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基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究

作　者: 李林科
导　师: 赵明山
学　校: 大连理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 聚合物微环谐振器 PPESK PSQ 光束传播法(BPM)
分类号: TN713.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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引　用: 8次
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内容摘要

首先运用光波导理论和耦合模理论，建立了微环谐振器传输特性的理论模型，分析了微环谐振器传输特性和各性能指标随耦合和损耗这两个重要参数的变化关系，并讨论了等几种常见微环谐振器结构的特点，为微环谐振器的设计提供了理论依据。介绍了微环谐振器的两种数值模拟方法—时域有限差分法(FDTD)和光束传播法(BPM)，对于FDTD方法，分析了模拟时间、数值色散对模拟结果的影响，从而给出了选取时间、时间步长和格点的基本原则；对于BPM方法，讨论了其模拟微环谐振器传输特性的基本思路，并详细讨论了弯曲波导的基本特性和微环谐振器耦合效率和传输损耗的计算方法，基于讨论的结果最后得到了微环谐振器的传输特性曲线。通过比较这两种方法发现FDTD适合于小尺寸微环的模拟分析，而BPM适合于大尺寸微环的模拟分析。对新型聚合物光子材料PPESK的成膜工艺进行了系统的研究，通过旋涂法获得了厚度均一性和折射率一致性良好的薄膜，并分析了溶剂吸水性和挥发性对薄膜质量的影响。采用棱镜耦合仪测量分析了PPESK和氟化PPESK的折射率、双折射、热光系数和光学损耗等光学特性，结果显示该材料是一种具有良好前景的聚合物光子材料。研究了新型有机无机杂化聚合物光子材料PSQ的成膜工艺，讨论了溶剂挥发性对薄膜质量的影响，获得了质量优良的薄膜，并测量了它们的基本光学特性。重点研究了PSQ-Ls(液态PSQ)的固化工艺，通过优化固化工艺使PSQ-Ls具备了较低的光损耗，同时讨论了PSQ-Ls折射率的调控方法，结果表明PSQ-Ls是一种性能良好的聚合物光子材料。以液态PSQ(PSQ-Ls)为波导制备材料，设计了多种掩埋型微环谐振器结构和波导测试结构，用于微环谐振器和波导基本性能的测试、设计结果和实际器件性能的对比、以及波导制备工艺的考察等，设计中对微环谐振器的波导宽度、弯曲半径、耦合长度及耦合间隙(Gap)进行了优化，以期获得最小的插入损耗及大的消光比。给出了掩模版的设计思路和设计结果，并制备出了掩模版。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 微环谐振器的应用  10-15
  1.2 有机聚合物光波导材料的优点  15-16
  1.3 聚合物微环谐振器相关研究的国内外进展和现状  16-17
  1.4 本论文的研究工作  17-18
2 微环谐振器理论分析  18-30
  2.1 微环谐振器理论模型  18-20
  2.2 微环谐振器的性能指标  20-23
    2.2.1 谐振波长  20-21
    2.2.2 自由光谱范围FSR  21
    2.2.3 谐振峰半高全宽  21-22
    2.2.4 精细度F  22
    2.2.5 品质因子Q  22
    2.2.6 消光比  22-23
  2.3 微环谐振器特性分析  23-27
    2.3.1 耦合对微环谐振器特性的影响—对称耦合  23-24
    2.3.2 耦合对微环谐振器特性的影响—非对称耦合  24-26
    2.3.3 损耗对微环谐振器特性的影响  26-27
  2.4 微环谐振器的几种常见结构  27-30
    2.4.1 直波导-环波导平面耦合结构  27
    2.4.2 跑道型平面耦合结构  27-28
    2.4.3 基于MMI的跑道型结构  28
    2.4.4 并行弯曲波导平面耦合结构  28-29
    2.4.5 竖直耦合结构  29-30
3 微环谐振器的数值模拟方法  30-50
  3.1 时域有限差分法(FDTD)  30-36
    3.1.1 耦合效率的FDTD计算  30-31
    3.1.2 微环谐振器传输特性的FDTD模拟  31-32
    3.1.3 模拟的光传输时间对模拟结果的影响  32-35
    3.1.4 数值色散对谐振波长的影响  35-36
  3.2 有限差分光束传播法(FD-BPM)  36-48
    3.2.1 BPM模拟微环谐振器的基本方法  36-37
    3.2.2 弯曲波导变换为直波导的方法  37-39
    3.2.3 弯曲波导模式场分布  39-40
    3.2.4 弯曲波导有效折射率  40-41
    3.2.5 弯曲损耗BPM计算  41-42
    3.2.6 模式不匹配损耗的BPM计算  42-44
    3.2.7 散射损耗的计算  44-45
    3.2.8 耦合效率BPM计算  45-47
    3.2.9 微环谐振器传输特性  47-48
  3.3 FDTD和BPM的优缺点  48-50
4 基于PPESK的新型聚合物光子材料成膜和光学特性研究  50-61
  4.1 PPESK的成膜特性  50-55
    4.1.1 聚合物PPESK的分子结构  50-51
    4.1.2 PPESK薄膜制备  51
    4.1.3 薄膜质量的表征  51-52
    4.1.4 溶剂吸水性对薄膜质量的影响  52-53
    4.1.5 溶剂挥发性对成膜特性的影响  53-54
    4.1.6 旋涂成膜应注意的几个方面  54-55
  4.2 PPESK光学特性  55-58
    4.2.1 折射率  55-56
    4.2.2 热光系数  56-57
    4.2.3 薄膜波导传输损耗  57
    4.2.4 影响薄膜波导损耗的因素  57-58
  4.3 PPESK氟化改性后的光学特性  58-61
    4.3.1 分子结构  58-59
    4.3.2 折射率及热光系数  59-60
    4.3.3 薄膜波导传输损耗  60-61
5 有机无机杂化聚合物材料PSQ的成膜和光学特性研究  61-70
  5.1 固态PSQ(PSQ-S)的成膜和光学特性  61-64
    5.1.1 成膜特性  61-63
    5.1.2 光学特性  63-64
  5.2 液态PSQ(PSQ-Ls)的成膜和光学特性  64-68
    5.2.1 成膜特性  64-65
    5.2.2 光学特性  65-66
    5.2.3 光损耗和固化条件的关系  66-67
    5.2.4 折射率调控  67-68
  5.3 PSQ-Ls的优点  68-70
6 基于聚合物PSQ-Ls的掩埋型微环谐振器设计和掩模版设计  70-83
  6.1 跑道型微环谐振器优化设计  70-73
    6.1.1 波导截面尺寸  70
    6.1.2 结构优化分析  70-72
    6.1.3 耦合间隙Gap和耦合直波导长度的确定  72-73
    6.1.4 不同耦合长度和不同Gap的跑道型微环谐振器  73
  6.2 波导宽度对跑道型微环谐振器特性的影响  73-78
    6.2.1 模式干涉现象  73-75
    6.2.2 模式干涉原理  75-76
    6.2.3 模式干涉对微环谐振器功率传输特性的影响  76-77
    6.2.4 多模跑道型微环谐振器设计  77-78
  6.3 减小模式不匹配效应的结构优化  78-79
  6.4 跑道型陷波滤波器设计  79-80
  6.5 基于MMI的跑道型微环谐振器  80-81
  6.6 掩模版layout  81-83
结论与展望  83-85
参考文献  85-89
附录A 掩模版layout说明  89-95
攻读硕士学位期间发表学术论文  95-96
致谢  96-97

基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究

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