基于聚合物微納光纖交叉疊加結(jié)構(gòu)光子器件

隨著光通訊、光計(jì)算和光傳感等的迅猛發(fā)展，方便廉價(jià)地制作高集成度的子器件已成為越來越迫切的需求。由隨著光通訊、光計(jì)算和光傳感等的迅猛發(fā)展，方便廉價(jià)地制作高集成度的子器件已成為越來越迫切的需求。由于具備光場(chǎng)約束能力強(qiáng)、傳輸損耗低、例倏逝波傳輸、亞波長(zhǎng)直徑長(zhǎng)距離相干傳輸、大波導(dǎo)色散和高表面能量密度好的光學(xué)特性，微納光纖已成為構(gòu)筑小尺寸光子器件的理想材料，近年來引越來越多研究者的青本論文的研究采用性能優(yōu)異且價(jià)格低廉的聚合物作為材料，通過一步拉制制作聚合物微納光纖，研究它們的光學(xué)傳輸性能，并利用這些聚合物微納光纖(1)基丙烯酸甲脂(PMMA)溶液或熔融態(tài)的聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT得。通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這些聚合物微納光纖具有良的表面光滑度和直徑均勻性，且機(jī)械性能比較好，直徑小至205nln導(dǎo)調(diào)節(jié)架實(shí)現(xiàn)倏逝波耦合，發(fā)現(xiàn)聚合物微納光纖具有良好的光傳輸性合于構(gòu)筑光子器件(2)三維光子器件：利用顯微操作系統(tǒng)，將聚合物光纖在三維空間內(nèi)交叉加，組裝出了2×2、3×3、三角形、不等號(hào)形和井字形等結(jié)構(gòu)，并通過倏逝波合，研究了光在這些結(jié)構(gòu)中的傳輸和分配情況，實(shí)驗(yàn)表明這些小尺寸結(jié)構(gòu)具有低的插入損耗(低至O．76dB)，可以在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)光的傳輸與分配。此外，利用Rsoft軟件模擬了兩根聚合物光纖間的耦合情況，定量研究了耦合效率與交角度或線間距離的關(guān)系(3)全光邏輯器件：研究了3×3結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)形，利用Rsoft當(dāng)光從不同端口輸入時(shí)，端口的輸出情況將發(fā)生不同的變化，不同的輸入狀態(tài)應(yīng)不同的輸出狀態(tài)，可用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的全光編碼功能。對(duì)這種3×3三維結(jié)構(gòu)(4)光散射陣列：隨著聚合(4)光散射陣列：隨著聚合物光纖間交叉角度的增大，光在交叉點(diǎn)的逐漸增強(qiáng)。采用多根聚合物光纖大角度地交叉疊加，構(gòu)筑了多個(gè)交叉點(diǎn)的光散陣列結(jié)構(gòu)。通過倏逝波耦合，將單色可見光輸入這種陣列結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)各交叉點(diǎn)明顯地散射可見光，且交叉點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的光斑直徑一般比交叉點(diǎn)直徑大。當(dāng)將兩不同顏色的可見光從不同端口耦合入陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在多個(gè)交叉點(diǎn)處可以混VMenglinSupervisor：Pr西Withrapidlydevelopmentoptical devices諏也lowcostthedemandfabricatinghighdensityintegratedmethodsbecomesmoreandisallidealforfabricatingsmallsizephotonicdevices，anditdrawnmoreandmoreyears，byreasonofitsgoodMenglinSupervisor：Pr西Withrapidlydevelopmentoptical devices諏也lowcostthedemandfabricatinghighdensityintegratedmethodsbecomesmoreandisallidealforfabricatingsmallsizephotonicdevices，anditdrawnmoreandmoreyears，byreasonofitsgoodopticalasattentionintransmissionloss，large