聚合物基集成光波导器件的研究

发布时间：2020-11-13 19:30

　　 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。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN252
【部分图文】：

?（ｂ）?（ｃ）??图１．１纳米压印工艺流程??Ｆｉｇ．?１．１?Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??早期的纳米压印技术是采用热压的方式，压印模具一般是桂基或是金属基的硬模具，??所用的聚合物具有热塑性，当温度高于玻璃化温度（一般为７０°Ｃ？８０°Ｃ）时，材料具有??流动性，此时将具有微纳米结构的模具压印于聚合物薄膜上，加压成形后冷却，聚合物??材料再次转变为固态，脱模后即可将模具上的微纳米结构复制到聚合物薄膜上。Ｌ．Ｊ．?Ｇｕｏ??课题组最早采用此工艺制备出了聚合物基光学器件［４５］，图１．２即为制备ＰＭＭＡ基微环??谐振器，（ａ）为微环谐振器全貌扫描电子显微镜图，（ｂ）为微环谐振器关键结构部位??（耦合区域）的扫描电子显微镜图。为了进一步降低制备工艺的复杂度，人们提出了３１叩－??ａｎｄ－ｆｌａｓｈ?ｉｍｐｒｉｎｔ?ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ?（Ｓ－ＦＩＬ）［４６］

此时将具有微纳米结构的模具压印于聚合物薄膜上，加压成形后冷却，聚合物??材料再次转变为固态，脱模后即可将模具上的微纳米结构复制到聚合物薄膜上。Ｌ．Ｊ．?Ｇｕｏ??课题组最早采用此工艺制备出了聚合物基光学器件［４５］，图１．２即为制备ＰＭＭＡ基微环??谐振器，（ａ）为微环谐振器全貌扫描电子显微镜图，（ｂ）为微环谐振器关键结构部位??（耦合区域）的扫描电子显微镜图。为了进一步降低制备工艺的复杂度，人们提出了３１叩－??ａｎｄ－ｆｌａｓｈ?ｉｍｐｒｉｎｔ?ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ?（Ｓ－ＦＩＬ）［４６］，此工艺采用了起初状态为液态的且具有光敏特??性的聚合物材料，而模具采用了具有紫外透光性能的石英模具，用紫外固化的方式代替??热固化，从而使工艺能够在室温下进行，降低了工艺难度。??（ａ）?（ｂ）??图１．２?ＰＭＭＡ基微环谐振器电子显微镜图（ａ）微环谐振器全貌图；（ｂ）耦合区域结构图。［４５］??Ｆｉｇ．?１．２?ＳＥＭ?ｐｉｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ＰＭＭＡ?ｂａｓｅｄ?ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ?ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，?（ａ）?Ｔｏｐ?ｖｉｅｗ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｗｈｏｌｅ?ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ．??（ｂ）?Ｔｈｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ?ｓｅｃｔｉｏｎ．??－６?－??

而采用了同为聚合物的娃橡胶一聚二甲基娃氧焼（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ，ＰＤＭＳ）??材料制备压印模具［４７４９］，此种模具合成简单、价格低廉，且具有柔性、弹性，不易损坏??稳定性高。软模具的制备工艺如图１．３所示。制备过程主要分为浇筑成型，热固化以及??脱模三个步骤，主模具一般采用的是电子束曝光制备的高精度的硅基或是二氧化娃基的??硬模具。??Ｓｏｆｔ?ｍｏｌｄ??Ｍａｓｔｅｒ?ｍｏｌｄ?ｐＤＭＳ???ＬＪ?丨??氧?ｊｐ?ＥＤ?Ｅ］，」．．Ｚ１．?ＩＺ：］??Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１．３?ＰＤＭＳ软模具的制备流程??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｈｅ?ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＰＤＭＳ?ｓｏｆｔ?ｍｏｌｄ??相较于硬模具压印，采用柔性的ＰＤＭＳ软模具进行压印具有很多优势。首先，由于??不再采用硬模具的直接压印，而是将硬模具的微纳米结构事先转移到具有弹性与柔性的??ＴＯＭＳ软模具上，而ＰＤＭＳ材料具有极低的表面自由能（２１．６?ｄｙｎ／ｃｍ），在软模具的制??备过程中，对硬模具造成的污染与损伤较小。其次，在压印过程中，也正是因为ＰＤＭＳ??极低的表面自由能，软模具与压印后聚合物光子材料脱模变得容易，降低了脱模后对制??备的集成光学器件带来的损伤。总之
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本文编号：2882546