有机聚合物波导的热光效应研究毕业设计论文.docx

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有机聚合物波导的热光效应研究毕业设计论文

**邮电大学

毕业设计（论文）

题目

有机聚合物波导的热光效应研究

专业

光电信息工程

学生姓名

班级学号

指导教师

指导单位

光电工程学院

日期：

年月日至年月日

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

本文围绕有机聚合物的热光效应进行研究，致力于提高热光型器件的热光调制效率。

所谓热光效应，指的是光学介质的折射率随着温度变化而发生变化的物理效应。

利用有机聚合物材料的热光效应研制和开发的热光型光电子器件极化依赖性极小，这是电光性光电子器件无法比拟的。

结合有机聚合物光电子器件制作工艺的优越性，热光型光电子器件实际应用中有相当强的竞争力。

因此，对聚合物光波导中的热光效应的研究具有重要现实意义。

本文通过建立对聚合物光波导器件的热学模型，研究聚合物材料内的热传导和温度场线，分析热电极结构参数与热光调制效率的关系，并对热电极的结构进行优化，从而提高热光调制效率。

主要工作如下：

（1）举出一种标准的热光型器件的模型，并根据其构造建立起了热学模型，对其温度场和折射率分布进行稳态分析。

（2）利用comsol软件进行仿真，计算出器件在非均匀温度场下的有效折射率，绘制出器件有效折射率与电极温度的关系图。

（3）针对标准器件的电极和尺寸提出了改进方案，在改变了电极结构参数后分析有效折射率的改变，得到了比较优化的电极参数和器件尺寸。

关键词：

热光效应；温度场线；有效折射率；热电极；

ABSTRACT

Theso-calledthermo-opticeffect,referringtothephysicaleffectsofopticalmediawhoserefractiveindexchangesfollowthetemperature.Thepolarization-dependenceofthethermal-opticaloptoelectronicdeviceswhicharedevelopedbyutilizingthermo-opticeffectoforganicpolymermaterials,whichisbatterthanthedevicesutilizingelect-optical.Combinetheadvantagesoftheproductionprocessoforganicpolymeroptoelectronicdevices,thethermo-opticaloptoelectronicdevicesareverycompetitiveinthepracticalapplication.Therefore,theresearchofthermo-opticeffectofthepolymeropticalwaveguidehasimportantpracticalmeaning.

Inthispaperathermalmodelofpolymeropticalwaveguidedeviceswassetup.withthistheheattransferandtemperaturefieldlineinthepolymermaterialwasreseached,andtherelationshipbetweenthestructureparametersofthermalelectrodeandtheefficiencyofthermo-opticmodulationwasanalyzed.Thusthethermalelectrodestructurewasoptimizedtoimprovetheefficiencyofthethermo-opticmodulation.Themainworkisasfollows：

（1）Establishingastandardthermo-opticdevicemodelaccordingtoitsstructure,obtainingthetemperaturefieldandtherefractiveindexdistributionbysteadysimulation.

（2）UsingCOMSOLsoftware,calculatingtheeffectiverefractiveindexofdeviceinanon-uniformtemperaturefield,drawingoutadiagramofeffectiverefractiveindexofdevicefordifferentelectrodetemperatures.

（3）Improvingtheelectrodedesignandthesizeofthestandarddevice.Analyzingthechangeofeffectiveindexafterchangingtheelectrodestructures,andputtingforwardaoptimizeparametersoftheelectrodestructureandthesizeofthedevice.

Keywords：

thermo-opticeffect；Temperaturefieldline；Effectiverefractiveindex；

thermalelectrode

第一章绪论………………………………………………………………………………1

1.1研究有机聚合物波导的热光效应的目的和意义………………………………………1

1.2有机聚合物波导热光效应的研究概况…………………………………………………2

1.3本文的工作……………………………………………………………………………4

第二章对有机聚合物波导器件进行热学分析………………………………5

2.1引言………………………………………………………………………………………5

2.2热传导学原理……………………………………………………………………………5

2.3搭建热光器件的热学模型………………………………………………………………6

2.4热光器件的热学模拟……………………………………………………………………7

2.5本章小结…………………………………………………………………………………9

第三章对有机聚合物波导……………………………………………………10

3.1引言………………………………………………………………………………………10

3.2聚合物材料的折射率分布……………………………………………………………10

3.3分析电极温度与器件有效折射率的关系……………………………………………11

3.4本章小结………………………………………………………………………………12

第四章对电极参数进行优化………………………………………………………13

4.1引言………………………………………………………………………………………13

4.2分析电极参数改变对热光调制效率的影响………………………………13

4.3本章小结………………………………………………………………………………16

结束语………………………………………………………………………………17

致谢…………………………………………………………………………………18

参考文献……………………………………………………………………………19

附录…………………………………………………………………………………20

第一章绪论

1.1研究有机聚合物波导的热光效应的目的和意义

随着有机聚合物材料的出现和发展，将人们的目光吸引到了有机聚合物材料的热光效应上来。

采用有机聚合物材料进行光电子与集成光学器件的研究，最明显的特点是材料价廉，工艺过程简单，这使得器件成本大幅度降低。

对于一直以来困扰着有机聚合物器件应用前景的材料老化和环境适应问题，人们从多方面着手进行处理，包括材料本身结构与性能的改善和器件封装方法的进步，直到这些问题得到了较好地解决。

