硅基光波导芯层材料及波导分束器的制备

本文采用溶胶-凝胶法制备了具有紫外感光性的SiO2/ZrO2/H有机无机复合薄膜,利用分光式椭偏仪测得该薄膜在光纤的常用通信窗口0.85 μm、1.31 μm和1.55 μm波长附近折射率分别为1.556 9、1.548 9和1.547 2,与下包层SiO2的折射率(1.46)相比,其折射率差比δ分别为6.64%,6.09%和5.97%,可作为芯层材料用于光波导的制备.通过控制提拉速率可以制作出厚度分别为1.29,2.20,4.00,5.44和6.82 μm的SiO2/ZrO2/H芯层薄膜,以满足0,1,2,3和4阶导模的传输要求.进而利用该薄膜自身的感光特性结合紫外掩模法,制备出相应厚度的1×8Y分支光功率分配器.通光实验表明,该光功分器能够将1.53～1.56 μm波长的光限制在波导内,实现光的传输和分束功能.     

火焰水解法制备Si02—Ge02平面波导材料

本文采用火焰水解法（FHD）在单晶Si片上快速淀积SiO2/SiO2-GcO2厚膜，再经过高温玻璃化处理，获得了玻璃态的平面波导材料。下包层SiO2膜的厚度约为40μm，波长1550nm处的折射率为1.4462，芯层SiO2-GeO2膜的厚度为5μm，折射率为1.4631。分别采用XRD、XPS、SEM和椭偏仪等对波导材料表面特性和折射率等进行了测试分析。     

溶胶-凝胶法制备SiO2-TiO2平板光波导工艺研究

采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂-TiO₂平板光波导,计算了平板光波导通光条件,分析了硅/钛溶胶-凝胶材料的热性能,观测了平板光波导的结构形貌,并测试了其通光损耗。结果表明：经过200℃,30 min干燥处理的凝胶薄膜呈疏松多孔状态,对于非对称平板波导,存在芯层通光截止厚度,而且当SiO₂-TiO₂芯层厚度为0.5 μm时,SiO₂下包层厚度至少有6 μm才能防止1550 nm波长光泄露入单晶硅衬底中。制备的光波导对于1550 nm波长光传输损耗最小值为0.34 dB/cm。     

飞秒激光制作铌酸锂光波导的研究

针对Z切割铌酸锂晶体在中心波长为800 nm、重复频率为76 MHz的飞秒脉冲激光下,利用放大倍数为40、数值孔径为0.65的会聚透镜聚焦,研究了扫描速度和扫描次数的变化对刻写光波导结构的影响,分析了波导结构变化的原因,并测试了1×2光波导功分器的通光性能.实验结果表明:在采用横向扫描、聚焦深度为350~400 μm、扫描速度为100 μm/s和激光功率为250 mW时,获得较理想的铌酸锂光波导,1×2光波导功分器的输出功率分布基本达到均分.     

1感光溶胶-凝胶法制备光波导研究

采用溶胶-凝胶技术与化学修饰相结合的方法,制备了具有紫外感光特性的SiO2/Al2O3溶胶及其凝胶薄膜,并通过在溶胶中加入聚乙二醇使其形成有机-无机复合结构,经一次提拉制膜就可获得18 μm厚的感光性凝胶薄膜.利用薄膜自身的感光性,使紫外光通过掩模照射薄膜,再经过溶洗和200℃、1 h的热处理,就可获得厚度达到15 μm、线宽约为100 μm的波导阵列.对这种波导薄膜的折射率和的透射率进行了研究.     

聚硅氧烷改性及多模光波导制备

采用含氢聚硅氧烷(HPSO)和二乙烯基苯(DVB)的交联体掺入聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,使改性的聚二甲基硅氧烷(M-PDMS)折射率发生1%～1.8%的改变。M-PDMS及PDMS薄膜具有良好的光透射率和低的传输损耗,是低成本制备用于高速芯片间光互连聚合物光波导的理想材料。采用软成型和图案转移法,用M-PDMS及PDMS分别作波导的芯层和包层制备了截面为50μm×50μm,长度大于20cm的聚硅氧烷多模光波导。用数字化散射法测量了所制备波导的传输损耗,测得输入光波长为633nm时平均传输损耗为0.137dB/cm。     

对偏振变动和膜厚变动脱敏的高分子波导宽带耦合器

针对高分子光波导制造工艺中波导芯厚度的均匀性难以控制,以及材料较大的折射率各向异性引起的偏振态依赖性的实际问题,提出了采用抗波导芯厚度误差、抗偏振变动的宽带波导耦合器回路结构的解决方案,并给出了优化设计的理论和方法.在实测了含氟聚酰亚胺薄膜的色散特性的基础上,采用该方法做了中心波长为1550 nm、带宽为120 nm的3 dB含氟聚酰亚胺波导耦合器设计.该器件的三维BPM仿真运行结果表明,在上述带宽上,波导芯厚度变动在7～8 μm的范围内,两个正交偏振态均可实现(50±1.0)% 功率输出比的良好特性.     