wave，long—sub-waveguidedispersionandhi曲surfaceenergyInthisthesis，polymermaterials晰廿lexcellentpropertiesandlowpricesmicro／nanofiberswerebyone—stepdrawingmicro／nanofibersofdeviceswereassembledwiththeirpotentialapplicationsinopticsweremaincontentsaleasmicro／nanofibers、Ⅳitlldiametersdown(1)Polymerdrawn205orpoly(methylpoly(trimethyleneterephthalate)(P兀)usingone—stepdrawingmicro／nanofiberswereoptical evanescentfoundthatbyhigh—indicatesgoodsuitabilityforconstructingphotonic(2)Three-micro／nanofiberswerestackedinthreedimensionsstructures，such髂x3，triangle，≠一and群-propertiesoflighttransmissionanddistributioninthesestructuresitisshownthattheseanalyzedopticalevanescentstructureshavelowexcesslossandcanrealizethetransmissionandofinthree-space．Inaddition，bysimulatingthe(2)Three-micro／nanofiberswerestackedinthreedimensionsstructures，such髂x3，triangle，≠一and群-propertiesoflighttransmissionanddistributioninthesestructuresitisshownthattheseanalyzedopticalevanescentstructureshavelowexcesslossandcanrealizethetransmissionandofinthree-space．Inaddition，bysimulatingthebetweenRsofl，therelationshipsbetweentheandorcenter-to-centerRsoft，three-(3)All—optical structureitisshownthatwhenthelightWaSlaunchedintoisdifferentfromwouldOCCUroutputevanescentsplittingalsoverifiedtheofthesimulation．Withthree—dimensional3x3structureCanbeusedtoformall-opticallogicofof micro／nanofibers，lightscatteringattheintersectionswouldbeenhancedmulti—intersectionlight—scatteringweseveralmicro／nanofibersstackedcrosswiselaunchedlargewavecouplingmethod，anditshownthatlightattheintersectionsobviously．WhenwithdifferentcolorswereintoofWasdetectedatothercoloraapplicationofthearraystructuresinsmall—size devices；All-Light-scatteringarray；One-stepdrawing本人鄭重聲明：所本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他新節(jié)日期：)tNf年r月學(xué)位論文使用授權(quán)聲本人完學(xué)位論文使用授權(quán)聲本人完全了解中山大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校學(xué)位論文并向國(guó)家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