电光有机聚合物光波导调制器的研究

发布时间：2017-10-05 12:19

  本文关键词：电光有机聚合物光波导调制器的研究

  更多相关文章： 电光有机聚合物 Mach-Zehnder电光调制器 变分有效折射率法 算子展开束传播法 斜坡过渡行波电极

【摘要】：随着宽带光纤通信技术的飞速发展,人们对光波导电光调制器的性能指标提出了越来越高的要求。作为光通信系统中的关键器件,不仅在调制速率方面对其提出了更高的要求,同时还希望具有尽可能低的半波电压和高的稳定性。有机聚合物电光材料以其介电常数低、电光系数大等突出优点,对于制备高速宽带、低驱动电压电光调制器具有明显的优势。此外,有机聚合物还因具有制作工艺简单、传输损耗低、与光纤耦合损耗低等优点,在光波导器件中得到了广泛的应用。目前,有机聚合物电光材料已成功应用于电光调制器、光开关、可调衰减器、滤波器、多模干涉分束器等器件中,大幅度地提高了光器件的性能。电光调制器除应用于光通信系统之外,还应用于微波光子学、光控相控阵雷达等先进光电系统中。通常,在光通信系统中多用调制器单元器件,而在相控阵雷达等系统中还对阵列调制器具有较强的需求。对于有机聚合物电光材料,由于利用旋涂工艺易于实现光波导器件的平面集成和垂直集成,这对阵列电光调制器的制备具有十分重要的意义。本文针对有机聚合物材料的特点,以实现X波段微波信号的宽带传输为目标,提出了一种电极带斜坡过渡的Mach-Zehnder干涉仪型电光调制器结构,并对器件进行综合设计仿真。在此基础上,对电光调制器单元器件进行制备和测试,其半波电压为11.4V；与此同时,还对有机聚合物电光阵列调制器进行了设计和制备,验证了制备工艺的可行性。本论文的主要研究内容包括：1.研究了有机聚合物脊型光波导中影响传输损耗的主要因素：吸收和散射的物理机制,并建立了有机聚合物光波导传输损耗测量系统。研究分析了有机聚合物电光材料光学活性的物理成因,并研究了简单反射法测量电光系数的原理和误差来源,推导出精度较高的电光系数表达式,搭建了电光系数测量系统。合成并表征了新型电光有机聚合物FFC/PSU,其电光系数大于130pm/V。2.研究了有机聚合物脊型光波导的模场分布和色散特性,提出单参数变分有效折射率法并分析了聚合物多模光波导的模场分布并利用矢量波动方程对TE、TM模的色散特性进行偏振修正。对Mach-Zehnder干涉仪结构光波导中TM模的传输特性,在运用有限差分束传播法(FD-BPM)分析的基础上还研究了运用算子展开束传播法(OE-BPM)对M-Z光波导传输特性进行更为细致的分析。在上述工作的基础上,为电光调制器设计了单模工作的Mach-Zehnder干涉仪并优化了结构参数。3.研究了微带线、共面线的传输特性,分析了特性阻抗与结构参数的依赖关系。在此基础上对微带线到共面线的宽带过渡结构进行了研究,对宽带高速电极获得满足指标要求的具体结构。与此同时,还提出了新型的带斜坡的微带线到共面线宽带过渡结构,经仿真其特性得到显著提高。4.研究了有机聚合物Mach-Zehnder构型电光调制器的物理、数学模型,重点研究了电光相互作用对器件调制带宽的影响。在Mach-Zehnder电光调制器的设计中,对具有不同脊形波导结构、电极结构电光调制器的性能进行了分析和比较,综合优化了器件性能。5.研究了有机聚合物电光调制器的制备及其相关工艺。重点研究了利用旋涂、光刻和反应离子刻蚀工艺制备脊形光波导；利用溅射(蒸发)、腐蚀和电镀制备厚金电极；对极化工艺和极化稳定性进行了较细致的研究。综上所述,本文针对电光有机聚合物光波导调制器进行研究,合成表征了新型电光聚合物材料FFC/PSU其电光系数大于130pm/V；提出用单参数变分有效折射率法带偏振修正的方法分析脊型光波导的光场分布与色散特性,并对算子展开束传播法进行加速处理显著提高了计算速度；提出斜坡过渡的微带线到共面线的电极宽带过渡结构,改善了电极的传输特性,明显地提高了电光调制器的调制带宽。在此基础上,对有机聚合物电光调制器和阵列调制器进行制备和测试,验证了相关理论结果的有效性与合理性。
【关键词】：电光有机聚合物 Mach-Zehnder电光调制器 变分有效折射率法 算子展开束传播法 斜坡过渡行波电极
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN761
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 集成光学与光波导调制器14-15
• 1.2 光调制机理与材料15-18
• 1.2.1 线性电光效应及主要的电光材料16-17
• 1.2.2 电吸收效应及材料17-18
• 1.3 各类电光调制器特点及应用18-20
• 1.3.1 各种电光调制器的特点18-20
• 1.3.2 电光调制器的应用20
