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集成8通道聚合物分散液晶可变光衰减器阵列关键技术的研究

作　者: 仲志成
导　师: 陈维友
学　校: 吉林大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 可变光衰减器吉林大学插入损耗博士学位论文液晶材料液晶盒透明导电薄膜聚合物回波损耗电光特性
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着光纤通信技术的发展和密集波分复用（DWDM）系统的应用,平衡系统中的信号能量就显得尤为重要,可变光衰减器就是实现这种功能的关键器件,它在光纤传输线路中可以将光信号按用户的要求进行预期定量的衰减,用以保护接收端的功能。目前普遍使用的可变光衰减器在成本、响应速度、可靠性和小型化、集成化等方面尚存在不足,难以满足快速发展的光通信网络的要求。在DWDM系统中采用新技术、新材料的光衰减器以及集成化的光衰减器阵列来替换现有产品已经是一个明显的研究发展趋势,有着巨大的市场需求。因此,高性能、低成本、小型化的新型可变光衰减器阵列的研制得到学界及产业界的极大关注。本论文的主要研究工作:调制出了满足制作可变光衰减的要求的聚合物分散液晶材料。通过改变预聚物与稀释剂的配比、光引发剂含量、固化温度、液晶浓度、薄膜厚度、紫外光强等一系列工艺条件,制备了一系列的聚合物分散液晶膜,并对制得材料相分离形貌和电光特性进行对比分析,找出最佳的工艺参数。采用射频磁控溅射方法制备了满足制作可变光衰减的要求的透明导电薄膜,文章对溅射功率、溅射时间和氩气流量、本底真空度等工艺条件对成膜的影响做了详细讨论。在细小的光纤端面及侧面溅射ITO透明导电薄膜,来作为光通路上调控PDLC材料的透明导电电极,技术上难度大,还没有先例报道。设计和制作了两种集成八通道聚合物分散液晶可变光衰减器原型器件,详细介绍了这两种衰减器阵列的结构设计、关键技术、制作工艺流程,并对器件进行了相关测试,为聚合物液晶可变光衰减器阵列的实用化在理论上和技术上创造条件。硅基衬底的原型器件将光纤对接耦合结构与液晶材料衰减功能单元合并为一体,在（100）硅基底上通过湿法定向腐蚀制作自对准光纤定位槽阵列和电极引线,作为光衰减器光通路所需的光纤对接结构,这种衰减器结构在国内外尚未见有报道,它可以使器件更加易于集成,容易实现器件的多阵列化及小型化、低成本和低能耗。测试结果表明,在1550nm工作波长条件下,整个器件插入损耗最佳值为5.27dB,衰减范围为5.27dB-18dB,回波损耗为37dB,驱动电压范围2.9V_rms-21.9V_rms,串扰大于50dB。树脂衬底的原型器件是采用准直光纤阵列和液晶盒组合方式,通过对液晶盒内的ITO透明导电电极施加电场控制聚合物分散液晶材料,来实现光衰减功能,它具有成本低、组装方便、工艺简单、可随时更换液晶盒衰减单元的优点。测试结果表明,在1550nm工作波长条件下,器件插入损耗最佳值为3.98dB,衰减范围为3.98dB-19.4dB,回波损耗为40dB,驱动电压范围2V_rms-21V_rms,通道间光串扰大于50dB。我们设计和制作的两种衰减器阵列是采用聚合物分散液晶材料技术与微机械加工技术相结合,利用聚合物液晶在不同电场强度下引起光的散射效应的变化,来实现对光路能量的可控连续衰减功能,无需偏振片,不需对液晶材料进行特殊的取向处理,与传统光衰减器相比,容易实现器件的多阵列化及小型化、低成本和低能耗,而与其它MEMS微结构型光衰减器相比,工艺较为简单。

全文目录

第一章绪论  7-24
  1.1 引言  7-8
  1.2 可变光衰减器在全光网络中的应用  8-9
  1.3 可变光衰减器的类型  9-17
  1.4 光衰减器的主要性能指标  17-18
  1.5 光衰减器应用发展趋势  18-19
  1.6 基于聚合物液晶材料光器件的研究发展  19-22
  1.7 课题来源及本文主要研究内容  22-23
    1.7.1 课题的来源  22
    1.7.2 本文主要研究内容  22-23
  1.8 小节  23-24
第二章聚合物液晶材料制备及其电光特性的研究  24-55
  2.1 液晶简介  24-28
    2.1.1 液晶的种类  24-26
    2.1.2 液晶的基本性质  26-28
  2.2 聚合物液晶复合材料  28-32
    2.2.1 聚合物分散液晶的光衰减机理  29-30
    2.2.2 聚合物分散液晶的制备工艺  30-32
  2.3 聚合物液晶材料的制备  32-35
    2.3.1 选择材料  32-35
    2.3.2 紫外辐照相分离实验  35
  2.4 PDLC 膜的性能测试和结果分析  35-54
    2.4.1 液晶和预聚物的筛选  36-38
    2.4.2 预聚物和稀释剂的配比对PDLC 膜特性影响  38-41
    2.4.3 不同的光引发剂含量对PDLC 膜特性的影响  41-44
    2.4.4 不同固化温度对PDLC 膜特性的影响  44-46
    2.4.5 液晶含量对PDLC 膜特性的影响  46-52
    2.4.6 不同薄膜厚度对PDLC 电光特性的影响  52-53
    2.4.7 不同紫外光辐照强度的影响  53
    2.4.8 材料响应时间测试  53-54
  2.5 本章小结  54-55
第三章透明导电电极ITO 制备技术的研究  55-68
  3.1 氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜的介绍  55-56
  3.2 氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜电学性质  56-57
  3.3 氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜光学性质  57-58
  3.4 ITO 透明导电薄膜的制备技术  58-61
  3.5 氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜的测试与分析  61-67
  3.6 小结  67-68
第四章集成八通道可变光衰减器阵列的设计与制作技术的研究  68-105
  4.1 硅基衬底器件结构设计  68-74
    4.1.1 一维单模光纤耦合通道阵列设计  69-74
    4.1.2 电极引线阵列设计  74
  4.2 工艺设备  74-76
  4.3 硅基光衰减器阵列的制作工艺流程  76-94
    4.3.1 自对准光纤槽的制作  76-81
    4.3.2 湿法腐蚀工艺  81-83
    4.3.3 驱动电极金属引线的制作  83-85
    4.3.4 单模光纤端面溅射氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜  85-86
    4.3.5 光衰减器阵列的组装  86-94
  4.4 树脂衬底阵列器件结构设计  94-95
  4.5 树脂衬底聚合物液晶光衰减器的制作  95-103
    4.5.1 凹型衬底的制作  95
    4.5.2 液晶盒电极的设计与制作  95-96
    4.5.3 准直光纤阵列的选择与插入损耗分析  96-103
  4.6 树脂衬底聚合物分散液晶可变光衰减器阵列的组装  103-104
  4.7 小节  104-105
第五章集成八通道可变光衰减器阵列的测试  105-110
  5.1 建立测试系统  105-106
  5.2 衰减指标的测试  106-109
    5.2.1 衰减指标的测试结果  107-109
  5.3 小结  109-110
第六章结论  110-114
  6.1 全文总结  110-112
  6.2 工作展望  112-114
参考文献  114-126
致谢  126-127
攻读博士学位期间发表的论文及参与项目  127-129
摘要  129-131
ABSTRACT  131-133

集成8通道聚合物分散液晶可变光衰减器阵列关键技术的研究

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