光学工程专业毕业论文光学工程专业毕业论文 精品论文精品论文 有机聚合物集成光学有机聚合物集成光学 RFRF 移相移相器关键技术研究器关键技术研究关键词：有机聚合物关键词：有机聚合物 集成光学集成光学 RFRF 移相器移相器 电光聚合物电光聚合物摘要：光控相控阵技术是结合微波技术和光电子技术发展起来的一种旨在控制 天线阵列波束扫描的现代雷达技术，它实现了微波技术和光电子技术的优势互 补。在提升雷达扫描速度、工作频率、瞬时带宽和扫描精度等方面具有其独特 的优势，在卫星通讯、射电天文学、航天以及空中管制等领域起着重要作用。 集成光学射频(RadioFrequency：RF)移相器是光控相控阵系统中的关键器件， 研究它对于精确控制波束的形成、完成预定方位角的波束扫描具有重大意义， 因此一直受到广泛的关注和研究。国内对于该器件的研究长期以来处于理论探 讨阶段，采用分离器件构建移相器也偶见报道，而国外在这方面已经开始了器 件的集成化研究。本文正是基于这一背景而展开研究的。本文提出了一种新型 的有机聚合物集成光学 RF 移相器，对其关键技术进行了研究。结合实验室现有 条件进行了如下工作： 1首先简单回顾了有机聚合物材料和光电子器件的 发展历史与研究现状，重点介绍了其中的光学 RF 移相器；然后阐述本论文研究 背景及意义，介绍了国内外集成光学 RF 移相器的研究现状。 2简单介绍聚 合物材料的特性和聚合物的电光效应，针对目前有机聚合物集成光学 RF 移相器 存在的移相线性度和功率平坦度问题，提出了一种新型的有机聚合物集成光学 RF 移相器设计方案，并从理论上证明了该方案能有效解决移相线性度和功率平 坦度问题。 3采用变分有效折射率法、有限差分束传播法和微分算子展开 束传播法、广角有限差分束传播法分别对有机聚合物脊形波导、M-Z 波导和 S 形波导进行仿真分析，得出了以下结论：(1)当芯层厚度 d 与脊宽 w 分别满足 d1.51m，w5m 时，聚合物光波导可以实现单模传输。(2)M-Z 光波导优 化结构参数为：Y 分支角 =1.1#176;，波导脊宽度 w=5m，双臂间距 G=20m，优化后光的传输损耗为 0.258dB。(3)改进后的算子展开束传播法精 度高、计算量小、速度快，为光波导的分析和设计提供了可供选择的算法。(4) 当 S 形脊波导曲率半径大于 5000m 后，波导的弯曲辐射损耗已不会再明显减 小，光能量已可以在 S 形波导中稳定的传输，形成导模。 4基于全内反射 原理，提出一种新型非对称型 Y 分支，并进行了理论仿真，证明其可以实现特 定分束比光输出。 5通过对不同类型电极的比较后选取共面波导行波电极 进行研究；用准静态保角变换法来分析共面波导调制器各尺寸参数对调制器特 征参量的影响，得出了以下的结论：(1)随着电极厚度增加，有效折射率和特征 阻抗都相应的减小。(2)随着聚合物薄膜厚度增加，有效折射率减小，特征阻抗 增加。(3)随着电极间距增加，有效折射和特征阻抗都相应的增加。(4)随着电 极厚度、聚合物厚度和电极间距中任意一个参量的增加，导体损耗系数都会随 之减小。因此在设计时要综合考虑，实现速度匹配和阻抗匹配，从而实现宽带 调制。 6对聚合物波导的各个主要工艺步骤进行了实验研究，包括衬底的 清洗、下电极的制备、下电极标记的腐蚀、旋涂下包层、光刻、反应离子束刻 蚀、电光聚合物的极化、上电极的制备等；制备出了聚合物 M-Z 波导和非对称 型 Y 分支波导；聚合物极化后电光系数可达 50pm/v。 7对聚合物波导的传 输损耗、电光系数和折射率的测量方法进行了理论、实验研究。首先基于液体耦合法搭建了聚合物波导传输损耗测量系统；然后对简单反射法测量聚合物宏 观线性电光系数的理论进行了详细的推导，并设计搭建了聚合物薄膜电光系数 测量系统；最后利用棱镜耦合法对波导样品的折射率进行了测量。 