新型热光材料手性偶氮聚氨酯的合成及数字热光开关的研究

摘要

随着高速光通信和全光网络的高速发展,人们在光通信器件和光子集成方面进行了广泛深入的研究。光开关作为光交换的核心器件,是影响全光网络性能的主要因素之一,其中热光开关因为其原理比较简单,制作工艺不复杂,因而成为关注的热点。在热光开关的研究当中,有机聚合物材料因为具有高热光系数,低热传导系数且成本低廉,易于合成等优点,成为研究的一个重要方向。
　　 本文首先合成了新型旋光偶氮聚氨酯材料(OAAPU)并对其进行了表征。采用重氮-偶合反应方法,合成了一种新的含偶氮基团的非线性生色团有机分子。接着与手性试剂L(-)-酒石酸、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)制备含手性单元的新型旋光偶氮聚氨酯材料(OAAPU)。利用傅里叶红外光谱(FT-IR)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等分析手段对合成的聚合物材料进行了结构表征,同时还测量了其熔点,溶解性和旋光性,并通过差示扫描量热法(DSC)测量了材料的玻璃化转变温度,结果显示其玻璃化转变温度较高,热稳定性较好。
　　 其次采用衰减全反射(ATR)技术测定了聚合物材料薄膜在650nm波长和不同温度处的折射率(n),通过计算得出材料的热光系数(dn／dT)。进一步对材料的色散进行研究,分别测定了聚合物材料薄膜在532nm和850nm波长下不同温度处的折射率(n),通过计算得出材料在不同温度下的赛尔迈耶尔系数,结合色散方程计算出材料在光通讯波段的折射率及热光系数。结果表明,该聚合物材料具有比一般材料更高的热光系数,因而对研制新型数字热光开关具有一定的意义。
　　 最后介绍了Y型数字式热光开关的工作原理,从光场传输和温度场分布两个方面对热光开关进行了数值模拟。利用光束传播法(BPM)对热光开关的光场传输进行了分析；同时依据热传导原理建立的热学模型对热光开关的温度场分布进行了分析。在此基础上提出一种基于OAAPU材料的Y型数字式热光开关的优化设计,通过在分支之间刻蚀出空气沟道来降低热量的传输损耗,结合OAAPU材料较高的热光系数就可以实现降低开关功耗,缩短响应时间的目的。利用模拟分析软件Rsoft、COMSOIL对其进行了数值模拟,模拟结果表明,开关的加热功耗约为0.96mw,响应时间约为4ms,和一般的Y型热光开关相比有明显提高。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 基于有机聚合物的热光开关

1.2.1 光开关概述

1.2.2 基于有机聚合物的热光开关的研究进展

1.3 有机聚合物热光材料的研究进展

1.3.1 常见的用于光通讯的有机聚合物材料

1.3.2 偶氮苯聚合物材料

1.3.3 偶氮聚合物材料的研究进展

1.4 本论文的意义及主要内容

第二章 新型旋光偶氮聚氨酯(OAAPU)的合成、表征

2.1 引言

2.2 实验内容

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验仪器

2.2.3 OAAPU的合成路线

2.3 结果与讨论

2.3.1 OAAPU的紫外谱图

2.3.2 OAAPU的红外谱图

2.3.3 OAAPU的熔点、溶解性和旋光性

2.3.4 OAAPU的差示扫描量热法(DSC)分析

第三章 OAAPU材料的热光性能及色散研究

3.1 热光性能的测量原理

3.1.1 介质平板波导理论

3.1.2 衰减全反射原理

3.1.3 棱镜耦合原理

3.1.4 波导层的折射率及厚度的测量

3.1.5 热光效应

3.2 OAAPU材料的热光性能的测量

3.2.1 实验仪器

3.2.2 折射率的测量

3.2.3 热光系数(dn/dT)的测量

3.3 OAAPU材料的色散研究

3.4 结论

第四章 基于OAAPU材料的新型低功耗Y型数字式热光开关的设计分析

4.1.介质波导

4.2 光束传播法(BPM)

4.3 Y型数字式热光开关(DOS)原理

4.3.1 绝热模式演变的概念

4.3.2 Y分支波导中的劈形过渡

4.3.3 Y分支波导原理

4.4 热光开关中的温度场分析

4.4.1 热传导学原理

4.4.2 热学模型

4.5 采用OAAPU材料的Y型低功耗数字式热光开关的设计及分析

4.5.1 引言

4.5.2 器件结构

4.5.3 光场传输分析

4.5.4 温度场分析

4.5.5 结论

第五章 全文总结

致谢

参考文献

在校期间发表论文