李世涛
中国重型机械总公司光信息科学与工程0211302班 学号：2013210735
摘要：用对硝基偶氮苯类为侧链的键合型聚合物, 采用高温电晕极化的方法制作电光薄膜, 设计并构造极化 聚合物薄膜电光调制器。 当通光方向和极化方向平行并且垂直于极化聚合物薄膜的表面时, 利用法布里-帕 罗(F-P)腔中多光束干涉, 可以把通过的光由位相调制转化为强度调制, 有利于电光调制器的小型化和高速封 装。用这种聚合物薄膜电光调制器测量了铟锡氧化物共面波导上的电信号, 并对系统的工作原理进行了分 析。 实验结果表明, 薄膜调制器具有线性电光效应;当 F-P 腔的精细因子为 20(对 1.3μm 的光), 调制电场为 1V/μm 时, 研制的极化聚合物电光调制器的调制深度可达到 0.01 %。
关键词：电光调制器;法布里-珀罗腔;电光薄膜;极化聚合物
1、引言
随着集成电路工作速度的迅速提高 ,现有的电互联技术已经不能完全满足信号速度和通讯距离的需求[ 1] 。同时,计算机的高速中央处理器对与外部设备之间的数据传送也提出了更高的要求 。即使是获得极大成功的光通讯领域, 其进一步的发展也受制于出现在各种组件之间, 特别是光组件与电组件之间的信息转换[2] 。这些问题的最佳解决方法便是用光互联技术取代电互联技术[ 3] 。而实现光互联的一个关键所在便是研制并应用电光型调制器件。目前横向 M ach-Zehnder 型波导类电光调制器虽然比较成熟, 但是这种调制器大多需要用光纤对光进行耦合, 并且因整个器件的尺寸较大(调制电极长至少为 1cm 以上),在进行调制器阵列的集成时工艺较困难,而且不易小型化半导体电吸收调制器则在 与激光器的集成方面有困难, 且高的制造成本也限制了它在这些方面的应用。因此光互联最佳的选择便是薄膜电光调制器。近年在宽频带高速电光调制器的研究领域中所取得的成果表明,极化聚合物材料的低损耗、高带宽及容易实现光集成等突出优势 ,将使它成为最先得到实用的分子非线性光学材料。目前已有报道用极化聚合物制成 110GH z 的波导相位调制器[ 4] 。因此 ,极化聚合物电光调制器在光通信、光开关及光数据处理等领域,特别是极化聚合物薄膜的电光调制器在光互联方面的应用前景十分诱人。
林兆华虽然透射型极化聚合物电光调制器目前还处于实验研究阶段,但由于其结构简单、制作方便
而又用途广泛, 因而深受重视。利用无机晶体并结 合相应的起偏器和检偏器也可容易地实现电光调制,但是由于无机晶体材料的电光系数一般较小, 且相应的器件尺寸较大 ,因而限制了其在光通讯和光互联领域的应用。由于聚合物材料的特性使得聚合物电光调制器的制作工艺简单 , 能通过旋涂的方法方便地在许多类型的衬底上形成高质量 的光学薄膜 ;还可以很方便地将这样的器件与半导体激光二极管集成 ;而且有些极化聚合物材料的电光系数很大, 这样便有希望获得较大的调制 深度 ;最重要的是薄膜调制,因而制作出的器件可 以相当小(数百微米), 从而在制作调制器阵列时也十分容易。本文研究的电光调制器, 采用的聚合物材料是对硝基偶氮苯类为侧链的键合型聚合物,采用高温电晕极化的方法制作电光薄膜 ,设计并构造出新型的极化聚合物薄膜电光调制器。
2 、工作原理
从本质上来说 ,电光效应只能对光束的相位进行调制, 如果要获得强度调制的激光束一般还 需要利用检偏器或者是干涉效应将这种相位调制转变为强度调制。在这方面,Fabry-Perot(F-P)腔 是一种很方便的实现这一转换的技术。如果将极化聚合物薄膜置于 F-P 腔中 ,再加以适当的电极 , 便可使得经过 F-P 腔的透射光强随电极上施加的电场的强弱而变化 , 即可实现极化聚合物薄膜的透射型电光强度调制。
图 1 是透射型极化聚合物薄膜电光调制器的基本结构。将聚合物薄膜沿垂直于膜平面方向极化,然后夹于两片氧化铟锡(ITO)导电玻璃之间并被置于 F-P 腔中。由于极化在垂直于膜平面的方向 ,这样光轴方向也沿此方向。当通过 I TO 导电玻璃对其施加一个垂直于膜平面的调制电场 ,并让激光束也沿此方向垂直通过聚合物薄膜时,则极化电场、调制电场都沿光轴方向,且均与通光方向平行,因而利用的是薄膜的纵向电光效应。 图 1 基于 F-P 腔的透射型极化聚合物电光调制器结构图
对于图1所示的聚合物电光调制器结构, 调制电场仅沿光轴 z 方向。根据在外 加电场下折射率椭球的普遍表达式和极化聚合物的电光系数矩阵可得纵向电光调制的折射率椭球方程为 :
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| | 33 Ez | | | | | | | | | | | |
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由于 n′x =n′y, 因此将没有双折射效应产 生,当波长为 λ的激光束通过厚为 l 的聚合物薄
膜后的相移为 : | 2 πnol | | πn o3 | |