• 1.4 有机聚合物电光调制器的国内外研究状况20-25
• 1.4.1 国际上有机聚合物电光调制器的研究20-25
• 1.4.2 国内在有机聚合物电光调制器方面的研究25
• 1.5 本论文的组织安排25-26
• 1.6 本章小结26-27
• 第二章 电光聚合物材料及其特性27-41
• 2.1 有机聚合物材料的电光特性27-30
• 2.2 电光聚合物材料的光损耗30
• 2.3 电光聚合物材料的热稳定性30-31
• 2.4 电光特性的表征——简单反射法的基本理论31-33
• 2.5 光损耗的测量33-37
• 2.6 新型电光材料的合成与表征37-40
• 2.6.1 FFC的合成与FFC/PSU薄膜的制备38-39
• 2.6.2 FFC/PSU薄膜的极化与电光系数测量39-40
• 2.7 本章小结40-41
• 第三章 聚合物脊形光波导的分析41-67
• 3.1 光的电磁波理论41-43
• 3.1.1 Maxwell方程组41-42
• 3.1.2 电磁场的边界条件42
• 3.1.3 波动方程42-43
• 3.2 光波导的变分有效折射率法分析43-48
• 3.2.1 变分有效折射率法的基本理论44-46
• 3.2.2 脊形波导中TE、TM模的色散特性分析46-47
• 3.2.3 TM模的横向光场分布47-48
• 3.3 聚合物光波导的偏振色散分析48-55
• 3.3.1 标量变分公式和偏振微扰修正48-50
• 3.3.2 分析结果和讨论50-51
• 3.3.3 多模波导的偏振色散特性51-54
• 3.3.4 基模的偏振模色散54-55
• 3.4 聚合物光波导传输特性的有限差分法分析55-61
• 3.4.1 有效折射率的确定56
• 3.4.2 束传播法的基本方程56-57
• 3.4.3 透明边界条件57-58
• 3.4.4 M-Z波导的TM模分析58-60
• 3.4.4.1 波导结构及主要参数58-59
• 3.4.4.2 脊宽W对损耗的影响59-60
• 3.4.4.3 Y分支夹角的影响60
• 3.4.5 优化结果60-61
• 3.5 聚合物光波导的OE-BPM法分析61-66
• 3.5.1 算子展开束传播法的基本理论61-64
• 3.5.2 M-Z波导的TM模分析64-66
• 3.6 本章小结66-67
• 第四章 微波行波电极的分析67-92
• 4.1 微带线的分析及其性能67-71
• 4.1.1 微带线中的模式67-69
• 4.1.2 微带线的特性阻抗69-70
• 4.1.3 微带线的损耗70-71
• 4.2 共面线及其性能71-72
• 4.2.1 共面线的特性阻抗71-72
• 4.2.2 共面线的损耗72
• 4.3 微波网络的散射参量72-74
• 4.4 传统行波电极的优化设计74-79
• 4.5 斜坡过渡行波电极79-83
• 4.6 屏蔽微带线的分析83-91
• 4.7 本章小结91-92
• 第五章 电光聚合物光波导调制器的优化设计92-103
• 5.1 M-Z电光调制器及其特性参量92-93
• 5.2 基于光波导的M-Z电光调制器93-94
• 5.3 调制器的响应与带宽94-95
• 5.4 光波导的设计95-100
• 5.4.1 单模光波导95-97
• 5.4.2 电极诱导的光损耗97-99
• 5.4.3 光波导的弯曲光损耗99-100
• 5.5 电光调制器的宽带响应函数100-102
• 5.6 本章小结102-103
• 第六章 聚合物光波导器件的制备103-117
• 6.1 旋涂103-104
• 6.2 极化104-106
• 6.2.1 电晕极化104-105
• 6.2.2 接触极化105-106
• 6.3 刻蚀106-107
• 6.3.1 干法刻蚀106-107
• 6.3.2 湿法刻蚀107
• 6.4 电镀107-108
• 6.5 切割108
• 6.6 电光聚合物光波导调制器的制备108-116
• 6.6.1 下电极的制备109-110
• 6.6.2 下包层的制备110-111
• 6.6.3 芯层的制备与极化111
• 6.6.4 上包层的制备111
• 6.6.5 上电极的制备111-112
• 6.6.6 单元器件和耦合112-115
• 6.6.7 阵列器件115-116
• 6.7 本章小结116-117
• 第七章 结论117-119
• 7.1 本文的主要工作117-118
• 7.2 下一步工作展望118-119
• 致谢119-120
• 参考文献120-128
• 攻博期间取得的研究成果128-129

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