ZrO_2/SiO_2溶胶-凝胶薄膜膜层间的渗透行为

分别以丙醇锆和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO2和SiO2溶胶。用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了单层SiO2薄膜、单层ZrO2薄膜、ZrO2/SiO2双层膜和SiO2/ZrO2双层膜。采用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌,用椭偏仪测量薄膜的厚度与折射率,用紫外-可见光分光光度计测量了薄膜的透射率。对薄膜的透射光谱和椭偏仪模拟的数据进行分析,发现SiO2/ZrO2双层膜之间的渗透十分明显,而ZrO2/SiO2双层膜之间几乎不发生渗透。利用TFCalc模系设计软件,采用三层膜模型对薄膜的透射率进行模拟,得出的透射曲线与用紫外-可见光分光光度计测量的透射曲线十分符合。     

基于slot波导的硅基长波红外偏振无关定向耦合器分析

 硅基长波红外集成光电子器件是集成光学发展的一个新兴领域.阐述了利用等比例放大原理设计该波段下的slot波导的思路,分析了波导的限制因子、偏振特性等性质,并提出了工作波长为10.6 μm的偏振无关slot波导定向耦合器.     

1×|N 信道聚合物微环谐振器电光开关阵列的开关特性

利用耦合模理论、电光调制理论和微环谐振理论,提出了一个完善合理的聚合物微环谐振器电光开关阵列模型.该器件由1条水平信道、N条竖直信道和N个微环构成,在微环上施加不同方式的驱动电压,可以实现N＋1条信道的开关功能.以1×8信道结构为例,在1 550 nm谐振波长下对该器件进行了优化设计和模拟分析.其结果是：微环波导芯的截面尺寸为1.7×1.7 μm2,波导芯与电极间的缓冲层厚度为2.5 μm,电极厚度为0.2 μm,微环半径为13.76 μm,微环与信道间的耦合间距为0.14 μm,输出光谱的3 dB带宽约为0.05 nm,开关电压约为12.6 V,插入损耗约为0.67~1.26 dB,串扰小于－20 dB,开关时间约为11.35 ps.     

Fabrication of Si-based waveguide splitters using photosensitive sol-gel method

In this paper, a photosensitive sol-gel method for 1 × 8 Y-branch optical splitter is reported. The poly (methyl methacrylate) (PMMA) cladding films with different thicknesses (above 10 μm) on Si substrates are prepared on Si substrates by dip-coating, the root-mean-square roughness (Rrms) of which is less than 0.7 nm. The UV photosensitive organic-inorganic composite SiO₂/ZrO₂/H core films are then coated on these PMMA cladding films using photosensitive sol-gel method. The refractive indexes of PMMA cladding films examined by spectroscopic ellipsometer are 1.4854, 1.4815 and 1.4806 at 0.85, 1.31 and 1.55 μm, while that of the SiO₂/ZrO₂/H gel films are 1.5569, 1.5489 and 1.5472 μm, respectively, which is larger than that of PMMA cladding films. Therefore, the composite structure of SiO₂/ZrO₂/H gel films on PMMA-on-Si substrates could be used to fabricate waveguide splitter. Based on the inherent photosensitivity of the SiO₂/ZrO₂/H gel film, 1 × 8 Y-branch optical power splitters with a thickness of 5 μm are fabricated by irradiating the gel film with UV light through a mask followed by dissolving the non-irradiated area in a suitable solvent. The line-width and output spacing of this splitter are 25 and 110 μm, respectively. The observed near-field pattern indicates that the light with a wavelength of 1.53-1.56 μm can be transmitted and split into eight branches in the optical splitter, which is fabricated by using the above technique.     

