大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文—有機(jī)聚合物波導(dǎo)的熱光效應(yīng)介紹

1、南京郵電大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目有機(jī)聚合物波導(dǎo)的熱光效應(yīng)研究專 業(yè) 光電信息工程學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師指導(dǎo)單位 光電工程學(xué)院日期： 年 月 日至 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本研究做出過重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文 中以明確方式標(biāo)明并表示了謝意。論文作者簽名：日期： 年 月 日摘要本文圍繞有機(jī)聚合物的熱光效應(yīng)進(jìn)行研究，致力于提高熱光型器件的熱光調(diào)制效率。所謂熱光效應(yīng)，指的是光學(xué)介質(zhì)的

2、折射率隨著溫度變化而發(fā)生變化的物理效應(yīng)。利用 有機(jī)聚合物材料的熱光效應(yīng)研制和開發(fā)的熱光型光電子器件極化依賴性極小，這是電光性 光電子器件無法比擬的。結(jié)合有機(jī)聚合物光電子器件制作工藝的優(yōu)越性，熱光型光電子器 件實(shí)際應(yīng)用中有相當(dāng)強(qiáng)的競爭力。因此，對(duì)聚合物光波導(dǎo)中的熱光效應(yīng)的研究具有重要現(xiàn) 實(shí)意義。本文通過建立對(duì)聚合物光波導(dǎo)器件的熱學(xué)模型 ，研究聚合物材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)和溫度 場線，分析熱電極結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱光調(diào)制效率的關(guān)系，并對(duì)熱電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而提 高熱光調(diào)制效率。主要工作如下：（1）舉出一種標(biāo)準(zhǔn)的熱光型器件的模型，并根據(jù)其構(gòu)造建立起了熱學(xué)模型，對(duì)其溫 度場和折射率分布進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。（2）利用 c

3、omsol 軟件進(jìn)行仿真，計(jì)算出器件在非均勻溫度場下的有效折射率，繪制 出器件有效折射率與電極溫度的關(guān)系圖。（3）針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器件的電極和尺寸提出了改進(jìn)方案，在改變了電極結(jié)構(gòu)參數(shù)后分析有 效折射率的改變，得到了比較優(yōu)化的電極參數(shù)和器件尺寸。關(guān)鍵詞： 熱光效應(yīng)；溫度場線；有效折射率；熱電極；ABSTRACTThe so-called thermo-optic effect, referring to the physical effects of optical media whose refractive index changes follow the temperature. The pola

4、rization-dependence of the thermal-optical optoelectronic devices which are developed by utilizing thermo-optic effect of organic polymer materials, which is batter than the devices utilizing elect-optical. Combine the advantages of the production process of organic polymer optoelectronic devices, t

5、he thermo-optical optoelectronic devices are very competitive in the practical application . Therefore,the research of thermo-optic effect of the polymer optical waveguide has important practical meaning.In this paper a thermal model of polymer optical waveguide devices was set up .with this the hea

6、t transfer and temperature field line in the polymer material was reseached, and the relationship between the structure parameters of thermal electrode and the efficiency of thermo-optic modulation was analyzed. Thus the thermal electrode structure was optimized to improve the efficiency of the ther

7、mo-optic modulation.The main work is as follows： （ 1）Establishing a standard thermo-optic device model according to its structure, obtaining the temperature field and the refractive index distribution by steady simulation.（ 2 ） Using COMSOL software, calculating the effective refractive index of dev

8、ice in a non-uniform temperature field , drawing out a diagram of effective refractive index of device for different electrode temperatures .（ 3）Improving the electrode design and the size of the standard device. Analyzing the change of effective index after changing the electrode structures, and pu

9、tting forward a optimize parameters of the electrode structure and the size of the device.Key words： thermo-optic effect；Temperature field line；Effective refractive index；thermal electrode目錄第一章緒論 11.1研究有機(jī)聚合物波導(dǎo)的熱光效應(yīng)的目的和意義 11.2有機(jī)聚合物波導(dǎo)熱光效應(yīng)的研究概況 21.3本文的工作 4 第二章對(duì)有機(jī)聚合物波導(dǎo)器件進(jìn)行熱學(xué)分析 52.1引言 52.2熱傳導(dǎo)學(xué)原理52.3搭建熱光器

10、件的熱學(xué)模型62.4熱光器件的熱學(xué)模擬 72.5本章小結(jié) 9 第三章對(duì)有機(jī)聚合物波導(dǎo) 103.1 引言 103.2聚合物材料的折射率分布 103.3分析電極溫度與器件有效折射率的關(guān)系 113.4本章小結(jié) 12 第四章 對(duì)電極參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 134.1 引言 134.2分析電極參數(shù)改變對(duì)熱光調(diào)制效率的影響 134.3 本章小結(jié) 16結(jié)束語 17 致謝 18 參考文獻(xiàn) 19 附錄 20南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論1.1研究有機(jī)聚合物波導(dǎo)的熱光效應(yīng)的目的和意義 隨著有機(jī)聚合物材料的出現(xiàn)和發(fā)展，將人們的目光吸引到了有機(jī)聚合物材料的熱光效 應(yīng)上來。采用有機(jī)聚合物材料進(jìn)行光電

