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聚合物MZI平面光波导器件及集成技术的研究

作　者: 王希斌
导　师: 张大明
学　校: 吉林大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 聚合物马赫-曾德尔干涉仪光调制器/开关光流控芯片光子集成
分类号: TN256
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着微电子、光电子和微加工技术的迅猛发展，在光通信和生物传感的研究领域中，光子集成(Photonic Integrated Circuit, PIC)是平面光波导发展的必然趋势。由于聚合物材料可通过分子工程进行加工和剪裁，使其满足制备高性能光电子集成器件的要求，并且聚合物材料具有种类繁多、加工工艺简单、价格低廉和抗电磁干扰能力强等特点，这些优点使得聚合物材料在平面光波导及集成器件的制备和研究中占有重要的地位。马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)型波导结构是集成光学器件中一种最基本的，但也是不可或缺的波导结构之一，在平面光波导器件和集成光路中具有重要的地位，本论文主要利用聚合物材料，围绕着MZI型光波导器件及其集成技术做了一系列的研究工作。论文的主要内容如下：1、结合电光效应和热光效应分析了MZI的工作原理，并以光波导模式理论为基础，利用有效折射率法对三层平板波导、矩形波导、脊形波导和加载条形波导的模式特性进行了分析，为以后的器件设计和制备奠定了理论基础。同时，对本论文中所用到的实验材料和实验仪器做了简单的介绍和说明。2、合成了两种极化稳定性良好的掺杂型电光聚合物材料，并根据材料的特性设计和制备了基于MZI结构的波导型电光调制器。首先，利用溶胶-凝胶技术合成了掺杂型的有机/无机杂化材料分散红1(DR1)/TiO2-SiO2，并利用旋涂工艺和电晕极化技术制备了极化聚合物薄膜。分别采用椭偏仪、紫外-可见光谱分析仪、原子力显微镜对薄膜的折射率和厚度、薄膜极化前后的生色团分子取向及薄膜的表面形貌进行了表征。同时，利用反射法测试系统对薄膜的电光系数和极化稳定性进行了表征，结果在1310nm波长下获得了20pm/V的电光系数和2000小时仅衰减10%的极化稳定性。针对掺杂型有机/无机杂化材料膜比较薄的特点，设计和制备了加载条形电光调制器，并结合感应耦合等离子体(Inductively coupledplasma, ICP)刻蚀技术和光漂白技术来优化和提高器件的性能，调制效率提高了约40%。其次，利用物理掺杂的方法制备了主客掺杂型电光聚合物DR1/聚碳酸酯(PC)，并以NOA73为上下包层制备了三层平板波导结构，然后利用反射法测试系统对其单层和三层薄膜结构的电光特性进行了表征，结果证明该材料具有很好的极化稳定性和与NOA73良好的物理化学兼容性。最后制备了基于DR1/PC材料的倒脊形电光调制器，并对器件进行了调制性能的测试。3、对基于电光效应的聚合物MZI型光开关及集成技术进行了研究。利用全湿法刻蚀技术制备了基于SU-8材料的倒脊形电光开关，获得了形貌良好的波导凹槽和侧壁形貌，倒脊形波导结构的设计有效地减小了器件的耦合损耗和传输损耗，测试得到开关的上升时间和下降时间分别为322ns和294ns。为了制备单片多功能高速集成芯片，结合SU-8负性光刻胶的光敏特性，设计了一种无源-有源集成式电光波导结构，同时引入微带线(Microstrip line, MSL)电极结构，使得整体器件的插入损耗降低了2.8dB，开光速度提高了50%。以价格低廉、合成工艺简单、性能良好的主客掺杂型电光聚合物DR1/PMMA为波导包层，以制备工艺简单、形貌良好的SU-8材料作为波导芯层，设计和制备了基于包层调制结构的电光开关，通过COMSOL软件对光场进行模拟优化，结合分子工程对材料折射率和波导尺寸进行了优化，最后制备出基于包层调制的电光开关器件，测得器件的开关时间为百纳秒量级，插入损耗为12.6dB。4、对基于热光效应的聚合物MZI型光开关及集成技术进行了研究。首先，根据SU-8薄膜曝光区与非曝光区的折射率对温度的敏感特性，摸索了一套制备聚合物光波导器件的热光漂白技术，这种技术大大减少了实验工艺步骤，降低了实验成本。利用椭偏仪、傅里叶红外光谱仪、光学显微镜和原子力显微镜和接触角测试仪对薄膜的折射率、特征吸收峰、表面形貌和亲/疏水特性进行了表征，分析了折射率改变的化学机理。基于这种热光漂白技术，制备了1×1MZI型热光开关器件，测得开关的上升和下降时间分别为149μs和139μs。根据薄膜曝光区与非曝光区的亲/疏水特性分析了该结构波导与微流控通道集成用于生物传感应用的可行性。其次，根据PMMA材料在650nm可见光波段吸收损耗相对较低的特点，设计和制备了用于可见光通信系统的的1×2热光开关，测得开关的上升时间和下降时间分别为464μs和448μs，驱动功耗为4.6mW。同时，设计和模拟了以此结构为开关单元的热光开关与延迟线的集成芯片。最后，制备了聚合物/二氧化硅混合波导热光开关，并将波导的端面进行抛光，同时，设计了器件的封装外壳，对器件进行光学和电学的封装，为聚合物热光开关器件的实用化奠定了基础。5、以聚合物波导为媒介，将微流控技术和光学技术有机地结合在一起，对光流控技术进行了基础性的研究。首先，设计了波导包层为液体形式的MZI传感芯片，并根据SU-8和PMMA刻蚀速率的不同，通过优化ICP刻蚀工艺，增大波导芯层与液体包层的接触面积，将芯片的检测灵敏度提高了约2.8倍。然后，为了使芯片适应生物工程、电化学工程和酶工程的需求，将光学检测技术和微流控通道集成在一起，并结合传统的半导体加工工艺，设计和制备了一种结构紧凑、制备工艺简单的光流控芯片，并引入热场和电场来实现对器件的在片动态控制，实现一种电-光流控技术。最后，以PMMA基片为衬底，制备了全聚合物电-光流控芯片。本论文以聚合物为波导材料，结合电光效应、热光效应和微流控技术对基于MZI结构的平面光波导器件及集成技术进行了一系列的研究。综合聚合物材料种类繁多、易于加工和可剪裁性强的优良特性，及将微流控技术和光学技术相结合的思路，有望将激光器、光波导、调制器、开关、探测器等光学元件和微流控通道有机地集成到一个芯片上，构成片上实验室(Lab-on-a-chip, LOP)系统，为制备应用于光通信系统和传感系统的集成式芯片奠定基础。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-11
