集成光學在光通訊以及光傳感領域受到了廣泛的關注與重視,而在眾多光子材料下,新型的有機聚合物光子材料具有很多優(yōu)勢,例如成本低、成膜性好、可人工合成、性能靈活可控等,因此成為近些年來集成光學研究的重點之一。聚合物基集成光波導器件的制備工藝簡單且種類多樣,例如直接光刻、激光直寫以及納米壓印等。在這些制備工藝之中,納米壓印一直備受青睞,主要是因為其在制備工藝簡單的同時,亦能夠提供較高的制備精度。紫外軟壓印制備工藝是納米壓印的改進版本,引入了軟模具進行壓印,能夠有效的降低對主模具帶來的損傷與污染,采用了紫外固化的方式代替了納米壓印中的熱固化,從而極大的降低了制備難度與成本。本論文主要針對三類聚合物基集成光波導器件的設計、制備、測試與結果分析進行了研究與探討,涉及的集成光波導器件包含用于通訊領域的光波導分束器以及傳感領域的微環(huán)諧振器與多模干涉型傳感器。主要內容簡述如下:1.對兩類聚合物基光波導分束器(Y型與MMI型)進行了設計、制備與測試。所采用的聚合物材料為在通訊波段損耗較低的LFR材料。首先對兩類光波導分束器進行了優(yōu)化設計,主要考慮的問題包括光波導尺寸的設計、S型彎曲波導的總傳輸損耗的優(yōu)化以及MMI型光波導分束器多模波導區(qū)域的優(yōu)化。然后采用紫外軟壓印工藝對兩類光波導分束器進行了制備,最后對分束器進行了表征與測試,制備的Y型與MMI型光波導分束器在1550nm波長下的插入損耗分別為11.28 dB與12.98 dB。與已報道的聚合物基光波導分束器相比,有較大的提升。2.工作于890 nm波長下的聚合物基光波導微環(huán)諧振器設計、制備與測試。采用的聚合物光子材料為在短波長波段具有較低損耗的Ormocore材料。首先,針對微環(huán)諧振器的幾個重要性能參數,對微環(huán)諧振器進行了優(yōu)化設計,然后采用紫外軟壓印工藝進行了制備,最終對制備的微環(huán)諧振器進行了表征與測試。進一步設計并制備了多環(huán)陣列結構,以實現(xiàn)對多個參數的綜合檢測。為了提高聚合物基光波導微環(huán)諧振器的自由光譜范圍,設計并制備了基于游標效應的雙環(huán)級聯(lián)結構,不僅能夠有效的提高微環(huán)諧振器的自由光譜范圍,還能進一步提高傳感靈敏度。3.聚合物基多模干涉型折射率傳感器的設計、制備與測試。首先對雙模波導干涉型折射率傳感器進行了優(yōu)化設計,通過控制單模波導與多模波導的位置關系,來控制兩個模式之間的分光比。依然采用紫外軟壓印工藝進行制備,并對其進行表征與測試。所得到的干涉光譜的消光可達到15 dB,波長漂移靈敏度789 nm/RIU,角度靈敏度為316 π rad/RIU。為了進一步提高傳感靈敏度,設計了三模波導干涉型折射率傳感器,加入了長周期光柵結構用以控制兩模式的分光比,提高干涉光譜的對比度,最后對其制備容差進行了分析計算。通過模擬計算,三模波導干涉型折射率傳感器的傳感靈敏度為4100 π rad/RIU。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN252
【部分圖文】：

?（ｂ）?（ｃ）??圖１．１納米壓印工藝流程??Ｆｉｇ．?１．１?Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??早期的納米壓印技術是采用熱壓的方式，壓印模具一般是桂基或是金屬基的硬模具，??所用的聚合物具有熱塑性，當溫度高于玻璃化溫度（一般為７０°Ｃ？８０°Ｃ）時，材料具有??流動性，此時將具有微納米結構的模具壓印于聚合物薄膜上，加壓成形后冷卻，聚合物??材料再次轉變?yōu)楣虘B(tài)，脫模后即可將模具上的微納米結構復制到聚合物薄膜上。Ｌ．Ｊ．?Ｇｕｏ??課題組最早采用此工藝制備出了聚合物基光學器件［４５］，圖１．２即為制備ＰＭＭＡ基微環(huán)??諧振器，（ａ）為微環(huán)諧振器全貌掃描電子顯微鏡圖，（ｂ）為微環(huán)諧振器關鍵結構部位??（耦合區(qū)域）的掃描電子顯微鏡圖。為了進一步降低制備工藝的復雜度，人們提出了３１叩－??ａｎｄ－ｆｌａｓｈ?ｉｍｐｒｉｎｔ?ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ?（Ｓ－ＦＩＬ）［４６］

此時將具有微納米結構的模具壓印于聚合物薄膜上，加壓成形后冷卻，聚合物??材料再次轉變?yōu)楣虘B(tài)，脫模后即可將模具上的微納米結構復制到聚合物薄膜上。Ｌ．Ｊ．?Ｇｕｏ??課題組最早采用此工藝制備出了聚合物基光學器件［４５］，圖１．２即為制備ＰＭＭＡ基微環(huán)??諧振器，（ａ）為微環(huán)諧振器全貌掃描電子顯微鏡圖，（ｂ）為微環(huán)諧振器關鍵結構部位??（耦合區(qū)域）的掃描電子顯微鏡圖。為了進一步降低制備工藝的復雜度，人們提出了３１叩－??ａｎｄ－ｆｌａｓｈ?ｉｍｐｒｉｎｔ?ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ?（Ｓ－ＦＩＬ）［４６］，此工藝采用了起初狀態(tài)為液態(tài)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??熱固化，從而使工藝能夠在室溫下進行，降低了工藝難度。??（ａ）?（ｂ）??圖１．２?ＰＭＭＡ基微環(huán)諧振器電子顯微鏡圖（ａ）微環(huán)諧振器全貌圖；（ｂ）耦合區(qū)域結構圖。［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?－??

而采用了同為聚合物的娃橡膠一聚二甲基娃氧焼（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ，ＰＤＭＳ）??材料制備壓印模具［４７４９］，此種模具合成簡單、價格低廉，且具有柔性、彈性，不易損壞??穩(wěn)定性高。軟模具的制備工藝如圖１．３所示。制備過程主要分為澆筑成型，熱固化以及??脫模三個步驟，主模具一般采用的是電子束曝光制備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）??圖１．３?ＰＤＭＳ軟模具的制備流程??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｈｅ?ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＰＤＭＳ?ｓｏｆｔ?ｍｏｌｄ??相較于硬模具壓印，采用柔性的ＰＤＭＳ軟模具進行壓印具有很多優(yōu)勢。首先，由于??不再采用硬模具的直接壓印，而是將硬模具的微納米結構事先轉移到具有彈性與柔性的??ＴＯＭＳ軟模具上，而ＰＤＭＳ材料具有極低的表面自由能（２１．６?ｄｙｎ／ｃｍ），在軟模具的制??備過程中，對硬模具造成的污染與損傷較小。其次，在壓印過程中，也正是因為ＰＤＭＳ??極低的表面自由能，軟模具與壓印后聚合物光子材料脫模變得容易，降低了脫模后對制??備的集成光學器件帶來的損傷�？傊�
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本文編號：2882546