有机聚合物波导光栅的设计与制备

摘要

聚合物波导光栅是一种在聚合物光波导上制备的周期光栅，具有材料选择灵活、波导及光栅结构多样、尺寸小、制备工艺简单以及易于大规模集成的优势，在全光通信系统和集成光传感器领域中有广泛的应用。本论文主要对聚合物波导光栅的原理、设计、制备工艺和测试等方面展开了研究。
　　本论文根据光波导理论和耦合模理论，阐述了聚合物长周期波导光栅和波导Bragg光栅的工作原理，设计了工作于通信波长的聚合物长周期波导光栅，在此基础上通过matlab编程模拟，详细分析了聚合物长周期波导光栅的截面参数、光栅周期、光栅高度和光栅长度等结构参数对其光学特性的影响，并对聚合物长周期波导光栅的结构参数进行了优化设计。实验中选用NOA61和UV15分别作为波导芯层和包层材料，利用旋转涂覆、接触光刻、高温蒸镀金属膜和反应离子刻蚀等传统微加工工艺，在Si/SiO2衬底上制备出聚合物长周期波导光栅并进行了测试。测试结果表明其透射谱在波长1537nm和1572nm处出现两个明显透射谷，衰减值分别为-14.8dB和-19dB，这两个模式分别对应芯层模和包层TE模以及TM模之间的耦合，其3dB带宽约7nm，且两个透射谷之间波长间隔与理论设计值较为接近，与设计较为吻合。此外还研究了其温度敏感特性，测得其温度调谐灵敏度约为2.2nm/℃，在16℃到34℃范围内，实现了1530nm～1580nm约40nm的波长调谐。测试结果表明，该器件具有较好的滤波特性和调谐特性，在集成光滤波器和传感器方面具有较好的应用潜力。
　　本论文还搭建了用于制备波导Bragg光栅的双光束干涉曝光系统和光栅周期测量系统，并分析了系统中关键光学元件的性能对光栅质量的影响。选用光刻胶Shipley1805，研究了其在双光束干涉曝光工艺流程中的旋涂、曝光和显影等工艺条件，成功制备出周期为535nm、占空比为0.3的均匀光栅图形，为下一步聚合物波导Bragg光栅的制备奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 波导光栅的研究意义

1．3 聚合物波导光栅研究现状

1．4 本论文主要研究内容

第二章 波导光栅理论基础

2．1 平板波导模式理论

2．1．1 三层平板波导导模

2．1．2 四层平板波导覆盖层模

2．2 条形波导模式理论

2．2．1 矩形波导的马卡梯里近似解法

2．2．2 矩形波导的有效折射率法

2．2．3 矩形波导单模传输条件

2．3 模式耦合理论

2．3．1 模式耦合一般方程

2．3．2 同向耦合

2．3．3 反向耦合

2．4 本章总结

第三章 长周期波导光栅的设计

3．1 长周期波导光栅的模式耦合

3．2 长周期波导光栅的结构设计

3．3 长周期波导光栅参数分析及讨论

3．3．1 波导芯层导模有效折射率

3．3．2 覆盖层导模有效折射率

3．3．3 长周期波导光栅相位匹配条件

3．3．4 长周期波导光栅耦合系数

3．3．5 长周期光栅透过率

3．3．6 长周期波导光栅3dB带宽

3．4 长周期波导光栅结构参数设定

3．5 本章总结

第四章 长周期波导光栅制备与测试

4．1 制备工艺与材料选择

4．1．1 材料选择

4．1．2 材料折射率测量

4．1．3 制备工艺选择

4．2 掩膜版设计

4．3 长周期波导光栅制备

4．3．1 长周期波导光栅制备中关键工艺分析

4．3．2 长周期波导光栅制备过程

4．4 长周期波导光栅测试与分析

4．5 本章总结

第五章 全息法制备波导Bragg光栅

5．1 波导Bragg光栅基本理论

5．2 全息曝光系统搭建

5．2．1 空间滤波器的针孔大小确定

5．2．2 劳埃德镜曝光系统

5．2．3 光栅周期测量光路系统

5．3 Bragg光栅制备

5．3．1 样品制备

5．3．2 全息曝光和显影

5．4 本章总结

总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