11、子與集成光學(xué)器件的研究，最明顯的特點(diǎn)是材料價(jià) 廉，工藝過程簡單，這使得器件成本大幅度降低。對(duì)于一直以來困擾著有機(jī)聚合物器件應(yīng) 用前景的材料老化和環(huán)境適應(yīng)問題，人們從多方面著手進(jìn)行處理，包括材料本身結(jié)構(gòu)與性 能的改善和器件封裝方法的進(jìn)步，直到這些問題得到了較好地解決。人們也發(fā)現(xiàn)，有機(jī)聚 合物可以作為極佳的半導(dǎo)體材料用于發(fā)展光子器件的研究，這為實(shí)現(xiàn)光源與波導(dǎo)間的材料 兼容打下了基礎(chǔ)。 此外，有機(jī)聚合物光波導(dǎo)器件在與光線的耦合中也有耦合損耗低等特點(diǎn)， 在光電子與集成光學(xué)器件的大規(guī)模集成研究中，更具有其他材料所不具備的三維集成優(yōu) 勢。因此，進(jìn)行有機(jī)聚合物光波導(dǎo)器件的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2有機(jī)聚

12、合物波導(dǎo)熱光效應(yīng)研究概況 所謂熱光效應(yīng)，指的是光學(xué)介質(zhì)的折射率隨著溫度變化而發(fā)生變化的物理效應(yīng)。 熱光效應(yīng)，它是光學(xué)材料的一種光學(xué)性質(zhì)。在給定的溫度場中，晶體、半導(dǎo)體材料、 玻璃以及其他應(yīng)用在不同光器件和系統(tǒng)中的光學(xué)材料，其折射率不是一個(gè)恒定的參數(shù)。在 一定的壓強(qiáng)下，材料的折射率隨溫度的變化量稱之為熱光系數(shù)。它被定義為dn/dT，n和 T分別是材料的折射率和溫度，單位是每攝氏度或者每開爾文。一般的，有機(jī)聚合物材料的 熱光系數(shù)的值非常小， 在10 4數(shù)量級(jí)。盡管它的值非常小， 但是依然可以借助精密的手段 來測量它。熱光系數(shù)的研究，對(duì)設(shè)計(jì)溫度相關(guān)的非線性光器件、光纖網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、半導(dǎo) 體技術(shù)等，都

13、是非常必要的1.2.1材料折射率與溫度的函數(shù)關(guān)系M.玻恩光學(xué)原理中的洛倫茲 - 洛倫茨公式，給出了分子的平均極化率 對(duì)分子數(shù) 密度和材料的折射率 n的依賴關(guān)系：3 n2 11-1)4 N n2 2其中，分子的平均極化率 是作用在一個(gè)分子上的有效場 E與分子在場作用下所建立的 電偶極矩 P之間的比例系數(shù)：P=E（1-2 ）當(dāng)材料溫度發(fā)生變化時(shí)，分子的平均平動(dòng)動(dòng)能隨之變化，這將導(dǎo)致分子數(shù)密度N變化，而且，由于作用在一個(gè)分子上的有效場 E是對(duì)大量分子的區(qū)域取平均而得到的場，它也 依賴于分子數(shù)密度 N，因此，根據(jù)洛倫茲 - 洛倫茨公式，當(dāng)溫度變化時(shí)，材料的折射率也將 隨之變化。假設(shè)折射率 n隨溫度 T

14、變化的函數(shù)關(guān)系為：n（T）=f（T）（1-3 ）1-5)南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)用泰勒級(jí)數(shù)將上式在 T=293k(即 20)點(diǎn)展開：12n(T) f (T0) f (T0)(T T0) 1 f (T0)(T T0)22! (1-4 )由于絕大多數(shù)材料的折射率隨溫度的變化很小，因此，一般情況下可近似為：n(T) f(T0) f (T0)(T T0)并且，將折射率隨溫度變化的一階導(dǎo)數(shù) f (T0) 稱為熱光系數(shù)。許多材料的熱光系數(shù) 在一定的溫度范圍內(nèi)是常數(shù) , 材料折射率與溫度呈線性關(guān)系。例如，常用的冕牌玻璃 K5的 熱光系數(shù)分別為 74 10 7/ C (-6020)和8

15、3 107/ C (20120)。1.2.2有機(jī)聚合物光波導(dǎo)的機(jī)理熱光型有機(jī)聚合物光波導(dǎo)器件所基于的工作機(jī)理是由熱光效應(yīng)來引發(fā)器件材料的折射率變化。圖 1 給出了器件應(yīng)用熱光效應(yīng)的基本原理圖， 圖中襯底可以采用玻璃或硅材料圖一：熱光效應(yīng)原理圖 由于硅材料在熱導(dǎo)率等參量上對(duì)器件效率、響應(yīng)速度等方面有較好的影響，所以采用 硅材料作基片較多。 在熱光器件中， 材料的熱光系數(shù)是重要的參數(shù)。 對(duì)于有機(jī)聚合物來說， 溫度變化引起的材料折射率變化主要由材料密度變化決定，這就使得有機(jī)聚合物中由溫度 引起的折射率變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無機(jī)材料中的現(xiàn)象，其熱光系數(shù)在 10-4/oC 量級(jí)。因此，當(dāng)器 件的電極上通過電流時(shí)，

