5 结论与展望
•   5.1 总结
•   5.2 创新点
•   5.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 梁宇鑫

导师: 赵明山,武震林

关键词: 聚合物,光波导,集成光子器件,紫外软压印工艺,光波导分束器,微环谐振器,多模干涉型折射率传感器

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 大连理工大学

分类号: TN252

总页数: 136

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