基于聚合物光波導(dǎo)的諧振腔光子器件研究.pdf

1、光波導(dǎo)諧振腔是集成光學(xué)領(lǐng)域重要的光子器件之一，是目前光電子領(lǐng)域的研究熱點。其中，基于聚合物材料的光波導(dǎo)諧振腔，憑其獨特的易調(diào)控、低成本及制備工藝簡單等優(yōu)勢，在高性能光信號處理及光傳感領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。尤其，最新報道的基于聚合物表面等離激元波導(dǎo)的諧振腔，利用聚合物-金屬界面的等離激元效應(yīng)實現(xiàn)光信號的傳輸與諧振，具有單偏振及波導(dǎo)芯層光電復(fù)用等優(yōu)越特性，為新型高性能、可調(diào)控光子器件的實現(xiàn)提供了嶄新技術(shù)途徑。
　　本論文的研究目的

2、是針對聚合物光波導(dǎo)諧振腔新的應(yīng)用需求，探索大尺寸聚合物光波導(dǎo)諧振腔的優(yōu)化設(shè)計方法和制備工藝，在此基礎(chǔ)上研制出高性能諧振腔并研究其光傳輸特性及應(yīng)用。同時，探索具有低傳輸損耗特性的聚合物長程表面等離激元波導(dǎo)在諧振腔中的應(yīng)用，研究新型諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳輸機理、制備工藝和光學(xué)特性，并從實驗角度揭示其傳輸規(guī)律，驗證光模式與等離激元模式在諧振腔中傳輸?shù)募嫒菪院偷入x激元波導(dǎo)為諧振腔引入的新特性。
　　本論文首先從聚合物光波導(dǎo)諧振腔的基本類型、

3、制備技術(shù)和應(yīng)用等幾個方面概述了該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展情況及關(guān)鍵技術(shù)問題，隨后介紹了在聚合物諧振腔的理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備及實驗測試方面的研究工作。論文主要工作如下:
　　(1)針對聚合物諧振式集成光學(xué)陀螺芯片中的角度率傳感單元，研制出了低損耗大尺寸聚合物光波導(dǎo)諧振腔。首先，研究了聚合物光波導(dǎo)的單模條件、最小彎曲半徑和耦合器結(jié)構(gòu)，得到了諧振腔的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù);探索了降低聚合物光波導(dǎo)損耗的工藝方法，首次實現(xiàn)了尺寸達厘米級的聚合物光波導(dǎo)諧振腔;實

4、驗測試了聚合物光波導(dǎo)諧振腔的諧振特性、偏振特性和溫度特性，得到了聚合物光波導(dǎo)諧振腔在不同偏振及溫度情況下的諧振規(guī)律，為該諧振腔在光傳感及其它光子器件中的應(yīng)用提供了實驗依據(jù);研究了聚合物光波導(dǎo)諧振腔在諧振式光學(xué)陀螺中的應(yīng)用，得到了可實現(xiàn)的陀螺極限靈敏度及其進一步提升的方法。該大尺寸聚合物光波導(dǎo)諧振腔的研制為聚合物諧振式集成光學(xué)陀螺芯片中核心傳感單元的設(shè)計與制備提供了思路與方法。
　　(2)為了解決聚合物光波導(dǎo)諧振腔中的偏振噪聲問題，

5、同時避免表面等離激元波導(dǎo)因傳輸損耗大而無法實現(xiàn)大尺寸諧振腔的難題，基于表面等離激元波導(dǎo)的單偏振特性和聚合物光波導(dǎo)的低損耗特性，提出了一種聚合物光波導(dǎo)/長程表面等離激元波導(dǎo)垂直耦合諧振腔。研究了聚合物光波導(dǎo)與長程表面等離激元波導(dǎo)的耦合效應(yīng)，展示了兩種不同模式的垂直耦合規(guī)律。通過工藝優(yōu)化，制備出了厚度為納米尺度的銀條，實現(xiàn)了傳輸損耗為0.173dB/mm的聚合物表面等離激元波導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，首次實現(xiàn)了環(huán)形介質(zhì)光波導(dǎo)與金屬等離激元波導(dǎo)垂直耦合

6、的諧振腔結(jié)構(gòu)，測試出了諧振效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該諧振腔具有單偏振傳輸特性。該工作不僅驗證了光模式與表面等離激元模式在諧振腔中的垂直耦合轉(zhuǎn)換，也為光波和表面等離激元波具有共同的電磁波屬性提供了實驗證據(jù)。這種垂直耦合諧振腔，具有單偏振、低損耗和集成化等優(yōu)點，為新型低噪聲、高性能集成光子器件和光傳感器件提供了新的技術(shù)支撐。
　　(3)提出并研制了一種聚合物表面等離激元波導(dǎo)耦合器/光纖混合諧振腔。首先，分析了聚合物表面等離激元波導(dǎo)彎曲半徑對傳輸損耗

7、的影響，得到了該波導(dǎo)的最小彎曲半徑;并依此設(shè)計并制備了聚合物表面等離激元波導(dǎo)耦合器，實驗驗證了其單偏振傳輸特性;在此基礎(chǔ)上，首次實現(xiàn)了基于聚合物表面等離激元波導(dǎo)耦合器的石英光纖諧振腔，測出了諧振效應(yīng)，證明了光波與表面等離激元波在混合諧振腔內(nèi)可以實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換、循環(huán)傳輸和諧振，并發(fā)現(xiàn)了該諧振腔的單偏振特性;另外，建立了混合諧振腔的溫度波動性分析模型，論證了該混合諧振腔的溫度不敏感性。這種單偏振、溫度不敏感的諧振腔，為解決光纖諧振腔器件（如:

8、諧振式光纖陀螺）中的偏振噪聲和溫度噪聲提供了嶄新的技術(shù)途徑。
　　(4)首次探索了基于柔性聚合物表面等離激元波導(dǎo)的光纖諧振腔。設(shè)計了柔性聚合物表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并分析了不同彎曲半徑對傳輸模式的影響;研究了柔性聚合物表面等離激元波導(dǎo)的制備工藝，制備出了可實現(xiàn)側(cè)向彎曲的柔性表面等離激元波導(dǎo)樣品，并測試了其光傳輸特性和彎曲特性，發(fā)現(xiàn)其最小彎曲半徑比傳統(tǒng)平面型表面等離激元波導(dǎo)降低了超過50％;在此基礎(chǔ)上，首次研制出了基于柔性聚合物長程