16、由電阻發(fā)熱而使點(diǎn)擊成為熱源，在器件的波導(dǎo)層及周圍形成溫度 場的變化，以此來改變器件材料的光學(xué)特性。1.2.3有機(jī)聚合物光波導(dǎo)的研制 新型光電子材料是光電子器件發(fā)展的基礎(chǔ)。從近期來看 , 有機(jī)聚合物是一種非常有潛 力的光電子器件材料。由于有機(jī)聚合物的合成、加工、器件制備方面相對(duì)容易 ,價(jià)格低廉 ,南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）而且它們具有非線性光學(xué)系數(shù)較大、介電常數(shù)相對(duì)較低、容易與半導(dǎo)體器件和光纖集成等 優(yōu)良性能 ,可以用于制備具有更高的調(diào)制頻率和較低的驅(qū)動(dòng)功率的光調(diào)制器、光開關(guān)陣列、 可調(diào)諧器件、激光器、陣列波導(dǎo)光柵、濾波器等等。有機(jī)聚合物具備如下的優(yōu)點(diǎn) 可以淀積在半導(dǎo)體襯底

17、上 , 便于實(shí)現(xiàn)光路和電路的集成 ; 具有較低的波導(dǎo)傳輸損耗 , 與光線的低的耦合損耗 ;可以根據(jù)人們需要 , 通過調(diào)節(jié)有機(jī)材料的組分以滿足電光特性、熱光特性和吸收譜 特性。1.2.4制作聚合物材料的薄膜器件的工藝流程制作聚合物材料的薄膜器件有多種方法 , 如模制方法、客體 - 基質(zhì)方法、旋涂方法 , 其 中旋涂工藝比較簡單 , 只要控制溶液的濃度和甩膜機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度就能控制聚合物薄膜的厚 度,不需要復(fù)雜的工藝和儀器 ,比較適合實(shí)驗(yàn)室研究 , 。有機(jī)溶劑選用甲苯 ,因?yàn)榧妆脚c有機(jī)聚合物材料的相溶性好 ,易于成膜 ,而且成膜后的 膜面光滑均勻。波導(dǎo)襯底材料選用石英玻璃。由于襯底的清潔程度在很大程度

18、上影響到波 導(dǎo)的傳輸特性 , 所以在成膜前對(duì)波導(dǎo)襯底即我們選用的石英玻璃進(jìn)行清洗是必需的。清洗 包括: 超聲波清洗、丙酮清洗、酒精清洗、去離子水清洗等。把聚合物溶液用甩膠機(jī)旋涂 在潔凈的襯底上 , 膜厚通過甩膠機(jī)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和溶液的濃度來控制。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速越快 , 溶液的 濃度越低,薄膜的厚度越薄;轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速越慢,溶液的濃度越高 ,薄膜的厚度越厚。單模模厚大 約1 - 4 m ,襯底作為波導(dǎo)的下包層。要制備多模波導(dǎo)需降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速以增加膜厚。成膜 后, 將樣品放入烘烤箱烘烤 ,其目的是使薄膜老化堅(jiān)硬 , 同時(shí)蒸發(fā)掉殘留在膜表面的溶劑 , 形成聚合物層。因?yàn)楸∧さ能浕驼慈净覊m都將嚴(yán)重影響到膜的均勻度,

19、而薄膜的均勻度將直接關(guān)系到波導(dǎo)的質(zhì)量 , 所以烘烤的溫度不能超過聚合物的玻璃化溫度 , 超過聚合物的 玻璃化溫度 , 聚合物內(nèi)的長鏈分子會(huì)發(fā)生斷裂 ,聚合物薄膜會(huì)軟化。在烘烤的過程中也要保 證薄膜所在環(huán)境的清潔 , 不能沾染灰塵。1.2.5集成電路用聚合物光波導(dǎo)材料波導(dǎo)材料最基本的要求為：熱穩(wěn)定性與常規(guī)制作工藝相容（ 光電集成器件的熔結(jié)溫度一般在 260，短時(shí)可能達(dá)到 400） ；單饃信道光波導(dǎo)折射率精確可控； 在 13m，155 m和 085m 的波長上損耗低，存 850 nm波長處的損耗應(yīng)存 0103 dBcm。更 為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)是：在 PCB中的光波導(dǎo)線路長為幾十厘米的情況下，波導(dǎo)傳輸損耗

