聚合物光波导的制备与特性研究

聚合物光波导的制备和特性研究

专业：应用物理

学号：084773110

姓名：胡开强

摘要

本文讲述有机聚合物光波导材料的制备其特性。

关键字：有机聚合物导波光学光刻技术

一、引言

在信息时代的今天，巨大的通信容量对通信载体的要求越来越高，以往的电路传输已经产生了局限。而光路有比电路更大的信息容量、低的传输损耗、低的发热量、以及电磁干扰小、重量轻、尺寸小等优点。如何更有效、经济的利用好光路这一载体对信息通信有很大意义。光波导（optical waveguide）由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。实用光波导有光导纤维、薄膜波导、带状波导三类。光纤的传输衰减很小，频带很宽，是其他传输线难以达到的，因此可用于大容量信号的远距离传输。有机聚合物是制作集成光波导器件非常有前景的材料。其本身具有易于集成、响应速度快、成本低等优点，这使得有机聚合物光波导在目前光通信领域拥有强大的魅力和应用前景。

二、光波导（optical waveguide )

定义：用于传输光信号的波导。常用的光波导是光纤。

结构：实用光波导有光导纤维（见光纤光缆）、薄膜波导、带状波导等三类。

薄膜波导（图中a）有三层介质,中层的薄膜厚度约1～10微米，上层（通常即为空气）和底层介质的折射率n0与n2都小于n1。当薄膜的宽度为有限尺寸时，称为带状波导(图中b)。光波能量主要集中在W ×d的矩形带状结构中。薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、调制器和光耦合器等。它们采用半导体薄膜工艺，适合于制成平面结构的集成光路（即光集成部件）。

三、聚合物光波导材料相对于传统硅基材料的优点

1、聚合物材料相对于半导体硅（SI）材料具有较低的光损耗和小的双折射。因为聚合物有比硅（SI）材料大的热光系数，所以其受热能量转换效率高。而其高的折射率比值使得其器件尺寸可以做的很小。

2、有机聚合物光波导材料具有较高的电光耦合细数，较低的介电常数，响应时间短，热损小。比如，一般聚合物的热光效应是硅的10倍，硅基光开关功率400~500mW，有机聚合物光开关铜铝小雨5mW，驱动电压小，响应快。

2、聚合物材料制作工艺简单，可大规模生产。有机聚合物光波导材料比硅基无机光波导材料加工工艺经济，无需高温加热，通过甩膜、光刻等工艺便可指出复杂的光电集成器件，而且器件轻巧、机械性能好，适用于制作大型光学期间和挠性器件(从几厘米到一米）。

四、有机聚合物光波导制作工艺

1、光刻技术：在邮寄聚合物光波导制作中，对波导的宽度有比较严格的要求，光刻工艺是影响波导宽度的重要因素。一般的光刻工艺都需要经如下工序：涂胶、前烘、曝光后烘培、显影、坚膜、刻蚀、去胶。

涂胶可采用浸涂法、喷涂法、旋转法、印刷法等。前烘是为了增加胶膜的耐磨性及基板的粘附性。曝光是为了让胶膜充分吸收光能发生光化学反应，其关键控制参数是曝光量：E=It。坚膜是为了坚固因显影而软化、膨胀的胶膜。

2、光漂白技术：利用某些聚合物材料所具有的光敏成分，在光照的情况下发生光化学反应，最终在曝光部分和未曝光不封形成折射差，通过控制曝光部分的形状从而获得所需的光波导。

该方法常以金属作掩膜，先镀一层Al，把不需要曝光的区域盖住。紫外光经过未镀Al的透光区域作用于聚合物薄膜表面，改变聚合物体系的性质，使曝光区域的折射率降低、膜的厚度减少，正好使未照射的薄膜形成脊形芯层。而后通过化学的方法去掉Al层，最后形成脊形芯层。再在波导上通过旋涂法，涂覆一层折射率比芯层小的聚合物，形成覆盖层，然后再烘烤固化支撑脊形波导。

3、离子注入、电子束照射及离子交换技术

用离子注入光学材料，由于核碰撞的能量淀积引起晶格损伤，掺杂院子形成局部应力区，改变晶体密度，对自由载流子补偿等机制改变折射率。这样制作的光波导的优点是：掺杂例子不受扩散系数、化学结合力等因素的限制，横向扩散小、重复性好，易于支撑预期图形，可在所需要的温度下注入。注入的例子的深度、剖析分布可用能量核剂量能准确控制，从而得到理想的折射率分布，从而提高光传输效率，满足集成光子器件集成度提高和尺寸缩小的要求。

五、目前光通讯波段聚合物光波导材料的研究进展

光纤具有两个低损耗传输窗口，即波长1.31um和1.55um。目前光通讯材料和器件研究应用主要集中在这两个波长上。传统聚合物作为有机聚合物光波导材料应用的最大障碍是在近红外波段（NIR：1.0~1.7um）的传播吸收损耗。比如聚甲基丙烯甲酯，聚苯乙烯，聚碳酸酯等，虽然在可见光（0.4~0.8um）方位都是性能优异的光学材料，但它们不适用于光纤通讯波段，主要原因是这些分子结构中含有的C-H或O-H键的振动会引起近红外光的吸收，从而造成传输损耗。对伊C-H键引起的损耗，当苯环上的H被D或F取代以后可以实现光通讯波段无传输损耗。对于O-H键引起的损耗，则是在分子结构中尽量减少0-H键。

目前研究中的光通讯波段聚合物光波导材料用的主要是地传输损耗聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯衍生出来的氟代、氘代聚甲基丙烯酸酯，耐高温聚合物聚酰亚胺的氟代衍生物，含氟聚芳醚，聚硅氧烷等。

六、总结

随着光通讯技术和计算机网络的迅猛发展，光通信对光通信器件的应用要求越来越高，主要需要低温、易加工、低损耗、高耐热性、低吸湿率的有机聚合物光波导材料来满足高宽带、高集成、告诉的光传输。目前有机聚合物光波导材料必须解决的文图仍有很多，比如如何进一步降低传输损耗和寻找更经济实用的新型材料等。相信在不久的将来，随着聚合物光波导材料研究的进一步深入，光通信领域的很多问题都会得到解决。