大学本科毕业设计论文有机聚合物波导的热光效应研究.docx

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大学本科毕业设计论文有机聚合物波导的热光效应研究大学本科毕业设计论文有机聚合物波导的热光效应研究南京邮电大学毕业设计（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）原创性声明本人郑重声明：

所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。

论文作者签名：

日期：

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；ABSTRACTTheso-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目录第一章绪论11.1研究有机聚合物波导的热光效应的目的和意义11.2有机聚合物波导热光效应的研究概况21.3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52.1引言52.2热传导学原理52.3搭建热光器件的热学模型62.4热光器件的热学模拟72.5本章小结9第三章对有机聚合物波导103.1引言103.2聚合物材料的折射率分布103.3分析电极温度与器件有效折射率的关系113.4本章小结12第四章对电极参数进行优化134.1引言134.2分析电极参数改变对热光调制效率的影响134.3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=E（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（-6020）和（20120）。

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:

可以淀积在半导体衬底上,便于实现光路和电路的集成;具有较低的波导传输损耗,与光线的低的耦合损耗;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1-4m,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13m，155m和085m的波长上损耗低，存850nm波长处的损耗应存0103dBcm。

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01dBcm，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400500mw，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（Polymethylmethacrylate，PMMA）及其氟化物和氘化物、环氧树脂、聚苯乙烯（Polystyrene）、聚硅氧烷（Polyorganosilooxane）、交联的苯环丁烷（Benzocyclobutane，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稳态分析。

第三章利用comsol软件进行仿真，分析了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。

第四章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。

最后对全文进行了总结。

第二章对有机聚合物波导器件进行热学分析2.1引言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。

本章将对热光型有机聚合物光器件的热学特性进行分析,建立起热学模型。

首先给出热传导学的基本原理,在此基础上建立器件的热学模型。

2.2热传导学原理对各向同性的均匀固态介质,温度场T（x,y,z）行为遵守Fourier定律（2-1）式中,q为热流向量,表示最大流量方向上的热流量,单位为W/m;k是材料的导热系数。

基于Fourier定律,导热方程,即Fourier导热微分方程为（2-2）式中,为体发热强度,指单位时间单位体积内发出的热量,单位为W/（sm）;为材料密度;c为材料比热。

若假设导热系数k具有各向同性,且具有缓慢特性,有（2-3）若介质中无热源,则=0,（3）式可写为（2-4）（4）式用于分析动态下介质的热学特性。

如果仅考虑稳态情况,即,可得Laplace方程:

（2-5）（5）式用于求解稳态下温度场的分布情况。

当均匀介质与其它介质有接触时,要考虑接触面处的换热情况。

通常的换热方式有热扩散、热辐射和热对流。

热扩散要求边界上热流量守恒;热辐射通常发生在高温情况下;热对流发生于气体与液体中,且有换热公式:

q=h（Tw-T）（2-6）式中,q为单位面积下的换热量;h称为对流换热系数,对无扰动空h=5W/（k）;Tw和T分别为界面温度和空气中无穷远处的温度。

2.3搭建热光器件的热学模型根据2.2中热传导理论的基本原理,可对的热光型有机聚合物光波导器件的基本结构建立热学模型。

波导为PMMA材料，芯区由紫外线照射通过铬掩膜然后低温固化，使其折射率增加0.01。

当电流通过电极,电极的电阻特性产生热为热源,在器件的材料中形成温度场分布,并由有机聚合物材料的热光特性引起光波导各层的折射率随温度升高而变小。

考虑到有机聚合物中导热系数k具有各向同性,同时考虑到各层所用有机聚合物材料的热学特性相差甚微,可以假设在所有有机聚合物区域,包括芯层和限制层,具有相同的导热系数k,可视为一个整体,进行热学特性分析,由此得到图1所示的分析模型,图中为有机聚合物区域。

