有機(jī)聚合物集成光學(xué)RF移相器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光控相控陣技術(shù)是結(jié)合微波技術(shù)和光電子技術(shù)發(fā)展起來的一種旨在控制天線陣列波束掃描的現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了微波技術(shù)和光電子技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)。在提升雷達(dá)掃描速度、工作頻率、瞬時(shí)帶寬和掃描精度等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，在衛(wèi)星通訊、射電天文學(xué)、航天以及空中管制等領(lǐng)域起著重要作用。集成光學(xué)射頻(RadioFrequency：RF)移相器是光控相控陣系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，研究它對于精確控制波束的形成、完成預(yù)定方位角的波束掃描具有重大意義，因此一直受到廣泛的關(guān)

2、注和研究。國內(nèi)對于該器件的研究長期以來處于理論探討階段，采用分離器件構(gòu)建移相器也偶見報(bào)道，而國外在這方面已經(jīng)開始了器件的集成化研究。本文正是基于這一背景而展開研究的。本文提出了一種新型的有機(jī)聚合物集成光學(xué)RF移相器，對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件進(jìn)行了如下工作： 1．首先簡單回顧了有機(jī)聚合物材料和光電子器件的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了其中的光學(xué)RF移相器；然后闡述本論文研究背景及意義，介紹了國內(nèi)外集成光學(xué)RF移相

3、器的研究現(xiàn)狀。 2．簡單介紹聚合物材料的特性和聚合物的電光效應(yīng)，針對目前有機(jī)聚合物集成光學(xué)RF移相器存在的移相線性度和功率平坦度問題，提出了一種新型的有機(jī)聚合物集成光學(xué)RF移相器設(shè)計(jì)方案，并從理論上證明了該方案能有效解決移相線性度和功率平坦度問題。 3．采用變分有效折射率法、有限差分束傳播法和微分算子展開束傳播法、廣角有限差分束傳播法分別對有機(jī)聚合物脊形波導(dǎo)、M-Z波導(dǎo)和S形波導(dǎo)進(jìn)行仿真分析，得出了以下結(jié)論：(1)當(dāng)芯層

4、厚度d與脊寬w分別滿足d≤1.51μm，w≤5μm時(shí)，聚合物光波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)單模傳輸。(2)M-Z光波導(dǎo)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為：Y分支角α=1.1°，波導(dǎo)脊寬度w=5μm，雙臂間距G=20μm，優(yōu)化后光的傳輸損耗為0.258dB。(3)改進(jìn)后的算子展開束傳播法精度高、計(jì)算量小、速度快，為光波導(dǎo)的分析和設(shè)計(jì)提供了可供選擇的算法。(4)當(dāng)S形脊波導(dǎo)曲率半徑大于5000μm后，波導(dǎo)的彎曲輻射損耗已不會再明顯減小，光能量已可以在S形波導(dǎo)中穩(wěn)定的傳輸，形成

5、導(dǎo)模。 4．基于全內(nèi)反射原理，提出一種新型非對稱型Y分支，并進(jìn)行了理論仿真，證明其可以實(shí)現(xiàn)特定分束比光輸出。 5．通過對不同類型電極的比較后選取共面波導(dǎo)行波電極進(jìn)行研究；用準(zhǔn)靜態(tài)保角變換法來分析共面波導(dǎo)調(diào)制器各尺寸參數(shù)對調(diào)制器特征參量的影響，得出了以下的結(jié)論：(1)隨著電極厚度增加，有效折射率和特征阻抗都相應(yīng)的減小。(2)隨著聚合物薄膜厚度增加，有效折射率減小，特征阻抗增加。(3)隨著電極間距增加，有效折射和特征阻抗都相

6、應(yīng)的增加。(4)隨著電極厚度、聚合物厚度和電極間距中任意一個(gè)參量的增加，導(dǎo)體損耗系數(shù)都會隨之減小。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮，實(shí)現(xiàn)速度匹配和阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)制。 6．對聚合物波導(dǎo)的各個(gè)主要工藝步驟進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，包括襯底的清洗、下電極的制備、下電極標(biāo)記的腐蝕、旋涂下包層、光刻、反應(yīng)離子束刻蝕、電光聚合物的極化、上電極的制備等；制備出了聚合物M-Z波導(dǎo)和非對稱型Y分支波導(dǎo)；聚合物極化后電光系數(shù)可達(dá)50pm/v。 7．對

7、聚合物波導(dǎo)的傳輸損耗、電光系數(shù)和折射率的測量方法進(jìn)行了理論、實(shí)驗(yàn)研究。首先基于液體耦合法搭建了聚合物波導(dǎo)傳輸損耗測量系統(tǒng)；然后對簡單反射法測量聚合物宏觀線性電光系數(shù)的理論進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，并設(shè)計(jì)搭建了聚合物薄膜電光系數(shù)測量系統(tǒng)；最后利用棱鏡耦合法對波導(dǎo)樣品的折射率進(jìn)行了測量。 8．利用廣角有限差分束傳播法對光纖和有機(jī)聚合物脊形波導(dǎo)的耦合損耗進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出了如下結(jié)論：(1)耦合損耗隨著光纖和有機(jī)聚合物脊形波導(dǎo)間的錯(cuò)位、間隙