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激光直写法制备SiO_2/TiO_2条形光波导工艺与性能的研究

作　者: 刘家骏
导　师: 胡乾午
学　校: 华中科技大学
专　业: 物理电子学
关键词: 集成光学条形光波导激光直写溶胶-凝胶平板光波导传输损耗
分类号: TN252
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着集成光学和光通信系统的飞速发展,有关光波导材料和制作工艺方面的研究就显得尤为关键。激光直写技术克服了以光刻技术为核心的波导传统制作技术的种种弊端,显示了自身强大的优越性而成为光电子器件领域重要的制造技术。本课题采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂/TiO₂复合薄膜,根据SiO₂/TiO₂溶胶-凝胶薄膜的特点,设计并制作了以SiO₂/TiO₂复合薄膜为芯层,SiO2为缓冲层的硅基平板光波导。以平板光波导为基础,采用激光直写技术获得了条形波导的浓缩固化图形,并利用随后的化学腐蚀工艺得到最终的条形光波导。同时,对条形光波导的表面粗糙度、表面形貌、结构和通光性能进行分析测试。SiO₂/TiO₂芯层薄膜有很好的表面平整度和光学透明度。模拟计算表明SiO₂/TiO₂平板光波导的芯层在1550nm波长下的TE0模截止厚度为0.29μm,所需下包层厚度为6μm。平板光波导的传输损耗随芯层薄膜厚度的增大而减小,实验中获得的平板波导的最小光传输损耗值为0.34 dB/cm。激光功率和光斑直径是激光直写最重要的工艺参数,激光直写SiO₂/TiO₂波导芯层薄膜时存在着起始收缩阈值与烧蚀损伤阈值。提高薄膜的热处理温度可以升高两阈值之差,从而有助于获得外形轮廓优良的窄线宽条形光波导。通过优化直写和化学腐蚀工艺参数,能得到了线度为15μm且成型良好的条形光波导,波导的横截面轮廓接近于梯形。软件模拟发现波导的模式数目随其宽度的减小而显著减少,对于宽度为30μm以内的波导可以做到单模传输,这一点和通光实验结果吻合;条形波导的主要损耗来源有表面粗糙度、碳残余、析晶和波导形状不均匀等。采用截断法在1550nm波长下测试了激光直写制得的条形波导的传输损耗,最低损耗值为1.77 dB/cm。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-20
  1.1 前言  9
  1.2 光波导材料与成型技术  9-14
  1.3 激光直写成型三维光波导的研究概述  14-18
  1.4 本课题研究内容和技术方案  18-20
2 实验材料、方法和设备  20-29
  2.1 引言  20
  2.2 溶胶-凝胶的合成  20-22
  2.3 SiO_2/TiO_2 溶胶-凝胶薄膜的制备  22-24
  2.4 激光直写成型波导的方法和设备  24-26
  2.5 分析测试方法  26-28
  2.6 本章小结  28-29
3 SiO_2/TiO_2 平板波导的制备和性能研究  29-39
  3.1 引言  29
  3.2 SiO_2/TiO_2 溶胶-凝胶薄膜制备工艺研究  29-31
  3.3 SiO_2/TiO_2 溶胶-凝胶薄膜的性能研究  31-33
  3.4 SiO_2/TiO_2 平板波导的设计与制备  33-37
  3.5 SiO_2/TiO_2 平板波导的通光测试  37-38
  3.6 本章小结  38-39
4 SiO_2/TiO_2 条形波导的激光直写成型工艺研究  39-50
  4.1 引言  39
  4.2 激光直写工艺参数对薄膜收缩率的影响  39-41
  4.3 激光直写工艺参数的优化  41-47
  4.4 化学腐蚀成型工艺研究  47-48
  4.5 激光直写快速制造光无源器件的实例  48-49
  4.6 本章小结  49-50
5 条形光波导的性能分析  50-62
  5.1 引言  50
  5.2 波导的表面形态及成分、结构分析  50-54
  5.3 条形波导的模场分析  54-58
  5.4 条形波导的传输损耗  58-61
  5.5 本章小结  61-62
6 主要结论及今后的工作建议  62-64
  6.1 主要结论  62-63
  6.2 今后的工作建议  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-70
附录 1 攻读硕士期间发表的论文  70

激光直写法制备SiO_2/TiO_2条形光波导工艺与性能的研究

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