由于图1所示器件中电极是唯一产生热的热源,有机聚合物区域无热生成,即区域内=0.图二：

标准热光器件热学模型为了获得器件的温度场特性,还应考虑图1所示聚合物区域的边界条件,包括图1中与空气、电极及硅衬底间的分界面处的边界条件。

首先考虑空气与有机聚合物区域的分界面处热交换情况。

本文分析的器件中温度不高辐射可以忽略;空气中对流换热方式远远强于扩散换热方式,所以相对对流换热方式,扩散方式也可以忽略。

由此,在边界上遵循（6）式条件,式中T可视为室温。

为了获得与电极相交的分界面处的边界条件,必须对电极进行分析。

由于铝是电的良导体,电极的铝层仅数百埃,因此不必知晓在电极内部温度场的分布,可以认为电极为导热学理论上的“薄壁”,无限薄,温度一致。

由于硅材料较有机聚合物材料有相对好的导热性能,可假设硅为热的良导体,硅衬底与散热封装同温度,可视为室温。

2.4热光器件的热学模拟使用comsol软件分别对此热学模型进行模拟，PMMA材料的热传导率为0.17W/（mK）,环境温度设定为20。

2.4.1稳态分析在电极温度为100时，器件横截面的温度分布如图二所示：

图三：

电极温度100时，器件截面的温度分布由图三可以看出，温度场线呈发散形，距离电极最近位置的温度接近100，波导芯层中心大概温度为87，器件中最低温度在下方两个底角出，大概为78。

根据聚合物材料的热光系数，在第三章中根据此图可以做出聚合物材料折射率的分布图。

2.4.1瞬态分析对聚合物热光器件进行瞬态分析可以得到其开关响应时间，下图表示了热光器件在特定时间的瞬态温度和开关状态的温度响应时间。

开状态下，大概需要60ms可以达到最高温度。

关状态下，大概经过150ms，温度才会散去。

t=0.1mst=5ms图四：

器件截面的瞬态温度分布图五：

器件开状态下的温度响应图六：

器件关状态下的温度响应2.5本章小结本章从热学方面对热光型器件进行研究，模拟出了其热传导稳态和瞬态模型，得到了电极影响下的稳态热场分布和材料折射率分布和开关状态响应。

为之后分析其有效折射率，优化热光调制效率和开关响应时间做好了基础。

第三章有机聚合物波导3.1引言本章对聚合物波导进行研究，主要从其折射率分布和有效折射率着手分析，用有效折射率与电极温度的关系图表现出聚合物波导的热光效应。

3.2聚合物材料的折射率分布开状态响应图020406080100020406080100120时间（ms）温度关状态响应020406080100050100150200250300350时间（ms）温度（）在常温下，波导材料包层的折射率为1.45，芯层为1.461，其热光系数为1.4*10-4/。

设环境温度为20，那么可以列出包层和芯层折射率与温度的关系式：

（3-1）先分析理想情况下，如果器件所有部位都能达到电极温度，也就是说芯层和包层的折射率都为与温度相关的某一定值，找到其有效折射率与温度的关系，如表一和图六。

表一：

器件温度与其有效折射率关系2550751001251501752001.4540881.450581.4470721.4435641.4400561.4365481.433041.429532图七：

器件有效折射率与温度的关系图图七显示出了理想情况下，波导有效折射率与环境温度的关系。

根据第二章中做出的温度场线，由此可作出稳态下非均匀温度场影响下的聚合物材料的折射率分布图，如图七所示：

y=-0.0001x+1.45711.421.4251.431.4351.441.4451.451.4551.46050100150200250300350电极温度有效折射率图八：

电极温度100时，稳态下聚合物材料的折射率分布图中标注出了代表性的三个坐标的折射率。

距离电极最近点的折射率为1.387385，底角上的折射率为1.389593，波导中心的折射率为1.399679。

3.3分析电极温度与器件有效折射率的关系根据3.2中做出的折射率分布图，模拟波导的基模模场分布，找到其有效折射率。

图九：

电极温度100时，波导的基膜在之前的模型中，改变电极温度，计算有效折射率见表一。

表二：

电极温度与对应有效折射率温度255075100有效折射率1.4542081.4512691.448331.4453911502002503001.4395141.4336381.4277631.421889图十：

理想情况和实际情况热光效应对比由图九可以看出，实际情况下的热光调制效率明显小于理想情况下，电极的效率还有提升空间。

3.4本章小结本章主要研究了聚合物波导的折射率，找到了其折射率分布以及理想和现实情况下，波导有效折射率与温度的关系。

发现了电极温度改变导致的有效折射率的改变量小于理想情况下的改变量。

也就是说，电极完全还有优化的空间。

第四章对电极参数进行优化4.1引言热电极的优化能显著提高热光器件的性能。

而电极和波导的结构参数的选取是进行热电极优化设计的基础。

本章将在热场分析的基础上，确定电极的优化尺寸。

4.2分析电极参数改变对热光调制效率的影响4.2.1改变电极的宽度将电极改为30m和40m宽，其温度与有效折射率关系分别如下：

1.421.4251.431.4351.441.4451.451.4551.46050100150200250300350电极温度有效折射率理想情况实际情况表三：

30微米和40微米电极影响下的有效折射率30微米温度2575125175225275折射率1.454189