20、不能大于 01 dB cm，并具有良好的同化加工性。聚合物作為波導(dǎo)材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以旋涂在多種基片上 （Si ，SiO 和玻璃等 ），損 耗低（互連距離可以較大 ） ，聚合物中引入微電子和光電子材料后在光互連、電互連、絕緣 體、保護(hù)套等方面有很大的應(yīng)用潛力，便于加工、具有良好的電學(xué)和機(jī)械特性 （ 電阻率高、 介電常數(shù)小 ） ，重量輕、柔韌性好、電光耦合系數(shù)較高、響應(yīng)時(shí)間短、熱損耗小（ 一般聚合南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)物的熱光效應(yīng)是硅的 l0 倍，硅基光開關(guān)功率為 400500 mw，一般有機(jī)聚合物開光功率小 于 5 mW)、驅(qū)動(dòng)電壓小等。迄今為止，人們嘗試了多種聚合

21、物作為光波導(dǎo)材料，其中主要有：聚甲基丙烯酸甲酯 (Polymethyl methacrylate ， PMMA及) 其 氟 化 物 和 氘 化 物 、 環(huán) 氧 樹 脂 、 聚 苯 乙 烯 (Polystyrene) 、 聚 硅 氧 烷 (Polyorganosilo oxane) 、 交 聯(lián) 的 苯 環(huán) 丁 烷 (Benzocy clobutane ， BCB)、交聯(lián)的丙烯酸鹽聚合物、含氟聚芳硫醚及含氟聚芳醚、環(huán)氧樹脂、聚 酰亞胺及含氟聚酰亞胺等。1.2.6熱電極的選擇設(shè)計(jì)研制高效率的熱光型光電器件 , 必須清楚器件中的熱學(xué)行為 , 特別是穩(wěn)態(tài)下的 溫度場分布情況。同時(shí) , 熱光器件溫度場的建

22、立和去除直接與材料的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等相 關(guān) , 這決定了熱光型器件的響應(yīng)速度 , 也必須清楚器件中溫度場的響應(yīng)情況。熱電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠顯著提高熱光型器件的性能。而電極材料的選擇以及與電極相 關(guān)的一些器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取是進(jìn)行熱電極優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。熱光型器件是通過沉積在波導(dǎo)之上的熱電極的電阻效應(yīng)產(chǎn)生的熱量來工作的。因此具 有大的電阻率是選擇熱電極材料的重要依據(jù)。對(duì)于一個(gè)性能好的光電子器件，封裝以后，就需要穩(wěn)定性、牢固性好。聚合物熱光光 開關(guān)陣列芯片晶封裝以后， 電極就必須要牢固的附在開關(guān)波導(dǎo)層上， 長時(shí)間不脫落。 否則， 開關(guān)使用壽命減短導(dǎo)致無法正常工作。而一般來說，高分子材料與金屬等其他許多

23、材料附 著性較差。這就需要選擇與高分子材料附著性較好的電極材料。1.3本文工作 本文對(duì)有機(jī)聚合物光波導(dǎo)器件的熱光效應(yīng)進(jìn)行研究，了解其熱光調(diào)制效率，并對(duì)聚 合物波導(dǎo)器件建立熱學(xué)模型 ，研究聚合物材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)和溫度場線，分析熱電極結(jié)構(gòu) 參數(shù)與熱光調(diào)制效率的關(guān)系并對(duì)熱電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而提高熱光調(diào)制效率。主要工作 如下：第一章為緒論，分析了有機(jī)聚合物波導(dǎo)熱光效應(yīng)的研究意義，綜述了聚合物熱光器件 的機(jī)理，制造和材料性質(zhì)，說明了電極選用的依據(jù)。第二章舉出一種標(biāo)準(zhǔn)的熱光型器件的模型，并根據(jù)其構(gòu)造建立起了熱學(xué)模型，對(duì)其溫 度場和折射率分布進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。第三章利用 comsol軟件進(jìn)行仿真， 分析了器件在

24、非均勻溫度場下的有效折射率， 繪制 出器件有效折射率與電極溫度的關(guān)系圖。第四章針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器件的電極和尺寸提出了改進(jìn)方案，在改變了電極結(jié)構(gòu)參數(shù)后分析有 效折射率的改變。最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)2.1引言設(shè)計(jì)研制高效率的熱光型光電器件 , 必須清楚器件中的熱學(xué)行為 , 特別是穩(wěn)態(tài)下的溫 度場分布情況。同時(shí) , 熱光器件溫度場的建立和去除直接與材料的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等相關(guān) 這決定了熱光型器件的響應(yīng)速度 , 也必須清楚器件中溫度場的響應(yīng)情況。本章將對(duì)熱光型有機(jī)聚合物光器件的熱學(xué)特性進(jìn)行分析 , 建立起熱學(xué)模型。首先給出 熱傳導(dǎo)學(xué)的基本原理 , 在此基礎(chǔ)上建立器件的熱學(xué)模型。2.2 熱傳導(dǎo)學(xué)原理對(duì)各向同性的均勻