版，有權(quán)將位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書館、院系資料室被他方法保存學(xué)位論文新芍學(xué)位論文作者簽導(dǎo)師簽日期：川f年J月日期：弘Ⅱ知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)聲該成果屬知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)聲該成果屬于中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，受國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)法保護(hù)。在學(xué)間與畢業(yè)后以任何形式公開發(fā)表論文或申請(qǐng)專利，均須由導(dǎo)師作為通訊聯(lián)系人未經(jīng)導(dǎo)師的書面許可，本人不得以任何方式，以任何其它單位做全部和局部署學(xué)位論文作者簽名、硨季、研吁基于聚合物徼納光纖交叉疊加結(jié)構(gòu)的光子第一章前1．1概基于聚合物徼納光纖交叉疊加結(jié)構(gòu)的光子第一章前1．1概隨著光通訊、光計(jì)算和光傳感等的迅猛發(fā)展，系統(tǒng)的高集成度對(duì)器件及其來越迫切的需求。微納光纖由于具備光場(chǎng)約束能力強(qiáng)、傳輸損耗低、大比波傳輸、亞波長(zhǎng)直徑長(zhǎng)距離相干傳輸、大波導(dǎo)色散和高表面能量密度等良學(xué)特性Il-3】，是構(gòu)筑小尺寸光子器件的理想材料，因而成為最近這幾年光電子微納光纖【1-3】和化學(xué)合成的半導(dǎo)體微納光纖降7】，而聚合物具有良好的光學(xué)特性【簡(jiǎn)潔、成本低廉地制作光傳輸損耗低、彈性和柔韌性強(qiáng)的聚合物微納光纖入地研究這些聚合物微納光纖及其所組裝光子器件的光學(xué)性能，對(duì)于集成的發(fā)展將具有深遠(yuǎn)的意義1．2微納光纖及其器件的研究背自2003年哈佛大學(xué)E．Mazur研究小組的L．M．Tong等人在國(guó)際頂級(jí)刊物《究引起了世界范圍內(nèi)眾多科研工作者的重視，發(fā)表的學(xué)術(shù)論文廣泛見于各大刊其中，科研工作比較突出的，主要有L．M．Tong、C．M．Lieber和P．D．Yang小組納米量級(jí)的光纖【l】。如圖1．1所示，首先用火焰或者C02激光器對(duì)普通的石英光進(jìn)行加熱，拉制出微米量級(jí)的石英光纖；然后是用特制的CH30H火焰加熱藍(lán)寶尖端，獲取一個(gè)比較均勻的溫度分布后將微米量級(jí)石英光纖的一端接觸藍(lán)寶石端，同時(shí)將藍(lán)寶石沿中心軸旋轉(zhuǎn)，使微米量級(jí)的石英光纖纏繞在藍(lán)寶石尖端上中m大學(xué)碩±學(xué)位論基十※自物微納№纖交Z疊nI結(jié)柯的光于≈當(dāng)溫度達(dá)到藍(lán)寶石中m大學(xué)碩±學(xué)位論基十※自物微納№纖交Z疊nI結(jié)柯的光于≈當(dāng)溫度達(dá)到藍(lán)寶石的熔點(diǎn)，此時(shí)在水平面上沿與藍(lán)寶石縱軸正交的方向即可拉出直徑為亞米或納米量級(jí)的光纖。這種兩步拉伸法提供了一種方便簡(jiǎn)潔、成本低廉地制作目罡＼嘲1．I火焰加熱兩步拉伸法示意圖在兩步拉伸法的基礎(chǔ)上Tong的研究小組利用加熱體玻璃的方法，直拉制出了微納光纖口】。圖1—2是從大塊玻璃中直接拉制微納光纖的示意圖。拉制將要被拉制的體玻璃靠近藍(lán)寶石光纖；第二步，繼續(xù)加熱藍(lán)寶石光纖，并使璃局部融化，將藍(lán)寶石光纖插入到體玻璃里；第三步，將體玻璃移走，此時(shí)融化的玻璃附著在藍(lán)寶石光纖的末端：第四步，用另一根藍(lán)寶石光纖接觸附著第一根藍(lán)寶石光纖末端上處于熔融態(tài)的玻璃：第五步，降低加熱功率，將第藍(lán)寶石光纖往相反方向移走：第六步，隨著拉制距離的增大，微納光纖出現(xiàn)了采用上述的方法，往體玻璃中摻入不同的材料，則可以獲取多種材料(亞碲酸度可達(dá)幾十毫米，直徑低至50mn。但這樣方法對(duì)溫度的要求也同樣苛刻，需好地控制拉制區(qū)域的溫度分布十Ⅲ大學(xué)碩t基于Re物錨納光纖室X疊∞結(jié)構(gòu)的光f％F習(xí)[二f]口廠梳紫o—十Ⅲ大學(xué)碩t基于Re物錨納光纖室X疊∞結(jié)構(gòu)的光f％F習(xí)[二f]口廠梳紫o—-Sapphir 二二；》土／Inb。