ZrO2/SiO2溶胶-凝胶薄膜膜层间的渗透行为

 分别以丙醇锆和正硅酸乙酯为原料，采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO₂和SiO₂溶胶。用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了单层SiO₂薄膜、单层ZrO₂薄膜、ZrO₂/ SiO₂双层膜和SiO₂/ZrO₂双层膜。采用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌，用椭偏仪测量薄膜的厚度与折射率，用紫外-可见光分光光度计测量了薄膜的透射率。对薄膜的透射光谱和椭偏仪模拟的数据进行分析，发现SiO₂/ZrO₂双层膜之间的渗透十分明显，而ZrO₂/SiO₂双层膜之间几乎不发生渗透。利用TFCalc模系设计软件,采用三层膜模型对薄膜的透射率进行模拟，得出的透射曲线与用紫外-可见光分光光度计测量的透射曲线十分符合。     

溶胶-凝胶ZrO_2/SiO_2薄膜的激光损伤研究

采用溶胶-凝胶工艺分别制备了SiO2和ZrO2单层薄膜、ZrO2/SiO2双层膜以及ZrO2/SiO2多层高反膜。用输出波长为1064nm、脉宽为6.3ns的YAG激光器对薄膜进行了激光损伤实验。观察了薄膜经强激光辐照后的损伤情况,讨论了薄膜的激光损伤行为,并从理论上分析了产生这些损伤的原因,为进一步镀制高质量的ZrO2/SiO2多层高反膜提供了依据。     

激光高反射膜的研究

研究混合膜（TiO2 Ta2O3;Ta2O5 ZrO2)的色散规律，用Ta2O5 ZrO2和SiO2成功地镀制出两个波段（632．8nm,1.06μm)的激光反射膜，使激光破坏阈值提高5％－15％（1．06μm)，膜层吸收小，机械强度增加。     

采用HfO2/SiO2溶胶-凝胶薄膜制备衍射光栅

采用溶胶-凝胶方法制备了具有光敏性的HfO2/SiO2溶胶-凝胶薄膜,并利用其光敏性制备了衍射光栅.采用XPS分析了薄膜的成份,证实了Hf元素的存在.并用椭偏仪测试了薄膜的折射率,结果证实了HfO2的加入确实提高了体系的折射率.利用其光敏性,采用X射线作曝光光源通过掩模进行曝光,利用曝光部分与未曝光部分的溶解度差,在薄膜上制备了高为0.8 μm、周期为1 μm的衍射光栅.     

多层膜界面结构探测技术

分别以丙醇锆和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO2和Si O2溶胶。用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了Si O2单层膜、ZrO2单层膜和ZrO2/Si O2/ZrO2三层膜。采用椭偏仪测量薄膜的厚度与折射率,用紫外-可见分光光度计测量了薄膜的透过率,利用TFCalc_Demo模系设计软件,采用三层理论模型对薄膜的透过率进行模拟,用扫描电镜(SEM)观察了三层膜的断面结构,用X射线光电子能谱仪(XPS)测量了薄膜的成分随深度方向的变化,进一步验证了ZrO2/Si O2/ZrO2三层膜之间的渗透关系,同时对多层膜的界面结构探测方法起到了借鉴作用。     

层间热处理对SiO2/ZrO2双层膜的影响

 以正硅酸乙酯和丙醇锆为前驱体,用溶胶-凝胶法在K9基片上提拉镀制SiO₂/ZrO₂双层膜。采用不同实验步骤制备了2个样品,样品1镀完SiO₂后直接镀ZrO₂ ,样品2镀完SiO₂经热处理后再镀ZrO₂。采用原子力显微镜、椭偏仪、紫外-可见分光光度计对薄膜进行表征。针对SiO₂/ZrO₂双层膜,考虑到膜间渗透的影响,采用３层Cauchy模型进行椭偏模拟,椭偏参数的模拟值曲线与椭偏仪的测量值曲线十分吻合,进而发现热处理可以使SiO₂/ZrO₂双层膜之间的渗透减少近23 nm,从而提高其峰值透射率。利用输出波长1.064 mm,脉宽8.1 ns的激光束对样品进行了损伤阈值的测试,用光学显微镜观察损伤形貌,结果发现两者损伤阈值分别为13.6 J/c2和14.18 J/cm²,均为膜的本征损伤。     

一步法紫外曝光制备TiO2光敏凝胶光栅的初步研究

 以钛酸丁酯和苯甲酰丙酮为原料，经sol-gel工艺，获得具有负性光刻胶性质的TiO₂光敏凝胶薄膜。它的敏感波长在360nm附近，与反应生成的螯合环有关。结合掩模曝光和显影工艺，将条状或网格状的光栅图形引入光敏凝胶表面，获得光敏凝胶光栅。