MZI型聚合物电光开关的研究

【摘要】当今世界，信息量和数据量高速增长，已经进入大数据传输时代，传统通信系统的传输容量和传送带宽已经无法保证大数据的顺利传输，与此同时具有较大传输容量和较高带宽的光纤通信技术飞速发展，渐渐的取代了传统的通信技术，成为数据传输的重要手段之一。此外，光纤通信技术是以光纤为传输介质，还具有较高的抗电磁干扰能力和较低的误码率。现行的光通信系统的信息传输过程主要经过以下三个步骤：首先发信端将要求传输的模拟信号或数字化脉冲电信号去调制光源，进行电光变换，然后被调制的光波沿着光纤传送到收信端，最后由解调器进行光电逆变换，检测复原成电信号，完成信息传输这种传输过程不能最大限度的的利用网络资源。为了提高网络资源的利用率，提出了全光网络的概念。全光网络具备现行的光通信系统所不具备的优点，它省去了庞大的光-电-光转换设备，因而具有较高的可靠性和转换速度。波分复用技术（WDM）的提出和应用实现了光网络的扩容，光开关及其阵列在WDM中起着至关重要的作用，是插分复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）的核心技术。而聚合物材料凭借其电光/热光系数高、介电常数小、种类多，易集成等优点成为光开关的理想材料。本文对基于聚合物材料的电光开关的制备和测试进行了详细研究，本文所制备的电光开关都是基于马赫-曾德尔干涉仪（Mach-zehnderinterferometer,MZI）型波导结构，围绕电光开关进行了一些相关的研究，主要内容包括以下几个部分：1、自主合成了一种有机/无机杂化电光材料，并进行了相应的原子力显微镜（Atomicforcemicroscope,AFM）表征以及折射率表征。由于杂化电光薄膜的厚度较薄，根据这一特点并结合材料的折射率，制备了基于SU-82005的MZI结构的波导型电光开关。为了减小泄露损耗，对器件结构进行了优化，制备了以SiO2为衬底，杂化电光材料DR1/TiO2-SiO2为波导芯层，SU-82005作为引导芯层，聚甲基丙烯酸甲酯为上包层的准矩形电光开关，并采用共面行波（co-planarwaveguide,CPW）结构的电极，对制备完成的器件进行测试，测得器件的插入损耗为18dB，并在50KHz频率下得到了正弦信号响应波形。2、合成了一种掺杂型电光材料DR1/SU-8，对材料行了表征，并制备了基于CPW电极的倒脊型波导电光开关。这种结构的波导相比于其他结构更容易实现单模传输，减少多模损耗。为了减小层间互溶的影响，选用紫外光固化胶NOA73作为波导的包层材料；减少光传输损耗，对NOA73凹槽的刻蚀条件进行了深入研究。感应耦合等离子体刻蚀（Inductivelycoupledplasma，ICP）是一种干法刻蚀技术，通过对刻蚀参数的摸索和优化，获得侧壁陡直、底部平坦的NOA73凹槽，成功的制备了基于CPW电极，以DR1/SU-8、NOA73为材料体系的电光开关，在10MHz频率下得到了正弦响应信号波形。3、采用DR1/SU-8、NOA73材料体系对基于微带线（Microstripline，MSL）行波电极的聚合物电光开关进行了研究和制备。基于CPW电极结构的电光开关，由于电光重叠积分因子（г）较小，因此电光调制效率不高，使得半波电压（Vπ）较高。为了提高电光调制效率，我们改用MSL电极结构代替CPW电极结构，MSL电极结构是异面电极，为此我们自己制备了一种合金下电极，即在Si衬底上制备Au-Si合金，对合金条件进行优化后，得到合金的表面均方根粗糙度（Rootmeansquare，RMS）为40nm，电阻率为2.24μ·cm。并对合金进行了X射线衍射（X-raydiffractometer，XRD）以及能量色散谱仪（Energydispersivespectrometer，EDS）表征。为了测量电极的频带宽度，制备了一对微波探针，并对电极的S21曲线进行了测量，测得电极带宽为5.2GHz。对制备完成的电光开关器件进行测试，在50KHz频率下得到了方波响应，开关时间小于10μs。
【作者】岳远斌；
【导师】张大明；
【作者基本信息】吉林大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】极化聚合物；平面光波导；电光开关；

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