-I圖I-2體玻璃直接拉伸法的示意圖【舔圖1．3微環(huán)結(jié)構(gòu)的電鏡圖憶微環(huán)直徑為15¨m，sjq微納光纖直徑為nm50圖MzI結(jié)構(gòu)的通光圖像Iq，兩條亞碲酸鹽玻璃光纖的直徑均為480nm頭標(biāo)示了光的傳輸方向獲取單根微納光纖后Tong等人利用這些微納光纖組裝了一些簡(jiǎn)單的構(gòu)和器件。如圖卜3所示，直徑為15l肌的微環(huán)結(jié)構(gòu)由直徑為520nm的Si02微中m大學(xué)基于聚臺(tái)物槽納光纖交叉璺加結(jié)構(gòu)韻光子8光纖彎曲打結(jié)中m大學(xué)基于聚臺(tái)物槽納光纖交叉璺加結(jié)構(gòu)韻光子8光纖彎曲打結(jié)而成12】。而一個(gè)MZII嘲結(jié)構(gòu)，則由兩條直徑為玻璃光纖組裝而成(圖1-4)厶Laser圖1．5光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)示意圖1-6雙彎道納米線m：(a)掃描電子顯微鏡(SEM)圖像：(b)掃描光學(xué)顯鏡(SOM)圖像，圈中的標(biāo)尺都是10umM與此同時(shí) Lieber研究小組采用化學(xué)臺(tái)成的方法‘”，獲取了CdS納米線并通過光致發(fā)光的方法在CdS微納光纖一端產(chǎn)生光信號(hào)，研究光信號(hào)在這些微納光纖中的傳輸情況，圖I-5是光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)的示意圖。其中重點(diǎn)研究了光在彎曲CdS微納光纖中傳輸?shù)那闆r，如圖1-6所示，光信號(hào)雖然衰減了一但通過了兩個(gè)大角度的拐彎后，仍然可以繼續(xù)向前傳輸。這種在彎曲處的傳輸性，非常有利于高密度的光予集研究了光信號(hào)在彎曲CdS微納光纖中傳輸?shù)那闆rM圖1．7所基于聚臺(tái)物馓納光纖交衛(wèi)疊∞結(jié)基于聚臺(tái)物馓納光纖交衛(wèi)疊∞結(jié)構(gòu)的光子≈中Ⅲ大學(xué)碩十學(xué)位論圖1．7CdS微納光纖所組裝的器件結(jié)構(gòu)n凹中的標(biāo)尺都是10um：(a)簡(jiǎn)單義結(jié)構(gòu)的掃描光學(xué)顯微鏡(SOM)幽像，插圖為光學(xué)顯微鏡圖像；(b)簡(jiǎn)單角結(jié)構(gòu)的SOM圖像，插圖為光學(xué)顯微鏡圖圖1．8單根Sn02微納光纖的SOM幽像f6】：(a)藍(lán)光在Sn02Sn02微納光童T末端可見明顯的出射光：(b)監(jiān)光通過兩個(gè)彎曲、#徑大約 pm彎曲結(jié)構(gòu)傳輸，插剮的SEM圖像是彎曲結(jié)構(gòu)的局部放大目而Yang研究小組也采用化學(xué)合成的方法，獲取Sn02的傳輸，其傳輸效果如圖l-8所示。SnOz納米線在圖l-8(a)的基礎(chǔ)上進(jìn)中山大學(xué)碩上學(xué)基于幕臺(tái)物微納光纖交叉疊加結(jié)中山大學(xué)碩上學(xué)基于幕臺(tái)物微納光纖交叉疊加結(jié)構(gòu)的光子*在研究單根Sn02納米線的光傳輸性能后，P．D．Yang等人利用多根Sn02納線組裝了一些簡(jiǎn)單的功能器件【6】。圖1-9所示的定向耦合器結(jié)構(gòu)由3條Sn02納線組裝而成。這個(gè)定向耦舍器有著四個(gè)端口l、2、3和4，當(dāng)光信號(hào)從端口1處入時(shí)，端口3的輸出光強(qiáng)比端口4的大(圖I-9(a))；而當(dāng)光信號(hào)從端口2處入時(shí)，端口3的輸山光強(qiáng)比端口4的小(圖i-9(b))圖I-9定向耦臺(tái)器oI，結(jié)構(gòu)由三條納米線組裝構(gòu)成，兩條縱向的納米線(左邊橫截面尺寸為540nmx250rim．右邊：橫截面尺寸為420nm×235衄)由一條形納米線(橫截面尺寸為540nmx250nm)連接了起米，光信號(hào)分別由端口1(a)和端口2(圖b)進(jìn)入耦臺(tái)器結(jié)構(gòu)綜合以上的研究工作．拉制的半導(dǎo)體微納光纖具有較好的表面光滑度，光輸損耗比較低，但彈性和柔韌性比較差，而化學(xué)合成的半導(dǎo)體微納光纖方便量的生產(chǎn)，但表面比較粗糙，光傳輸損耗比較大。