25、固態(tài)介質(zhì) , 溫度場 T (x , y , z )行為遵守 Fourier 定律q k T(x,y,z)2-1)式中 , q 為熱流向量 , 表示最大流量方向上的熱流量 ,單位為 W/m2; k 是材料的導(dǎo)熱系 數(shù)?；?Fourier 定律, 導(dǎo)熱方程, 即Fourier 導(dǎo)熱微分方程為(k T) q cT2-2)式中 , q 為體發(fā)熱強(qiáng)度 , 指單位時(shí)間單位體積內(nèi)發(fā)出的熱量 , 單位為 W/(sm3);為材料密度; c 為材料比熱。若假設(shè)導(dǎo)熱系數(shù) k 具有各向同性 , 且具有緩慢特性 , 有k 2T q t cT2-3)若介質(zhì)中無熱源 , 則q = 0, (3) 式可寫為2-4)(4)式用

26、于分析動(dòng)態(tài)下介質(zhì)的熱學(xué)特性。 如果僅考慮穩(wěn)態(tài)情況 , 即 0 , 可得 Laplace t方程:k 2T 02-5)(5) 式用于求解穩(wěn)態(tài)下溫度場的分布情況。當(dāng)均勻介質(zhì)與其它介質(zhì)有接觸時(shí) , 要考慮接觸面處的換熱情況。通常的換熱方式有熱 擴(kuò)散、熱輻射和熱對(duì)流。 熱擴(kuò)散要求邊界上熱流量守恒 ; 熱輻射通常發(fā)生在高溫情況下 ; 熱 對(duì)流發(fā)生于氣體與液體中 , 且有換熱公式 :南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第二章 對(duì)有機(jī)聚合物波導(dǎo)器件進(jìn)行熱學(xué)分析k 2T(2-6)南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)q= h (T w - T )2式中, q 為單位面積下的換熱量 ; h

27、 稱為對(duì)流換熱系數(shù) , 對(duì)無擾動(dòng)空 h= 5W/(m k) ; T w 和 T 分別為界面溫度和空氣中無窮遠(yuǎn)處的溫度。2.3搭建熱光器件的熱學(xué)模型根據(jù) 2.2 中熱傳導(dǎo)理論的基本原理 , 可對(duì)的熱光型有機(jī)聚合物光波導(dǎo)器件的基本結(jié)構(gòu) 建立熱學(xué)模型。波導(dǎo)為 PMMA 材料，芯區(qū)由紫外線照射通過鉻掩膜然后低溫固化，使其折射率增加 0.01。當(dāng)電流通過電極 , 電極的電阻特性產(chǎn)生熱為熱源 , 在器件的材料中形成溫度場分布 , 并由有機(jī)聚合物材料的熱光特性引起光波導(dǎo)各層的折射率隨溫度升高而變小。考慮到有機(jī)聚合物中導(dǎo)熱系數(shù) k 具有各向同性 ,同時(shí)考慮到各層所用有機(jī)聚合物材料的 熱學(xué)特性相差甚微 , 可以

28、假設(shè)在所有有機(jī)聚合物區(qū)域 , 包括芯層和限制層 , 具有相同的導(dǎo) 熱系數(shù) k , 可視為一個(gè)整體 ,進(jìn)行熱學(xué)特性分析 , 由此得到圖 1所示的分析模型 ,圖中為有機(jī) 聚合物區(qū)域。由于圖 1 所示器件中電極是唯一產(chǎn)生熱的熱源 , 有機(jī)聚合物區(qū)域無熱生成 , 即區(qū)域內(nèi) q =0.為了獲得器件的溫度場特性 , 還應(yīng)考慮圖 1 所示聚合物區(qū)域的邊界條件 , 包括圖 1 中 與空氣、電極及硅襯底間的分界面處的邊界條件。圖二：標(biāo)準(zhǔn)熱光器件熱學(xué)模型首先考慮空氣與有機(jī)聚合物區(qū)域的分界面處熱交換情況。本文分析的器件中溫度不高 輻射可以忽略 ; 空氣中對(duì)流換熱方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于擴(kuò)散換熱方式 , 所以相對(duì)對(duì)流換熱方式 ,

29、 擴(kuò)南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)散方式也可以忽略。由此 , 在邊界上遵循 (6) 式條件 , 式中 T 可視為室溫。為了獲得與電極相交的分界面處的邊界條件 , 必須對(duì)電極進(jìn)行分析。由于鋁是電的良 導(dǎo)體 , 電極的鋁層僅數(shù)百埃 , 因此不必知曉在電極內(nèi)部溫度場的分布 , 可以認(rèn)為電極為導(dǎo) 熱學(xué)理論上的“薄壁” , 無限薄 ,溫度一致。由于硅材料較有機(jī)聚合物材料有相對(duì)好的導(dǎo)熱性能 , 可假設(shè)硅為熱的良導(dǎo)體 , 硅襯底 與散熱封裝同溫度 , 可視為室溫。2.4熱光器件的熱學(xué)模擬使用 comsol 軟件分別對(duì)此熱學(xué)模型進(jìn)行模擬， PMMA 材料的熱傳導(dǎo)率為 0.17W/(m K),

