發(fā)布時(shí)間：2017-12-10 22:10

  本文關(guān)鍵詞：可直接紫外寫入含氟聚碳酸酯波導(dǎo)材料在光學(xué)開關(guān)中的應(yīng)用探索

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【摘要】：光通信系統(tǒng)主要由激光源、光調(diào)制器、光放大器、光開關(guān)和光探測器等組成。光電子、微電子和微加工技術(shù)的蓬勃發(fā)展,使得在光通信領(lǐng)域中,平面光波導(dǎo)的發(fā)展必將實(shí)現(xiàn)光子集成(PIC)。與無機(jī)類材料相比,由于聚合物類材料具有很多優(yōu)點(diǎn),如:種類眾多且結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、性能可調(diào)節(jié),制作成本低廉且制備技術(shù)簡單等,使其在制作光波導(dǎo)器件方面具有很大的潛力。目前,在光波導(dǎo)領(lǐng)域,科學(xué)家們所面臨的挑戰(zhàn)仍然是如何設(shè)計(jì)、合成出具有較低的光學(xué)損耗、可調(diào)節(jié)的折射率、較高的熱穩(wěn)定性且易于加工的、可實(shí)際應(yīng)用的聚合物類光波導(dǎo)材料。光學(xué)開關(guān)是光通信系統(tǒng)的核心部件,已經(jīng)在光交叉連接(OXC),光分插復(fù)用器(OADM),光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和芯片光互連中得到了廣泛的應(yīng)用。聚合物類材料,除了上述的優(yōu)點(diǎn)之外,還具有較高的熱光系數(shù)、較低的熱傳導(dǎo)速度,這就使得其既適合用于熱-光開關(guān),又適合用于電光開關(guān)。本論文中,我們從光學(xué)損耗、折射率和加工性這三個(gè)方面入手,旨在設(shè)計(jì)、合成出能夠滿足波導(dǎo)應(yīng)用的聚合物材料,并將其制作成光開關(guān)器件。其中,各章節(jié)的內(nèi)容如下:第一章,緒論。簡要介紹了聚合物平面光波導(dǎo)的基礎(chǔ)知識,總結(jié)了近些年來用于制備光波導(dǎo)器件的聚合物材料研究進(jìn)展及聚合物波導(dǎo)材料在光學(xué)開關(guān)中的應(yīng)用。從不同聚合物材料的設(shè)計(jì)、合成及性能入手,討論其優(yōu)缺點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上提出本論文的設(shè)計(jì)思路。第二章,我們設(shè)計(jì)、合成了一系列環(huán)氧封端的含氟聚碳酸酯AF-Z-PC EP 1-3和FBPA-PC-EP 1-3。其中,4,4-二羥基二苯環(huán)己烷(BPZ)和3-(三氟甲基)-[1,1-聯(lián)苯]-2,5-二醇(3F-PQ)的引入可以調(diào)節(jié)聚合物分子的折射率,環(huán)氧基團(tuán)的引入可以作為交聯(lián)點(diǎn)。將以上兩個(gè)系列的含氟聚碳酸酯溶于有機(jī)溶劑環(huán)戊酮中,再加入光引發(fā)劑三苯基六氟磷酸硫摀鹽,即得到了光刻膠溶液系列NFPR 1-3和FPC-PR 1-3。將此光刻膠溶液通過旋涂、前烘、紫外曝光、后烘制得交聯(lián)的光學(xué)薄膜。此薄膜表面光滑,熱學(xué)穩(wěn)定,透過率高。對于NFPR 1-3而言,折射率可在1.500-1.532之間調(diào)節(jié)(1550 nm),將NFPR 1用直接紫外寫入的方法制得條形波導(dǎo),其光學(xué)損耗僅為0.19 d B cm-1;制得MZI型T-O開關(guān),在200 Hz方波作用下,開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為1.546 ms和1.226 ms,平均開-關(guān)時(shí)間為1.386 ms;插入損耗為9.0 d B;開關(guān)電壓功率為15.5 m W;消光比為13.0 d B。對于FPC-PR 1-3而言,雖然含氟量提高了,但是折射率卻達(dá)到了1.51-1.58(1550 nm),也許與聯(lián)苯基團(tuán)的引入有關(guān)。薄膜的光學(xué)透明度也很高,在400 nm處達(dá)到了97.8%的透過率。