因此，方便簡(jiǎn)潔、成本低件具有深遠(yuǎn)的意義1．3聚合物介紹：PMMA和甲酸丙二醇酯(PTT)1．3．1聚甲基丙烯酸甲脂，英文名為methacrylate)，1．3聚合物介紹：PMMA和甲酸丙二醇酯(PTT)1．3．1聚甲基丙烯酸甲脂，英文名為methacrylate)，簡(jiǎn)稱PMMA，俗CH口十早一cH、。鄉(xiāng)PMMA具有高度的透明性，是目前最優(yōu)良的高分子透明材料之一，透光率到92％【ll】，比玻璃的透光度高。PMMA具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，其相對(duì)分子質(zhì)量約為200萬(wàn)，是長(zhǎng)鏈的高分子化合物，而且形成分子的鏈很柔軟，因此，強(qiáng)度較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高7一'18倍。PMMA的重量比較輕，的密度為g／cm3【11】，同樣大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半。易于加工，不但可以用車床切削，用鉆床鉆孔，而且可以用丙酮、氯仿等各種形狀的器具，也可以用吹塑、注射、擠出等塑料成型的方法加工成各種制基于以上的優(yōu)點(diǎn)，PMMA作為性能優(yōu)異的透明材料已廣泛應(yīng)用于燈具照明材、光學(xué)玻璃、儀器儀表、廣告櫥窗和特種玻璃等方面。而將PMMA作為芯材聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯，英文名為Poly(trimethyleneterephthalate)，簡(jiǎn)稱得，與PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚對(duì)苯二甲酸1．4丁二醇酯)同聚酯纖維。PTT纖維集各種纖維的優(yōu)良服用性能于一身，綜合了尼龍的柔綸的蓬松性、滌綸的抗污性，以及彈性性能好、可常溫染色等優(yōu)點(diǎn)，已成為單絲、聚酯染色助劑、熱塑性工程塑料及薄膜等7P1vr由l，3一丙二醇(PDO)和對(duì)苯二甲酸(n'A)縮聚而成，其為OP1vr由l，3一丙二醇(PDO)和對(duì)苯二甲酸(n'A)縮聚而成，其為OCo——H2HPTT的分子結(jié)構(gòu)由剛性的苯環(huán)、柔性的亞甲基和極性的酯基組成。其中，使得苯環(huán)不能與3個(gè)亞甲基處于同一平面，鄰近2個(gè)羰基的斥力不能呈1800平排列，只能以空間1200錯(cuò)開排列，使PTT大分子鏈成螺旋狀排列，因此PTT具良好的物理性能【l孔。此外，PTT的分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的‘‘z”字形構(gòu)象(如圖所示)，使得PTT大分子鏈具有如同線圈式彈簧一樣的彈性【14】。這種非伸直鏈形螺旋狀結(jié)構(gòu)就象彈簧一樣，在縱向外力作用下，“旁式”單元發(fā)生鍵旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)變纖維進(jìn)行的多次重復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)【16】顯示，這種纖維即使經(jīng)過10次20％的最大拉仍然能100％的回復(fù)，這表明P，丌纖維具有優(yōu)異的彈性回復(fù)性圖PTT在結(jié)晶狀態(tài)下大分子鏈的形態(tài)構(gòu)象【17110％一50％時(shí)，玻璃化溫度可以達(dá)到43～70℃【121。PTT是一種典型的假流體，在熔融狀態(tài)下的切力變稀現(xiàn)象比PET更為嚴(yán)重，其非牛頓指數(shù)隨溫度升而增大，隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增加而降低，并且熔體的黏流活化能較高，熔體度對(duì)溫度的敏感性較大此外，PTT具有極好的透光性能。從可見光到近紅外波段(波長(zhǎng)介于8到nlll之間)，其透射率約為90％【例。而PTT的折射率為1．638t20l，大于(1．46)、氟到nlll之間)，其透射率約為90％【例。而PTT的折射率為1．638t20l，大于(1．46)、氟化鎂(1．48)、磷酸鹽玻璃(1．54)和聚苯乙烯(1．