30、 環(huán)境溫度設(shè)定為 20。2.4.1穩(wěn)態(tài)分析在電極溫度為 100時(shí)，器件橫截面的溫度分布如圖二所示：圖三：電極溫度 100時(shí)，器件截面的溫度分布 由圖三可以看出，溫度場線呈發(fā)散形，距離電極最近位置的溫度接近100，波導(dǎo)芯層中心大概溫度為 87，器件中最低溫度在下方兩個(gè)底角出，大概為 78。 根據(jù)聚合物材料的熱光系數(shù)，在第三章中根據(jù)此圖可以做出聚合物材料折射率的分布 圖。2.4.1瞬態(tài)分析對(duì)聚合物熱光器件進(jìn)行瞬態(tài)分析可以得到其開關(guān)響應(yīng)時(shí)間， 下圖表示了熱光器件在特 定時(shí)間的瞬態(tài)溫度和開關(guān)狀態(tài)的溫度響應(yīng)時(shí)間。開狀態(tài)下，大概需要 60ms 可以達(dá)到最高溫度。關(guān)狀態(tài)下，大概經(jīng)過 150ms，溫度才會(huì)散去

31、南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）t=0.1ms t=5ms圖四：器件截面的瞬態(tài)溫度分布關(guān)狀態(tài)響應(yīng)時(shí)間（ ms）圖六：器件關(guān)狀態(tài)下的溫度響應(yīng)南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.5本章小結(jié)本章從熱學(xué)方面對(duì)熱光型器件進(jìn)行研究，模擬出了其熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模型，得到了 電極影響下的穩(wěn)態(tài)熱場分布和材料折射率分布和開關(guān)狀態(tài)響應(yīng)。為之后分析其有效折射 率，優(yōu)化熱光調(diào)制效率和開關(guān)響應(yīng)時(shí)間做好了基礎(chǔ)。率射折效1.42南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第三章 有機(jī)聚合物波導(dǎo)3.1引言 本章對(duì)聚合物波導(dǎo)進(jìn)行研究，主要從其折射率分布和有效折射率著手分析，用有效折 射率與電極

32、溫度的關(guān)系圖表現(xiàn)出聚合物波導(dǎo)的熱光效應(yīng)。3.2聚合物材料的折射率分布在常溫下， 波導(dǎo)材料包層的折射率為 1.45，芯層為 1.461，其熱光系數(shù)為 1.4*10-4/ 設(shè)環(huán)境溫度為 20，那么可以列出包層和芯層折射率與溫度的關(guān)系式：n1 1.45 1.4 10 4(T 20)n2 1.461 1.4 10 4(T 20)(3-1)先分析理想情況下，如果器件所有部位都能達(dá)到電極溫度，也就是說芯層和包層的折 射率都為與溫度相關(guān)的某一定值，找到其有效折射率與溫度的關(guān)系，如表一和圖六。350y = -0.0001x + 1.4571圖七：器件有效折射率與溫度的關(guān)系圖圖七顯示出了理想情況下，波導(dǎo)有效折射

33、率與環(huán)境溫度的關(guān)系。根據(jù)第二章中做出的溫度場線，由此可作出穩(wěn)態(tài)下非均勻溫度場影響下的聚合物材料的折射率分布圖，如圖七所示：2550751001251501752001.4540881.450581.4470721.4435641.4400561.4365481.433041.4295321.46表一：器件溫度與其有效折射率關(guān)系1.4551.451.4451.441.4351.431.42550100150 200 250300電極溫度- 10 -南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖八：電極溫度 100時(shí)，穩(wěn)態(tài)下聚合物材料的折射率分布圖中標(biāo)注出了代表性的三個(gè)坐標(biāo)的折射率。 距離電極

34、最近點(diǎn)的折射率為 1.387385，底 角上的折射率為 1.389593，波導(dǎo)中心的折射率為 1.399679。3.3分析電極溫度與器件有效折射率的關(guān)系根據(jù) 3.2 中做出的折射率分布圖，模擬波導(dǎo)的基模模場分布，找到其有效折射率。圖九：電極溫度 100時(shí)，波導(dǎo)的基膜- 11 -率射折效有1 .1 .1.1116 55 5454 54 443 44. 4.4 .理想情況實(shí)際情況南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在之前的模型中，改變電極溫度，計(jì)算有效折射率見表一表二：電極溫度與對(duì)應(yīng)有效折射率溫度255075100有效折射 率1.4542081.4512691.448331.44539

35、11502002503001.4395141.4336381.4277631.42188950 100 150 200 250 300 350 電極溫度圖十：理想情況和實(shí)際情況熱光效應(yīng)對(duì)比由圖九可以看出，實(shí)際情況下的熱光調(diào)制效率明顯小于理想情況下，電極的效率還有 提升空間。3.4本章小結(jié)本章主要研究了聚合物波導(dǎo)的折射率，找到了其折射率分布以及理想和現(xiàn)實(shí)情況下， 波導(dǎo)有效折射率與溫度的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)了電極溫度改變導(dǎo)致的有效折射率的改變量小于理想 情況下的改變量。也就是說，電極完全還有優(yōu)化的空間。- 12 -4.1率射折南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第四章 對(duì)電極參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化引言熱電