8利用 广角有限差分束传播法对光纤和有机聚合物脊形波导的耦合损耗进行了详细的 分析，得出了如下结论：(1)耦合损耗随着光纤和有机聚合物脊形波导间的错位、 间隙、夹角的增大而增大。(2)因错位而引起的耦合损耗在所有耦合损耗中最大。 搭建了耦合实验平台，并对耦合过程中出现的问题进行了分析并给出了解决方 案。正文内容正文内容光控相控阵技术是结合微波技术和光电子技术发展起来的一种旨在控制天 线阵列波束扫描的现代雷达技术，它实现了微波技术和光电子技术的优势互补。 在提升雷达扫描速度、工作频率、瞬时带宽和扫描精度等方面具有其独特的优 势，在卫星通讯、射电天文学、航天以及空中管制等领域起着重要作用。集成 光学射频(RadioFrequency：RF)移相器是光控相控阵系统中的关键器件，研究 它对于精确控制波束的形成、完成预定方位角的波束扫描具有重大意义，因此 一直受到广泛的关注和研究。国内对于该器件的研究长期以来处于理论探讨阶 段，采用分离器件构建移相器也偶见报道，而国外在这方面已经开始了器件的 集成化研究。本文正是基于这一背景而展开研究的。本文提出了一种新型的有 机聚合物集成光学 RF 移相器，对其关键技术进行了研究。结合实验室现有条件 进行了如下工作： 1首先简单回顾了有机聚合物材料和光电子器件的发展 历史与研究现状，重点介绍了其中的光学 RF 移相器；然后阐述本论文研究背景 及意义，介绍了国内外集成光学 RF 移相器的研究现状。 2简单介绍聚合物 材料的特性和聚合物的电光效应，针对目前有机聚合物集成光学 RF 移相器存在 的移相线性度和功率平坦度问题，提出了一种新型的有机聚合物集成光学 RF 移 相器设计方案，并从理论上证明了该方案能有效解决移相线性度和功率平坦度 问题。 3采用变分有效折射率法、有限差分束传播法和微分算子展开束传 播法、广角有限差分束传播法分别对有机聚合物脊形波导、M-Z 波导和 S 形波 导进行仿真分析，得出了以下结论：(1)当芯层厚度 d 与脊宽 w 分别满足 d1.51m，w5m 时，聚合物光波导可以实现单模传输。(2)M-Z 光波导优 化结构参数为：Y 分支角 =1.1#176;，波导脊宽度 w=5m，双臂间距 G=20m，优化后光的传输损耗为 0.258dB。(3)改进后的算子展开束传播法精 度高、计算量小、速度快，为光波导的分析和设计提供了可供选择的算法。(4) 当 S 形脊波导曲率半径大于 5000m 后，波导的弯曲辐射损耗已不会再明显减 小，光能量已可以在 S 形波导中稳定的传输，形成导模。 4基于全内反射 原理，提出一种新型非对称型 Y 分支，并进行了理论仿真，证明其可以实现特 定分束比光输出。 5通过对不同类型电极的比较后选取共面波导行波电极 进行研究；用准静态保角变换法来分析共面波导调制器各尺寸参数对调制器特 征参量的影响，得出了以下的结论：(1)随着电极厚度增加，有效折射率和特征 阻抗都相应的减小。(2)随着聚合物薄膜厚度增加，有效折射率减小，特征阻抗 增加。(3)随着电极间距增加，有效折射和特征阻抗都相应的增加。(4)随着电 极厚度、聚合物厚度和电极间距中任意一个参量的增加，导体损耗系数都会随 之减小。因此在设计时要综合考虑，实现速度匹配和阻抗匹配，从而实现宽带 调制。 6对聚合物波导的各个主要工艺步骤进行了实验研究，包括衬底的 清洗、下电极的制备、下电极标记的腐蚀、旋涂下包层、光刻、反应离子束刻 蚀、电光聚合物的极化、上电极的制备等；制备出了聚合物 M-Z 波导和非对称 型 Y 分支波导；聚合物极化后电光系数可达 50pm/v。 7对聚合物波导的传 输损耗、电光系数和折射率的测量方法进行了理论、实验研究。首先基于液体 耦合法搭建了聚合物波导传输损耗测量系统；然后对简单反射法测量聚合物宏 观线性电光系数的理论进行了详细的推导，并设计搭建了聚合物薄膜电光系数 测量系统；最后利用棱镜耦合法对波导样品的折射率进行了测量。 