59)，可以為光在中的傳輸提供良好的限制綜上所述PTT由于其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，因而具有良好的機(jī)械性纖和成膜性能、良好的透光導(dǎo)光性能，非常適合于作為組裝微納光子器件的材在未來的光子學(xué)發(fā)展中將具有廣泛的應(yīng)用前景1．4本論文的選題及思光纖的研究主要集中在半導(dǎo)體微納光纖和化學(xué)合成的微納光纖，而聚合物具有好光學(xué)特性，關(guān)于聚合物微納光纖的研究目前還比較少。深入的研究聚合物微光纖，并利用這些聚合物微納光纖組裝光子器件，已成為越來越迫切的需求。此，本論文主要研究聚合物微納光纖及其所組裝器件的光學(xué)性能和潛在應(yīng)用體包括(1)聚合物微納光纖的制作及倏逝波耦合、(2)三維光子器件、(3)全邏輯器件和(4)光散射陣列。利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)器件的結(jié)儀器對(duì)聚合物微納光纖及其所組裝器件的光傳輸與分配功能進(jìn)行詳細(xì)的研論文的結(jié)構(gòu)是按照本人科研工作的先后順序，逐步展開介紹的。本論文章首先介紹了聚合物微納光纖的拉制，并觀測(cè)了其表面形態(tài)和光學(xué)傳輸特性纖都是在三維空間內(nèi)交叉疊加的。第四章研究了基于交叉疊加3X3結(jié)構(gòu)的全光輯器件，展示了其異于二維平面結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單編碼功能。介紹完小角度的交叉結(jié)構(gòu)后，第五章介紹了基于聚合物光纖大角度交叉疊加結(jié)構(gòu)的光散射陣列。在光電子集成領(lǐng)域的應(yīng)用提供有益的幫9中m^學(xué)碩±學(xué)位論第二章聚合物微納光纖的制作中m^學(xué)碩±學(xué)位論第二章聚合物微納光纖的制作及倏逝波耦微納光纖由于具備光場(chǎng)約束能力強(qiáng)、傳輸損耗低、大比例倏逝波傳輸、亞構(gòu)筑小尺寸光子器件的理想材料，因而成為最近這幾年光電子集成領(lǐng)域的熱究對(duì)象。采用兩步拉伸法制作的半導(dǎo)體微納光纖I’31好，光傳輸損耗比較低，但彈性和柔韌性相對(duì)較差。而采用化學(xué)合成方法制而聚合物具有良好的光學(xué)特性口川，非常適用于光學(xué)方面的應(yīng)用，但目前關(guān)聚合物微納光纖的研究還比較少。方便簡(jiǎn)潔、成本低廉地制作光彈性和柔韌性強(qiáng)的聚合物微納光纖，并深入地研究聚合物微納光纖及其所組如本章引言所述，現(xiàn)有的微納光纖制作技術(shù)存在著一定的局限性。因此驗(yàn)采用了一步拉制法【眥1捌，簡(jiǎn)單、快捷、廉價(jià)地制作聚合物矽‘，。坼舢≮《j+∞幽2-1聚合物微納光纖一步拉制法示意剛中Ⅲ大學(xué)碩±學(xué)位論基f聚臺(tái)物碰中Ⅲ大學(xué)碩±學(xué)位論基f聚臺(tái)物碰納光纖交Z疊加結(jié)構(gòu)的光于實(shí)驗(yàn)過程中，我們先后采用了兩種聚合物材料：PMMA和PTT。聚合物微光纖的拉制示意圖如圖2-I所示，拉制過程主要包括以下步驟：首先，將PTT料置于加熱板上加熱至熔融態(tài)或者將PMMA溶解在丙酮中形成PMMA溶液；次，將裸光纖棒或錐形鐵棒的末端稍微浸入熔融態(tài)的聚合物或者聚合物溶液中再次，以O(shè)．1一1．0m／s的速度提升裸光纖棒或錐形鐵棒；最后，在棒的末端與熔態(tài)聚合物或者聚合物溶液之間形成細(xì)線并迅速固化為聚合物微納光纖。電子顯微鏡圖2-2、圖2-3和圖2-4中的聚合物微納光纖直徑分別是nm，300run1617nm。由圖可見，所拉制出來的聚合物微納光纖具備良好的直徑均勻度和光滑度，且彎曲能力也比圈2-2單根聚合物微納光纖．直徑為圈2-單iiHiiiii直徑為300nm，插圖為局部放大圖中m^學(xué)確k學(xué)位論孳十聚☆物礅納№纖變Z疊㈨中m^學(xué)確k學(xué)位論孳十聚☆物礅納№纖變Z疊㈨#構(gòu)∞光T# ×1，58B—訂i。凹2_4彎曲的單根策臺(tái)物微納光纖，直釋為1617om2．3為了將光耦臺(tái)入聚臺(tái)物微納光纖，實(shí)驗(yàn)采用了石英微納光纖尖錐。石英微光纖尖錐通過火焰加熱方法從普通的單模石莨光纖拉制而得。