36、極的優(yōu)化能顯著提高熱光器件的性能。而電極和波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取是進(jìn)行 熱電極優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本章將在熱場分析的基礎(chǔ)上，確定電極的優(yōu)化尺寸。4.2 分析電極參數(shù)改變對(duì)熱光調(diào)制效率的影響4.2.1 改變電極的寬度將電極改為 30m和 40m寬，其溫度與有效折射率關(guān)系分別如下：表三： 30 微米和 40 微米電極影響下的有效折射率溫度257512517522527530 微 米折射率1.4541891.4480451.4419021.435761.4296181.423478溫度257512517522527540 微 米折射率1.4541641.4478441.4415251.4352071.42

37、88891.42257230微米40微米20微米圖十一：三種電極下的有效折射率與電極溫度的關(guān)系由圖可知，增加電極的寬度可以略微增加折射率的改變。但是與此同時(shí)，由于電極尺 電極溫度4434寸明顯增大，電極所消耗的能量肯定是增大很多的，也就是說，在增大電極寬度時(shí)，電極- 13 -南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的效率是降低的。4.2.2 縮小波導(dǎo)的寬度把 80微米寬的波導(dǎo)減到 40 微米寬，分析 20 微米電極下的熱光調(diào)制溫度2575125175225275折射率1.4542061.448081.4419541.435831.4297061.423583率射折1.461.4551.

38、451.4451.441.4351.431.4251.42050 100 150 200 250 300 350 電極溫度圖十二： 20 m電極下不同波導(dǎo)寬度的有效折射率與電極溫度關(guān)系由圖可知，縮小波導(dǎo)寬度后，可以略微提高熱光調(diào)制效率。4.2.3 在波導(dǎo)兩側(cè)增加電極波導(dǎo)40微米波導(dǎo)80微米把波導(dǎo)減小到 40微米寬后，嘗試在波導(dǎo)兩側(cè)各加一個(gè) 20微米寬的電極， 得到模型如 圖十二。圖十三：在波導(dǎo)兩側(cè)增加兩個(gè)電極的模型- 14 -表四：波導(dǎo)寬度減為 40 m后的折射率溫度關(guān)系3個(gè)20微米電極20微米電極40南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）其熱光效應(yīng)的數(shù)據(jù)如下：表五：三個(gè)電極影響下的

39、有效折射率與溫度關(guān)系溫度2575125175225275折射率1.4541321.4472471.4403621.4334761.4265911.419706圖十四：三個(gè)電極和單個(gè)電極熱光效應(yīng)的比較由圖可以看出，增加電極可以顯著提高熱光調(diào)制效率。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，增加電極寬度，增加點(diǎn)擊數(shù)量都可以增加熱光調(diào)制效率，但都需要消 耗更過的能量，如果可以減小波導(dǎo)尺寸或者減小波導(dǎo)材料的熱傳導(dǎo)率，則可更加優(yōu)化電極 的效率。4.2.3 優(yōu)化建議 根據(jù)之前的研究， 現(xiàn)提出一個(gè)優(yōu)化方案， 在 4040m的波導(dǎo)的三個(gè)方向同時(shí)加上 m寬的電極，對(duì)此模型進(jìn)行模擬，讓其與理想狀態(tài)進(jìn)行比較。表六：優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溫度折射率關(guān)系溫度

40、2575125175225275500折射率1.4541231.4471581.4401941.4332291.4262641.4192991.387956- 15 -理想狀態(tài)3個(gè)40微米電極南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖十五：優(yōu)化結(jié)構(gòu)和理想情況的比較由圖十四可以看出，此優(yōu)化結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制效率已經(jīng)很接近理想情況下4.3 本章小結(jié)本章對(duì)熱電極的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)增加電極寬度，減小波導(dǎo)尺寸，增加額外 電極都可以增加熱光調(diào)制效率。在此基礎(chǔ)上可以提出在 40 40m的波導(dǎo)的三個(gè)方向同時(shí) 加上 40 m寬的電極，如此可達(dá)到最高的熱光調(diào)制效率- 16 -溫度南京郵電大學(xué) 2012

41、 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)束語利用有機(jī)聚合物材料的熱光效應(yīng)研制和開發(fā)的熱光型光電子器件極化依賴性極小，這 是電光性光電子器件無法比擬的。結(jié)合有機(jī)聚合物光電子器件制作工藝的優(yōu)越性，熱光型 光電子器件實(shí)際應(yīng)用中有相當(dāng)強(qiáng)的競爭力。在這個(gè)背景下，本文對(duì)聚合物波導(dǎo)的熱光效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和仿真研究。首 先介紹了聚合物波導(dǎo)熱光效應(yīng)的研究意義和概況，分析了聚合物材料的熱學(xué)性能，建立了 一個(gè)芯層 5.8 5.8 m，包層 8040m的簡單模型并對(duì)其熱傳導(dǎo)分別進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài) 分析，得到了聚合物材料的溫度場分布和開關(guān)狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)間圖。之后在熱學(xué)模型的基礎(chǔ) 上，根據(jù)聚合物材料的熱光系數(shù)，分別作出了聚合物波