8利用 广角有限差分束传播法对光纤和有机聚合物脊形波导的耦合损耗进行了详细的分析，得出了如下结论：(1)耦合损耗随着光纤和有机聚合物脊形波导间的错位、 间隙、夹角的增大而增大。(2)因错位而引起的耦合损耗在所有耦合损耗中最大。 搭建了耦合实验平台，并对耦合过程中出现的问题进行了分析并给出了解决方 案。 光控相控阵技术是结合微波技术和光电子技术发展起来的一种旨在控制天线阵 列波束扫描的现代雷达技术，它实现了微波技术和光电子技术的优势互补。在 提升雷达扫描速度、工作频率、瞬时带宽和扫描精度等方面具有其独特的优势， 在卫星通讯、射电天文学、航天以及空中管制等领域起着重要作用。集成光学 射频(RadioFrequency：RF)移相器是光控相控阵系统中的关键器件，研究它对 于精确控制波束的形成、完成预定方位角的波束扫描具有重大意义，因此一直 受到广泛的关注和研究。国内对于该器件的研究长期以来处于理论探讨阶段， 采用分离器件构建移相器也偶见报道，而国外在这方面已经开始了器件的集成 化研究。本文正是基于这一背景而展开研究的。本文提出了一种新型的有机聚 合物集成光学 RF 移相器，对其关键技术进行了研究。结合实验室现有条件进行 了如下工作： 1首先简单回顾了有机聚合物材料和光电子器件的发展历史 与研究现状，重点介绍了其中的光学 RF 移相器；然后阐述本论文研究背景及意 义，介绍了国内外集成光学 RF 移相器的研究现状。 2简单介绍聚合物材料 的特性和聚合物的电光效应，针对目前有机聚合物集成光学 RF 移相器存在的移 相线性度和功率平坦度问题，提出了一种新型的有机聚合物集成光学 RF 移相器 设计方案，并从理论上证明了该方案能有效解决移相线性度和功率平坦度问题。3采用变分有效折射率法、有限差分束传播法和微分算子展开束传播法、 广角有限差分束传播法分别对有机聚合物脊形波导、M-Z 波导和 S 形波导进行 仿真分析，得出了以下结论：(1)当芯层厚度 d 与脊宽 w 分别满足 d1.51m，w5m 时，聚合物光波导可以实现单模传输。(2)M-Z 光波导优 化结构参数为：Y 分支角 =1.1#176;，波导脊宽度 w=5m，双臂间距 G=20m，优化后光的传输损耗为 0.258dB。(3)改进后的算子展开束传播法精 度高、计算量小、速度快，为光波导的分析和设计提供了可供选择的算法。(4) 当 S 形脊波导曲率半径大于 5000m 后，波导的弯曲辐射损耗已不会再明显减 小，光能量已可以在 S 形波导中稳定的传输，形成导模。 4基于全内反射 原理，提出一种新型非对称型 Y 分支，并进行了理论仿真，证明其可以实现特 定分束比光输出。 5通过对不同类型电极的比较后选取共面波导行波电极 进行研究；用准静态保角变换法来分析共面波导调制器各尺寸参数对调制器特 征参量的影响，得出了以下的结论：(1)随着电极厚度增加，有效折射率和特征 阻抗都相应的减小。(2)随着聚合物薄膜厚度增加，有效折射率减小，特征阻抗 增加。(3)随着电极间距增加，有效折射和特征阻抗都相应的增加。(4)随着电 极厚度、聚合物厚度和电极间距中任意一个参量的增加，导体损耗系数都会随 之减小。因此在设计时要综合考虑，实现速度匹配和阻抗匹配，从而实现宽带 调制。 6对聚合物波导的各个主要工艺步骤进行了实验研究，包括衬底的 清洗、下电极的制备、下电极标记的腐蚀、旋涂下包层、光刻、反应离子束刻 蚀、电光聚合物的极化、上电极的制备等；制备出了聚合物 M-Z 波导和非对称 型 Y 分支波导；聚合物极化后电光系数可达 50pm/v。 7对聚合物波导的传 输损耗、电光系数和折射率的测量方法进行了理论、实验研究。首先基于液体 耦合法搭建了聚合物波导传输损耗测量系统；然后对简单反射法测量聚合物宏 观线性电光系数的理论进行了详细的推导，并设计搭建了聚合物薄膜电光系数测量系统；