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將制奸的聚合物微納光纖懸空固定在玻璃基片之上，并將石英微納光纖六軸精密調(diào)節(jié)架上；然后調(diào)節(jié)六軸精密調(diào)竹架，使石英微納光纖尖錐微納光纖，此時(shí)石英微納光纖尖錐和聚臺(tái)物微納光纖會(huì)因?yàn)殪o電力和范德瓦力的作用州而吸附在一起，則通過倏逝波耦合【2”，石英微納光纖尖錐中的光便廢圖2-5從圖2．5可見，波長(zhǎng)為650nnl微納光纖的損耗可低至 從圖2．5可見，波長(zhǎng)為650nnl微納光纖的損耗可低至 2．4小采用一步拉制法，從熔融態(tài)的聚合物或聚合物溶液中拉制出了聚合物微納發(fā)現(xiàn)所拉制出來的聚合物微納光纖具備良好的直徑均勻度和表面光滑度，機(jī)械能也比較強(qiáng)，且其直徑低至205nlTl。通過倏逝波耦合，將光信號(hào)耦合進(jìn)入聚微納光纖，發(fā)現(xiàn)聚合物微納光纖具有良好的光傳輸性能。綜上所述，聚合物微中m大學(xué)碩基于聚合物話納光纖交叉疊中m大學(xué)碩基于聚合物話納光纖交叉疊加結(jié)構(gòu)的光子器第三章三維光子器件3．1引基于二維平面的光子集成器件在過去已得到了廣泛的研究，并已得應(yīng)用。但是在二維平面內(nèi)集成器件，集成度受到了一定程度上的限制，器件的排只能局限在同一平面內(nèi)．而且輸入輸出端口難于實(shí)現(xiàn)大數(shù)量的連接【9j。為解決些問遙，三維光集成應(yīng)運(yùn)而生。通過晶片粘合[24,2”、光亥lj[26-”1、激光直寫阱-311、離子注入132,33}(a)晶片粘臺(tái)法I圳；(b)光刻{去口7】：(c)激光直寫法㈨；(由氧離子注入三維集成的方法。不僅解決了大數(shù)量輸入輸出端口的連接問題，而且還提了光子器件的集成度，此外，三維集成的器件還可以使光信號(hào)在三維空間內(nèi)對(duì)三維光予器件的研究部分內(nèi)窖已發(fā)表在卻舾￡蝴上(第一作者)中山太學(xué)碩士{＆論基十聚臺(tái)物微∞№纖奎夏i舶镕構(gòu)∞№子器中山太學(xué)碩士{＆論基十聚臺(tái)物微∞№纖奎夏i舶镕構(gòu)∞№子器和分配，從而大大地提高了光路設(shè)計(jì)的自由度?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，并考慮到器微納化的需求，因此，將三維集成的概念推廣到微納光纖的研究領(lǐng)域，嘗試?yán)频木酆衔镂⒓{光纖在三維空間內(nèi)組裝光子器件，試圖獲取自由成度更高的微納光子器件采用一步拉制法制作出聚合物光纖后．將聚合物光纖置于鍍了氟化鎂薄膜(厚度約1岬)的玻璃片上。利用顯微操作系統(tǒng)，將聚合物光纖在三維空弋夕移22圖3-I利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)所組裝的三維器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌表征。圖3-的SEM圖所示的是由兩根聚合物光纖交叉疊加而成的2×2結(jié)構(gòu)，其中聚合物纖1的直徑是nm，聚合物光纖2的直徑是408nm，它們之間的交叉角度是47圖3-2交叉疊加2×2結(jié)構(gòu)的SEM圖像，聚合物光纖I的宣徑是聚合物光纖2的直徑是408nm．它們之間的交叉角度是4r中自大學(xué)壩十學(xué)位論基于聚合物微納光纖中自大學(xué)壩十學(xué)位論基于聚合物微納光纖交衛(wèi)疊力口結(jié)構(gòu)的光f％在組裝兩根聚合物光纖2X2結(jié)構(gòu)之后，還采用三根聚合物光纖組裝三維結(jié)構(gòu)。圖3．3所示的3X3結(jié)構(gòu)是由三根聚合物光纖組成，聚合物光纖3(直徑nm)處于最上層，聚合物光纖2(直徑1100nm)其次，聚合物光纖l(直徑am)處于最下層。而在圖3-4所示的三角形結(jié)構(gòu)中，聚合物光纖1的直徑是聚合物光纖2的直徑是721nm，聚合物光纖3的直徑是385nm，它們之間角度口、B和Y分別是30。、65。和85。，插圖是相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3．5所示是一個(gè)不等號(hào)形結(jié)構(gòu)，聚合物光纖I和3交疊在聚臺(tái)物光纖2的上方，聚nm、1296rtrn和nm的直徑分別是577㈧閏3-4三角形交叉疊加結(jié)構(gòu)的SEM圖像，聚臺(tái)物光纖1、2和和385ran，交叉角度a、B和分別是30。、65。和85。!!!!塑圖3石井!!!!塑圖3石井字形交叉棰加結(jié)構(gòu)的SEM圖像．