大学本科毕业设计论文—有机聚合物波导的热光效应研究

1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2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3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；4ABSTRACTTheso-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；thermalelectrode5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南京邮电大学2012届本科生毕业设计（论文）-1-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410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：214322nnN（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）南京邮电大学2012届本科生毕业设计（论文）-2-用泰勒级数将上式在T=293k（即20℃）点展开：200000))((!21))(()()(TTTfTTTfTfTn（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：))(()()(000TTTfTfTn（1-5）并且，将折射率随温度变化的一阶导数)(0Tf′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C/10747（-60～20℃）和C/10837（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,南京邮电大学2012届本科生毕业设计（论文）-3-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