| | 13 Ez l |
δ= | | | - | | | γ |
| | | | | | |
式中第一项与外加电场无关 ,为常量 ,它描 述当激光束通过聚合物薄膜后固有的相移 ;而第 二项则与外加电场成正比 ,显然它描述了由于电 光效应所导致的激光束的相位调制。
由于极化聚合物薄膜是置于 F-P 腔中 ,根据多光束干涉理论可得 F-P 腔的透过率为:
式中F是腔的精细因子；R为腔镜的反射系数;δ为光线在腔内的单程相移, δ的值由上式给出。
高中化学实验会考从上式可见 ,由于电光效 应引起 δ的调制将会导致光强透过率的调制,为考察这一调制,可将上式对δ微分并在考虑到比关系,也即是说通过利用 F-P 腔的干涉特性,激光束的相位调制已经被转换为强度调制。同 时,从上式还可进一步看出, 为了获得最大的且不失真的调制 ,透射的调制光强 T 应当近似地 正比于调制电场 Ez , 同时应使 d T /dδ=F sin(2 δ)/(1 +Fsin2 δ)2 取得最大值。另外,考虑到 F-P 腔的共振条件也应当对 F-P 腔选取一适 当的工作点。
3、结果与讨论
ITO 导电玻璃的导电面上旋涂一层合成的聚合物材料 (n =1.63 , γ13 最大可达 3pm/ V)。一般而言厚的薄膜会有益于与激光束的相 互作用,但太厚的薄膜不容易极化 ,因此应将薄膜的厚度控制在 10μm 以内。将旋涂好的薄膜在 60 ℃下烘 30min 后再置于干燥器内12h 以除去残 留溶剂, 然后以线状电极在 90 ℃下以 10kV 的极 化电压和 5μA 的极化电流电晕极化 30min 后 ,在保持极化电压不变的条件下让薄膜自然冷却至室 温。装上另一片 ITO 玻璃电极, 并将整个样品置 于实验所用的 F-P 干涉仪的腔中, 这样便构造了图 1 所示极化聚合物薄膜电光调制器。
实验的光路及电路安排如图 2 所示。F-P 干涉仪的一个腔镜通过一压电陶瓷管固定,通过它可对腔长进行细微的电控调节。用一个波长为 1.3μm 的半导体激光器作为光源,从激光器出射的激光束经准直、聚焦后射入样品。作用在样品上的调制电压由一信号发生器提供,输出频率为 1kHz ,从 F-P 干涉仪出射的激光束经透镜聚焦后 由光电探测器检测,并经锁相放大器放大后由存
储示波器记录。
图 2 极化聚合物薄膜电光调制器实验光路及电路安排
细调直到透射光强很接近半极大值, 再加上调制电场信号进行实验。在此需要说明, 由于电场力的作用,实验中可能会因此而存在有压电效应产生的调制,但是这种调制的频率为所施
城市建设理论研究杂志加的调制电场频率的 2 倍, 利用锁相放大器或带通滤波 器均可排除它的影响。实验对同一样品在不同的调制电压、调制频率及探测器的频率响应范围 (1.0 ～ 4.0kHz)内可较好地重复。实验所得调制信号其中曲线 c 为调制电压信号 ,曲线 d 为透射的调制电光信号。
测定电光调制深度时,先测得未加调制电场 时的透射光强, 再测得加上调制电场后的电光调 制信号的强度,用这一强度除以透射光强就可得到调制深度。由于受到激光功率漂移及检测手段的影响,实验中需要经多次测定。最后测得当调制电场为 1V/μm 时, 极化聚合物电光调制器的调制深度的最大值为 0.012 %。显然,如果用更高精细因子的 F-P 腔和具有更大的电光系数的极化聚合物,那么其调制深度将会增加很多。
透射型极化聚合物薄膜电光调制器无疑是有着广阔的应用前景的,但从目前的研究进展来看, 离实际运用还有较大的差距。抛开材料的稳定性而言, 其主要的原因还是因为材料的电光系数还不够大,从而限制了调制电压的降低和调制深度的提高。根据半波电压 V π 的表达式可以计算出,若利用精细因子为 20 的 F-P 腔,当调制电压为 10V 时,要获得 1 %的调制深度 ,则极化聚合物薄膜的电光系数至少应达到43pm/V ,这已经是目前完全可以达到的水平。不过如果要使调制电压降低到 2V 左右的工作电压,则电光系数至少要为 200pm/V 以上。
显然, 就目前的材料研究情况来看,这还需要一段时间的研究。但是,随着关于这一领域的知识与经验的积累以及人们在合成具有大的电光系数的聚合物材料方面不断取得的进展,再结合器件设计方面的改进,极化聚合物薄膜电光调制器正在受到越来越多的重视。
4、结论
理论分析表明 ,当通光方向和聚合物极化方向平行并且垂直于极化薄膜的表面时,利用 F-P 腔中多光束干涉可以把通过的光由位相调制转化为强度调制 ;并利用研制的聚合物电光材料在实验上实现了透射型极化聚合物薄膜电光调制。实验结果表明,研制的薄膜具有线性电光效应。当F-P 腔的精细因子为 20(对 1.3μm 的光),调制电场为 1V/μm 时 , 极化聚合物电光调制器的调制深度达到了 0.01 %。
参考文献：
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