可直接紫外写入含氟聚碳酸酯波导材料在光学开关中的应用探索

发布时间：2017-12-10 22:10

  本文关键词：可直接紫外写入含氟聚碳酸酯波导材料在光学开关中的应用探索

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【摘要】：光通信系统主要由激光源、光调制器、光放大器、光开关和光探测器等组成。光电子、微电子和微加工技术的蓬勃发展,使得在光通信领域中,平面光波导的发展必将实现光子集成(PIC)。与无机类材料相比,由于聚合物类材料具有很多优点,如:种类众多且结构可设计、性能可调节,制作成本低廉且制备技术简单等,使其在制作光波导器件方面具有很大的潜力。目前,在光波导领域,科学家们所面临的挑战仍然是如何设计、合成出具有较低的光学损耗、可调节的折射率、较高的热稳定性且易于加工的、可实际应用的聚合物类光波导材料。光学开关是光通信系统的核心部件,已经在光交叉连接(OXC),光分插复用器(OADM),光网络监控和芯片光互连中得到了广泛的应用。聚合物类材料,除了上述的优点之外,还具有较高的热光系数、较低的热传导速度,这就使得其既适合用于热-光开关,又适合用于电光开关。本论文中,我们从光学损耗、折射率和加工性这三个方面入手,旨在设计、合成出能够满足波导应用的聚合物材料,并将其制作成光开关器件。其中,各章节的内容如下:第一章,绪论。简要介绍了聚合物平面光波导的基础知识,总结了近些年来用于制备光波导器件的聚合物材料研究进展及聚合物波导材料在光学开关中的应用。从不同聚合物材料的设计、合成及性能入手,讨论其优缺点,并在此基础上提出本论文的设计思路。第二章,我们设计、合成了一系列环氧封端的含氟聚碳酸酯AF-Z-PC EP 1-3和FBPA-PC-EP 1-3。其中,4,4-二羟基二苯环己烷(BPZ)和3-(三氟甲基)-[1,1-联苯]-2,5-二醇(3F-PQ)的引入可以调节聚合物分子的折射率,环氧基团的引入可以作为交联点。将以上两个系列的含氟聚碳酸酯溶于有机溶剂环戊酮中,再加入光引发剂三苯基六氟磷酸硫摀盐,即得到了光刻胶溶液系列NFPR 1-3和FPC-PR 1-3。将此光刻胶溶液通过旋涂、前烘、紫外曝光、后烘制得交联的光学薄膜。此薄膜表面光滑,热学稳定,透过率高。对于NFPR 1-3而言,折射率可在1.500-1.532之间调节(1550 nm),将NFPR 1用直接紫外写入的方法制得条形波导,其光学损耗仅为0.19 d B cm-1;制得MZI型T-O开关,在200 Hz方波作用下,开关的响应时间为1.546 ms和1.226 ms,平均开-关时间为1.386 ms;插入损耗为9.0 d B;开关电压功率为15.5 m W;消光比为13.0 d B。对于FPC-PR 1-3而言,虽然含氟量提高了,但是折射率却达到了1.51-1.58(1550 nm),也许与联苯基团的引入有关。薄膜的光学透明度也很高,在400 nm处达到了97.8%的透过率。将FPC-PR 1制成条形光波导,其光学损耗仅为0.17 d B cm-1;制得MZI型T-O开关,在500 Hz方波作用下,开关的响应时间为837μs和381.8μs,平均开-关时间为609.4μs;开关电压功率为35.0 m W;消光比为14.0 d B。总体性能都比AF-Z-PC EP 1-3有所提高。第三章,在第二章中结果的基础上,我们进行了更深入地探索,即研究单体的柔性对热-光波导器件性能的影响。我们设计、合成了含有脂肪链段的环氧封端的含氟聚碳酸酯(AF-Ali-PC EP 1-3)和含有芳香族链段的环氧封端的含氟聚碳酸酯(AF-Ar-PC EP 1-3),分别将其配制成光刻胶溶液系列Ali-PR 1-3和Ar-PR 1-3。将此类光刻胶溶液通过旋涂、前烘、紫外曝光、后烘制得交联的光学薄膜。对于Ali-PR1-3系列材料,此薄膜表面光滑,折射率可在1.51-1.495之间调节(1550 nm),热学稳定。将Ali-PR 1用直接紫外写入的方法制得条形波导,其光学损耗仅为0.21 d B cm-1;制得MZI型T-O开关,在200 Hz方波作用下,开关的响应时间为1.822 ms和1.364 ms,平均开-关时间为1.593 ms,插入损耗为9.2 d B,消光比为12.0 d B,开关电压功率为15.0 m W。对于Ar-PR 1-3系列材料,此薄膜表面出现了液滴状液晶形态,折射率可在1.60-1.54之间调节(1550 nm),热学稳定。将Ar-PR 1用直接紫外写入的方法制得条形波导,其光学损耗仅为0.19 d B cm-1;制得MZI型T-O开关,在110 Hz方波作用下,开关的响应时间为2.994 ms和2.301 ms,平均开-关时间为2.648 ms,插入损耗为8.9 d B,消光比为12.3 d B,开关电压功率为20.0 m W。通过与第二章中结果进行对比不难看出,含3F-PQ类含氟聚碳酸酯所制备的器件性能是最优异的,含联苯结构的含氟聚碳酸酯所制备的器件性能是最差的。综上所述,向含氟聚碳酸酯的分子主链中引入类似3F-PQ这类既含有侧链又具有一定刚性的分子更适合作为光学材料应用于波导器件中,不仅如此,我们还可以将此类材料应用于类似眼镜片、LED封装材料、透镜等领域。第四章,我们合成了端基为双键的含氟聚碳酸酯AF-Z-PC MA 1-3、AF-Ali-PC MA 1-3和含有多双键的含氟聚碳酸酯AF-3OH-PC MA 1-3作为电光聚合物材料,并合成了一个结构简单且合成方便的生色团分子N-TCF。将聚合物材料分别与生色团分子混合配制成一系列光刻胶溶液Z-N-TCF PR 1-3、Ali-N-TCF PR 1-3和3OH-N-TCF PR 1-3。将这些光刻胶通过旋涂、前烘除去溶剂、极化、紫外曝光交联等步骤制作成二阶非线性光学薄膜。其中,用Z-N-TCF PR 1、Ali-N-TCF PR 1和3OH-N-TCF PR 1形成的膜,测试结果表明此类聚合物具有很好的取向稳定性,80?C加热200 h后r33保有初始值的90%以上。与AF-Z-PC MA 1-3和AF-Ali-PC MA 1-3相比,AF-3OH-PC MA 1-3最大的优点是双键的含量是可以控制的,如此就可以控制聚合物的交联度,在配制光刻胶溶液时就不用加入小分子的交联剂,减少了对器件性能的影响。综上,AF-Z-PC MA 1-3、AF-Ali-PC MA 1-3和AF-3OH-PC MA 1-3均可被用作为电光聚合物材料。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN25;TN929.1

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本文编号：1276065