將FPC-PR 1制成條形光波導(dǎo),其光學(xué)損耗僅為0.17 d B cm-1;制得MZI型T-O開關(guān),在500 Hz方波作用下,開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為837μs和381.8μs,平均開-關(guān)時(shí)間為609.4μs;開關(guān)電壓功率為35.0 m W;消光比為14.0 d B�？傮w性能都比AF-Z-PC EP 1-3有所提高。第三章,在第二章中結(jié)果的基礎(chǔ)上,我們進(jìn)行了更深入地探索,即研究單體的柔性對熱-光波導(dǎo)器件性能的影響。我們設(shè)計(jì)、合成了含有脂肪鏈段的環(huán)氧封端的含氟聚碳酸酯(AF-Ali-PC EP 1-3)和含有芳香族鏈段的環(huán)氧封端的含氟聚碳酸酯(AF-Ar-PC EP 1-3),分別將其配制成光刻膠溶液系列Ali-PR 1-3和Ar-PR 1-3。將此類光刻膠溶液通過旋涂、前烘、紫外曝光、后烘制得交聯(lián)的光學(xué)薄膜。對于Ali-PR1-3系列材料,此薄膜表面光滑,折射率可在1.51-1.495之間調(diào)節(jié)(1550 nm),熱學(xué)穩(wěn)定。將Ali-PR 1用直接紫外寫入的方法制得條形波導(dǎo),其光學(xué)損耗僅為0.21 d B cm-1;制得MZI型T-O開關(guān),在200 Hz方波作用下,開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為1.822 ms和1.364 ms,平均開-關(guān)時(shí)間為1.593 ms,插入損耗為9.2 d B,消光比為12.0 d B,開關(guān)電壓功率為15.0 m W。對于Ar-PR 1-3系列材料,此薄膜表面出現(xiàn)了液滴狀液晶形態(tài),折射率可在1.60-1.54之間調(diào)節(jié)(1550 nm),熱學(xué)穩(wěn)定。將Ar-PR 1用直接紫外寫入的方法制得條形波導(dǎo),其光學(xué)損耗僅為0.19 d B cm-1;制得MZI型T-O開關(guān),在110 Hz方波作用下,開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為2.994 ms和2.301 ms,平均開-關(guān)時(shí)間為2.648 ms,插入損耗為8.9 d B,消光比為12.3 d B,開關(guān)電壓功率為20.0 m W。通過與第二章中結(jié)果進(jìn)行對比不難看出,含3F-PQ類含氟聚碳酸酯所制備的器件性能是最優(yōu)異的,含聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的含氟聚碳酸酯所制備的器件性能是最差的。綜上所述,向含氟聚碳酸酯的分子主鏈中引入類似3F-PQ這類既含有側(cè)鏈又具有一定剛性的分子更適合作為光學(xué)材料應(yīng)用于波導(dǎo)器件中,不僅如此,我們還可以將此類材料應(yīng)用于類似眼鏡片、LED封裝材料、透鏡等領(lǐng)域。第四章,我們合成了端基為雙鍵的含氟聚碳酸酯AF-Z-PC MA 1-3、AF-Ali-PC MA 1-3和含有多雙鍵的含氟聚碳酸酯AF-3OH-PC MA 1-3作為電光聚合物材料,并合成了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單且合成方便的生色團(tuán)分子N-TCF。將聚合物材料分別與生色團(tuán)分子混合配制成一系列光刻膠溶液Z-N-TCF PR 1-3、Ali-N-TCF PR 1-3和3OH-N-TCF PR 1-3。將這些光刻膠通過旋涂、前烘除去溶劑、極化、紫外曝光交聯(lián)等步驟制作成二階非線性光學(xué)薄膜。其中,用Z-N-TCF PR 1、Ali-N-TCF PR 1和3OH-N-TCF PR 1形成的膜,測試結(jié)果表明此類聚合物具有很好的取向穩(wěn)定性,80?C加熱200 h后r33保有初始值的90%以上。與AF-Z-PC MA 1-3和AF-Ali-PC MA 1-3相比,AF-3OH-PC MA 1-3最大的優(yōu)點(diǎn)是雙鍵的含量是可以控制的,如此就可以控制聚合物的交聯(lián)度,在配制光刻膠溶液時(shí)就不用加入小分子的交聯(lián)劑,減少了對器件性能的影響。綜上,AF-Z-PC MA 1-3、AF-Ali-PC MA 1-3和AF-3OH-PC MA 1-3均可被用作為電光聚合物材料。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN25;TN929.1

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