人们也发现，有机聚合物可以作为极佳的半导体材料用于发展光子器件的研究，这为实现光源与波导间的材料兼容打下了基础。

此外，有机聚合物光波导器件在与光线的耦合中也有耦合损耗低等特点，在光电子与集成光学器件的大规模集成研究中，更具有其他材料所不具备的三维集成优势。

因此，进行有机聚合物光波导器件的研究具有重要的现实意义。

1.2有机聚合物波导热光效应研究概况

所谓热光效应，指的是光学介质的折射率随着温度变化而发生变化的物理效应。

热光效应，它是光学材料的一种光学性质。

在给定的温度场中，晶体、半导体材料、玻璃以及其他应用在不同光器件和系统中的光学材料，其折射率不是一个恒定的参数。

在一定的压强下，材料的折射率随温度的变化量称之为热光系数。

它被定义为dn/dT，n和T分别是材料的折射率和温度，单位是每摄氏度或者每开尔文。

一般的，有机聚合物材料的热光系数的值非常小，在

数量级。

尽管它的值非常小，但是依然可以借助精密的手段

来测量它。

热光系数的研究，对设计温度相关的非线性光器件、光纤网络通信系统、半导体技术等，都是非常必要的。

1.2.1材料折射率与温度的函数关系

M.玻恩《光学原理》中的洛伦兹-洛伦茨公式，给出了分子的平均极化率α对分子数密度和材料的折射率n的依赖关系：

（1-1）

其中，分子的平均极化率α是作用在一个分子上的有效场E′与分子在场作用下所建立的电偶极矩P之间的比例系数：

P=αE′（1-2）

当材料温度发生变化时，分子的平均平动动能随之变化，这将导致分子数密度N变化，而且，由于作用在一个分子上的有效场E′是对大量分子的区域取平均而得到的场，它也依赖于分子数密度N，因此，根据洛伦兹-洛伦茨公式，当温度变化时，材料的折射率也将随之变化。

假设折射率n随温度T变化的函数关系为：

n（T）=f（T）（1-3）

用泰勒级数将上式在T=293k（即20℃）点展开：

（1-4）

由于绝大多数材料的折射率随温度的变化很小，因此，一般情况下可近似为：

（1-5）

并且，将折射率随温度变化的一阶导数

′称为热光系数。

许多材料的热光系数在一定的温度范围内是常数,材料折射率与温度呈线性关系。

例如，常用的冕牌玻璃K5的热光系数分别为

（-60～20℃）和

（20～120℃）。

1.2.2有机聚合物光波导的机理

热光型有机聚合物光波导器件所基于的工作机理是由热光效应来引发器件材料的折射率变化。

图1给出了器件应用热光效应的基本原理图，图中衬底可以采用玻璃或硅材料。

图一：

热光效应原理图

由于硅材料在热导率等参量上对器件效率、响应速度等方面有较好的影响，所以采用硅材料作基片较多。

在热光器件中，材料的热光系数是重要的参数。

对于有机聚合物来说，温度变化引起的材料折射率变化主要由材料密度变化决定，这就使得有机聚合物中由温度引起的折射率变化远远大于无机材料中的现象，其热光系数在10-4/oC量级。

因此，当器件的电极上通过电流时，由电阻发热而使点击成为热源，在器件的波导层及周围形成温度场的变化，以此来改变器件材料的光学特性。

1.2.3有机聚合物光波导的研制

新型光电子材料是光电子器件发展的基础。

从近期来看,有机聚合物是一种非常有潜力的光电子器件材料。

由于有机聚合物的合成、加工、器件制备方面相对容易,价格低廉,而且它们具有非线性光学系数较大、介电常数相对较低、容易与半导体器件和光纤集成等优良性能,可以用于制备具有更高的调制频率和较低的驱动功率的光调制器、光开关阵列、

可调谐器件、激光器、阵列波导光栅、滤波器等等。

有机聚合物具备如下的优点:

①可以淀积在半导体衬底上,便于实现光路和电路的集成;

②具有较低的波导传输损耗,与光线的低的耦合损耗;

③可以根据人们需要,通过调节有机材料的组分以满足电光特性、热光特性和吸收谱特性。

1.2.4制作聚合物材料的薄膜器件的工艺流程

制作聚合物材料的薄膜器件有多种方法,如模制方法、客体-基质方法、旋涂方法,其中旋涂工艺比较简单,只要控制溶液的浓度和甩膜机旋转的速度就能控制聚合物薄膜的厚度,不需要复杂的工艺和仪器,比较适合实验室研究,。

