聚合物波导布拉格光栅滤波器的研究

摘要

带宽宽、速度快的全光通信系统具有重要的发展前景。相比传统的电子技术，光子器件对于数据交换和互连有更快的性能，光子器件的发展则是大势所趋。布拉格光栅是光通信系统中不可或缺的一个重要元件，被广泛应用于波分多路复用(WDM)、光纤传感器、增益平坦滤波器、光耦合器、光调制器等。聚合物波导布拉格光栅由于其所具有的材料选择灵活、波导及光栅结构多样、尺寸小、制备工艺简单以及易于大规模集成的优点，在全光通信系统和集成光滤波器中有着广泛的应用。本论文主要对聚合物波导布拉格光栅进行了理论研究设计、利用多种方法制备出聚合物波导布拉格光栅，并对制备的布拉格光栅滤波器进行测试。
　　论文根据光波导理论和耦合模理论，结合聚合物波导布拉格光栅的工作原理，设计并优化了聚合物波导布拉格光栅的器件参数。实验中采用紫外固化聚合物材料ZPU系列作为波导布拉格光栅的芯层和包层，设计了中心波长在1550nm附近的的波导布拉格光栅结构。此外，还对聚合物波导布拉格光栅的两种制备工艺进行了研究:(1)采用双光束干涉法制备大面积光栅结构，设计、搭建并优化了双光束干涉曝光光路系统以及光栅周期结构测试光路系统，采用ShipleyS1805作为制备光栅曝光时所用的光刻胶，对光刻胶的旋涂参数、光刻参数（曝光时间、显影时间）进行了研究和优化，并在Si/SiO2衬底上制备出聚合物一阶波导布拉格光栅并进行了测试。测试结果表明其透射谱在波长1624.4nm处出现衰减峰，衰减值为-4dB，3dB带宽为0.3nm。(2)通过采用高阶布拉格光栅可以增大光栅周期从而降低工艺难度，采用传统的接触式光刻就能实现大面积的光栅结构。设计了三阶波导布拉格光栅:周期为1.6μm，光栅长度为12mm，光栅高度为680nm，两种波导截面尺寸分别为为4μm×4.2μm和5μm×4.2μm。并采用微加工工艺流程制备了三阶聚合物波导光栅，测试结果表明截面尺寸4×4.2μm（5×4.2μm）的谐振波长为1549nm（1550.5nm），边模抑制比为19dB(18dB)，3dB带宽为0.4nm(0.6nm)，插入损耗为-7 dB，与理论设计结果符合较好。
　　在研究和制备出均匀性光栅结构的基础上，本文还对两种非均匀波导光栅进行了研究，优化设计了三阶取样波导布拉格光栅和三阶切趾波导布拉格光栅。并对三阶取样波导布拉格光栅进行制备和表征，测试结果与理论模拟符合较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 波导光栅的研究概况

1．2 聚合物波导光栅的研究进展

1．3 聚合物波导布拉格光栅的制备方法

1．3．1 双光束干涉光刻

1．3．2 电子束光刻

1．3．3 相位掩膜

1．3．4 纳米压印

1．4 本论文主要内容

第二章 波导布拉格光栅的理论基础与设计方法

2．1 矩形波导的设计方法

2．1．1 矩形波导的马卡梯里近似解法

2．1．2 矩形波导的有效折射率法

2．1．3 矩形波导单模传输条件

2．2 波导布拉格光栅的耦合模理论

2．2．1 光波导中的模式

2．2．2 布拉格光栅耦合模理论

2．2．3 传输矩阵法

2．3 本章小结

第三章 双光束干涉法制备聚合物波导布拉格光栅

3．1 双光束干涉曝光及测试系统的设计与光路搭建

3．1．1 基于劳埃德镜的双光束干涉系统曝光光路的搭建及优化

3．1．2 测试光路的搭建与测试

3．2 大面积光栅结构的制备

3．2．1 光刻胶膜厚的确定

3．2．2 光刻参数确定

3．3 聚合物波导布拉格光栅器件的制备

3．3．1 双光束干涉法制备聚合物波导布拉格光栅的制备流程

3．4 实验测试结果及分析

3．5 本章小结

第四章 三阶聚合物波导布拉格光栅的设计与制备

4．1 高阶布拉格光栅的理论

4．2 三阶聚合物波导布拉格光栅的设计与制备

4．2．1 三阶波导布拉格光栅的波导结构设计

4．2．2 三阶波导布拉格光栅的制备

4．3 三阶聚合物波导布拉格光栅测试

4．4 三阶聚合物切趾波导布拉格光栅

4．5 本章小结

第五章 三阶聚合物取样波导布拉格光栅的制备

5．1 取样光栅理论研究

5．1．1 传输矩阵法分析取样光栅

5．2 取样光栅的掩膜板设计

5．3 三阶聚合物取样波导布拉格光栅的制备

5．4 三阶取样波导布拉格光栅的测试结果与分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文