目录  11-13
第一章绪论  13-28
  §1.1 集成光电子学的研究意义  13-14
  §1.2 集成光学的发展趋势  14
  §1.3 集成光学常用材料及制备工艺  14-17
  §1.4 聚合物平面光波导器件的研究进展  17-25
    1.4.1 聚合物电光调制器/开关的研究进展  17-20
    1.4.2 聚合物热光开关的研究进展  20-21
    1.4.3 聚合物平面光波导器件的集成技术研究进展  21-25
  §1.5 本论文的主要工作及创新点  25-28
第二章聚合物平面光波导器件的理论和实验基础  28-45
  §2.1 引言  28
  §2.2 MZI 波导结构及工作原理  28-31
  §2.3 光波导设计的模式理论基础  31-37
    2.3.1 三层平板波导的本征方程  31-32
    2.3.2 矩形波导的有效折射率法  32-33
    2.3.3 脊形波导的有效折射率法  33-35
    2.3.4 加载条形波导的有效折射率法  35-37
  §2.4 电光效应  37-40
  §2.5 热光效应  40
  §2.6 实验材料与仪器  40-44
    2.6.1 实验材料  40
    2.6.2 实验仪器  40-44
  §2.7 小结  44-45
第三章基于掺杂型电光聚合物的 MZI 电光调制器的优化设计与制备  45-69
  §3.1 引言  45
  §3.2 基于有机/无机杂化材料的 MZI 电光调制器的优化设计与制备  45-58
    3.2.1 有机/无机杂化材料的制备与表征  46-49
    3.2.2 SU-8 为加载条的加载条形电光调制器的优化设计与制备  49-53
    3.2.3 P(MMA-GMA)为加载条的加载条形电光调制器的优化设计与制备  53-58
  §3.3 基于 DR1/PC 材料的 MZI 电光调制器的优化设计与制备  58-68
    3.3.1 DR1/PC 材料的制备与表征  58-63
    3.3.2 器件优化设计与制备  63-66
    3.3.3 器件性能测试  66-68
  §3.4 小结  68-69
第四章基于电光效应的 MZI 波导光开关及集成技术研究  69-92
  §4.1 引言  69
  §4.2 基于 SU-8 材料的无源-有源集成式电光开关设计与制备  69-81
    4.2.1 主客掺杂型电光聚合物 DR1/SU-8 的制备与表征  69-71
    4.2.2 基于 DR1/SU-8 材料的倒脊形电光开关设计与制备  71-75
    4.2.3 无源-有源集成式电光开关的设计与制备  75-81
  §4.3 基于包层调制的电光开关及集成技术分析  81-91
    4.3.1 主客掺杂型电光聚合物 DR1/PMMA 的制备与表征  81-84
    4.3.2 基于包层调制的电光开关优化设计与制备  84-91
  §4.4 小结  91-92
第五章基于热光效应的 MZI 波导光开关及集成技术研究  92-111
  §5.1 引言  92
  §5.2 基于热光漂白技术的热光开关及集成技术研究  92-99
    5.2.1 材料选择与表征  92-94
    5.2.2 器件设计与制备  94-97
    5.2.3 器件与微流控通道的集成技术分析  97-99
  §5.3 650nm 热光开关及集成技术研究  99-107
    5.3.1 材料合成与表征  100-101
    5.3.2 器件的设计与制备  101-105
    5.3.3 热光开关与波导延迟线的集成技术分析  105-107
  §5.4 聚合物/二氧化硅混合波导热光开关的制备与封装测试  107-110
  §5.5 小结  110-111
第六章基于聚合物平面光波导的光流控技术基础研究  111-127
  §6.1 引言  111-113
  §6.2 波导包层为液体材料的光流控芯片设计与制备  113-120
    6.2.1 芯片的结构设计与模拟  113-115
    6.2.2 薄膜的刻蚀条件摸索与表征  115-118
    6.2.3 芯片的制备与测试  118-120
  §6.3 集成热场和电场的电-光流控芯片设计与制备  120-126
    6.3.1 芯片的设计与模拟  121-123
    6.3.2 芯片的制备与测试  123-126
  §6.4 小结  126-127
第七章总结与展望  127-130
  §7.1 本论文主要内容与总结  127-129
  §7.2 前景及展望  129-130
参考文献  130-138
作者简介及科研成果  138-141
致谢  141

聚合物MZI平面光波导器件及集成技术的研究

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