42、導(dǎo)在理想情況和現(xiàn)實(shí)情況下的折射 率分布，以及有效折射率和溫度的關(guān)系圖。最后，嘗試改變電極寬度和波導(dǎo)寬度，分析有 效折射率和電極溫度的關(guān)系圖，推斷出電極優(yōu)化方案。概括全文的理論研究結(jié)果，有如下 幾個(gè)方面：1）在廣泛查閱了國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析了聚合物波導(dǎo)的熱光效應(yīng)的研究意義， 并概括了目前聚合物熱光型器件的發(fā)展。2）詳細(xì)介紹了聚合物熱光器件的熱學(xué)性能，基于常見的聚合物熱光器件的尺寸，提 出了一個(gè)簡單模型，并對(duì)其穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱場分布進(jìn)行了模擬。 得到了如下結(jié) 果：1.穩(wěn)態(tài)情況下，一定電極溫度影響下的溫度場線；2.瞬態(tài)情況下，特定時(shí)間的溫度場線，并由此做出了開關(guān)狀態(tài)的溫度響應(yīng)圖。3）使用 coms

43、ol 軟件對(duì)次方案進(jìn)行仿真。得到了理想和顯示狀態(tài)下的折射率分布， 有效折射率和電極溫度的關(guān)系。4）通過改變電極的寬度和波導(dǎo)寬度，分析有效折射率和電極溫度關(guān)系圖的改變，判 斷出如下幾點(diǎn)：1. 增加電極寬度或增加額外電極可以增加熱光調(diào)制效率， 但是會(huì)增加額外的能量 消耗；2. 減小波導(dǎo)寬度可以增加熱光調(diào)制效率，但是過小會(huì)影響波導(dǎo)的正常工作；3.提出了在 4040m的波導(dǎo)上增加 3個(gè) 40m的電極，發(fā)現(xiàn)其熱光調(diào)制效率很 接近理想狀態(tài)。- 17 -南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）致謝經(jīng)過近一個(gè)學(xué)期的努力，我的學(xué)士論文終于完成了初稿。在完成論文的過程 中，我遇到了一些困難，是老師和同學(xué)熱

44、情地幫助了我，使我克服困難順利完成 了論文。本文是在王瑾老師的悉心指導(dǎo)下完成的。感謝王老師在這段時(shí)間在我學(xué)習(xí)和 生活上的關(guān)心和支持。在畢設(shè)期間，王老師無微不至的關(guān)系我們，他營造的寬松 而濃厚的學(xué)術(shù)氛圍是我做好課題的前提。王老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和 孜孜不倦的鉆研精神使我受益菲淺，也一直是我努力做好課題工作的動(dòng)力。在此， 我謹(jǐn)向王老師表示衷心的感謝和深深的敬意。在此也要感謝光電工程學(xué)院，時(shí)時(shí)為學(xué)生著想，并給我們提供了一個(gè)很好的 學(xué)習(xí)環(huán)境，讓我們更好的進(jìn)行課題研究。感謝所有在我本科期間給我直接或間接幫助的同學(xué)和朋友，讓我的大學(xué)生活 過的很豐富多彩，也讓我感覺到了家的感覺。還要感謝課題組的成

45、員，有了他們 的互相幫助和悉心關(guān)照，才能順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。首先，感謝學(xué)長韓洋同學(xué)在課 題理論工作中給予的指導(dǎo)和幫助，感謝楊苜藝同學(xué)在軟件使用上給予的幫助和指 導(dǎo)，沒有他們的幫助，沒有他們一直在給我鼓勁加油，我不會(huì)堅(jiān)持到最后。還有 同班的好友，在本科生學(xué)習(xí)和生活中，他們與我共勉共進(jìn)，相互幫助，使我的大 學(xué)生活更加充實(shí)和輕松，令人難以忘懷。最后，我要感謝我的父母，是他們的辛勤勞動(dòng)養(yǎng)育了我，也是他們的支持和 理解使我在十幾年的求學(xué)道路上一直保持著積極向上的態(tài)度，他們?cè)谖覍W(xué)習(xí)和生 活上的關(guān)心和鼓勵(lì)使我能在學(xué)習(xí)的道路上不斷的進(jìn)步，他們樸實(shí)而偉大的愛賦予 我克服一切困難的決心和勇氣，終將鞭策我在人生的道路上不斷的奮發(fā)進(jìn)取。在此謹(jǐn)將本文獻(xiàn)給他們。陸賽2012年 6月于南京郵電大學(xué)- 18 -南京郵電大學(xué) 2012 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)：1.Snakamura, K-Y Chu. A Single Chip ParallelM ulti-plier by MOS Technolog