有机溶剂选用甲苯,因为甲苯与有机聚合物材料的相溶性好,易于成膜,而且成膜后的膜面光滑均匀。

波导衬底材料选用石英玻璃。

由于衬底的清洁程度在很大程度上影响到波导的传输特性,所以在成膜前对波导衬底即我们选用的石英玻璃进行清洗是必需的。

清洗包括:

超声波清洗、丙酮清洗、酒精清洗、去离子水清洗等。

把聚合物溶液用甩胶机旋涂在洁净的衬底上,膜厚通过甩胶机转盘的转速和溶液的浓度来控制。

转盘转速越快,溶液的浓度越低,薄膜的厚度越薄;转盘转速越慢,溶液的浓度越高,薄膜的厚度越厚。

单模模厚大约1-4μm,衬底作为波导的下包层。

要制备多模波导需降低转盘转速以增加膜厚。

成膜后,将样品放入烘烤箱烘烤,其目的是使薄膜老化坚硬,同时蒸发掉残留在膜表面的溶剂,形成聚合物层。

因为薄膜的软化和沾染灰尘都将严重影响到膜的均匀度,而薄膜的均匀度将直接关系到波导的质量,所以烘烤的温度不能超过聚合物的玻璃化温度,超过聚合物的玻璃化温度,聚合物内的长链分子会发生断裂,聚合物薄膜会软化。

在烘烤的过程中也要保证薄膜所在环境的清洁,不能沾染灰尘。

1.2.5集成电路用聚合物光波导材料

波导材料最基本的要求为：

热稳定性与常规制作工艺相容（光电集成器件的熔结温度一般在260℃，短时可能达到400℃）；单馍信道光波导折射率精确可控；在1．3μm，1．55μm和0．85μm的波长上损耗低，存850nm波长处的损耗应存0．1～0．3dB／cm。

更为严格的标准是：

在PCB中的光波导线路长为几十厘米的情况下，波导传输损耗不能大于0．1dB／cm，并具有良好的同化加工性。

聚合物作为波导材料具有以下优点：

可以旋涂在多种基片上（Si，SiO和玻璃等），损耗低（互连距离可以较大），聚合物中引入微电子和光电子材料后在光互连、电互连、绝缘体、保护套等方面有很大的应用潜力，便于加工、具有良好的电学和机械特性（电阻率高、介电常数小），重量轻、柔韧性好、电光耦合系数较高、响应时间短、热损耗小（一般聚合物的热光效应是硅的l0倍，硅基光开关功率为400～500mw，一般有机聚合物开光功率小于5mW）、驱动电压小等。

迄今为止，人们尝试了多种聚合物作为光波导材料，其中主要有：

聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl—methacrylate，PMMA）及其氟化物和氘化物、环氧树脂、聚苯乙烯（Polystyrene）、聚硅氧烷（Polyorganosilo—oxane）、交联的苯环丁烷（Benzocy—clobutane，BCB）、交联的丙烯酸盐聚合物、含氟聚芳硫醚及含氟聚芳醚、环氧树脂、聚酰亚胺及含氟聚酰亚胺等。

1.2.6热电极的选择

设计研制高效率的热光型光电器件,必须清楚器件中的热学行为,特别是稳态下的温度场分布情况。

同时,热光器件温度场的建立和去除直接与材料的比热、导热系数等相关,这决定了热光型器件的响应速度,也必须清楚器件中温度场的响应情况。

热电极的优化设计能够显著提高热光型器件的性能。

而电极材料的选择以及与电极相关的一些器件的结构参数的选取是进行热电极优化设计的基础。

热光型器件是通过沉积在波导之上的热电极的电阻效应产生的热量来工作的。

因此具有大的电阻率是选择热电极材料的重要依据。

对于一个性能好的光电子器件，封装以后，就需要稳定性、牢固性好。

聚合物热光光开关阵列芯片晶封装以后，电极就必须要牢固的附在开关波导层上，长时间不脱落。

否则，开关使用寿命减短导致无法正常工作。

而一般来说，高分子材料与金属等其他许多材料附着性较差。

这就需要选择与高分子材料附着性较好的电极材料。

1.3本文工作

本文对有机聚合物光波导器件的热光效应进行研究，了解其热光调制效率，并对聚合物波导器件建立热学模型，研究聚合物材料内的热传导和温度场线，分析热电极结构参数与热光调制效率的关系并对热电极的结构进行优化从而提高热光调制效率。

主要工作如下：

第一章为绪论，分析了有机聚合物波导热光效应的研究意义，综述了聚合物热光器件的机理，制造和材料性质，说明了电极选用的依据。

第二章举出一种标准的热光型器件的模型，并根据其构造建立起了热学模型，对其温度场和折射率分布进行