聚合物光纖1、2、34的直徑分別是1750nm、1370nm、nm和1120nm可見，在顯微操作系統(tǒng)的幫助下，可以將多根聚合物光纖在三維空間內(nèi)根中山大學(xué)頸f學(xué)位論基于瘴臺(tái)物罐納光中山大學(xué)頸f學(xué)位論基于瘴臺(tái)物罐納光纖變置疊加結(jié)構(gòu)的光子群3．3為簡(jiǎn)單起見，首先研究三維器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：2x2結(jié)構(gòu)，研究?jī)筛B加的聚合物光纖間的耦合效率與交叉角度或線ffIJ距離的關(guān)系圖3．7交叉疊加2x2結(jié)構(gòu)的通光被果圖，聚臺(tái)物光纖1和2的釋均為 m．交叉角度是100，插幽是相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意幽圖3-7所示的是一個(gè)2x2結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微圖，其中聚合物光纖I和2的均為nm．交叉角度是100，右上角的插圖是相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。利用倏逝波合的方法，將波長(zhǎng)為650nm的紅色光從端幾B耦合進(jìn)入聚合物光纖2。由圖可見，紅色光在通過交叉點(diǎn)之后，分為兩束，分別傳輸?shù)搅硕藥譪和端口D。對(duì)實(shí)驗(yàn)的這種分光狀態(tài)，利用Rsoft軟件，模擬了兩根交叉疊加的聚合物光纖間中山大學(xué)碩上學(xué)圖3．8合物光纖的直徑都為825nnl，其中的插圖是兩根聚合物光纖的結(jié)構(gòu)示意中山大學(xué)碩上學(xué)圖3．8合物光纖的直徑都為825nnl，其中的插圖是兩根聚合物光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。由3．8可見，當(dāng)兩聚合物光纖間交叉角度由Oo增加到400，光纖間的耦合效率由銳減到0．03％，交叉角度在400之后，耦合效率非常低，可以忽略不計(jì)，可見光問的耦合效率對(duì)交叉角度非常敏1^崞rv套h。葺。一u_ll厶暑oU圖3-9耦合效率與聚合物光纖間距離的關(guān)研究了耦合效率與交叉角度之間的關(guān)系后，還研究了耦合效率與聚合物光間距離的關(guān)系。如圖3-9所示，隨著線間距離的增大，耦合效率顯著減小。根據(jù)一性質(zhì)，當(dāng)需要制作光耦合器件時(shí)，可以選取一個(gè)比較小的交叉角度或比較小線間距離，以保持較大的耦合效率；而當(dāng)需要減少串?dāng)_時(shí)，則應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)在定量分析兩根交叉疊加的聚合物光纖間的耦合效率與交叉角度或線間距的基礎(chǔ)上，采用倏逝波耦合的方法，將可見光導(dǎo)入各種光子器件結(jié)構(gòu)，研究這光子器件結(jié)構(gòu)的光傳輸與分配性3．4．13×3結(jié)如圖3．10的光學(xué)顯微圖所示，3×3結(jié)構(gòu)由三根直徑分別為nlTl、795和927nnl的聚合物光纖組成，將紅色光耦合進(jìn)入此3×3結(jié)構(gòu)的效果如圖3．10示，其中的插圖是相對(duì)應(yīng)的交疊結(jié)構(gòu)示意圖。由圖3．10可見，紅色光從A端口中m大學(xué)倒{學(xué)位論畢r聚合物融納光纖女Z疊m镕掏∞№7*路傳輸?shù)浇涣x點(diǎn)后，中m大學(xué)倒{學(xué)位論畢r聚合物融納光纖女Z疊m镕掏∞№7*路傳輸?shù)浇涣x點(diǎn)后，均勻分成三柬，分別傳輸?shù)蕉碎T合入聚合物光纖2厲C和D，此時(shí)，光被分配到了三根處于不同層次的聚合物光纖罩。經(jīng)測(cè)算，端口76C和D的分光比為31，插入損耗(10logI。(P艟H儼_^))為具有比較低的損耗和比較均勻的分光效果l刳3-10受義瞢加3x3結(jié)構(gòu)的堪光效果顯微圈，策臺(tái)物光纖l、2和3nm和927哪，插幽是壁義蔣加結(jié)構(gòu)的示意直釋分別是3．4．2不等號(hào)形斟3．11所示的小等弓形結(jié)構(gòu)由三根聚臺(tái)物光纖組成，聚☆物光纖1和2處第一層，聚合物光纖3處F第二層，直徑分別是1026nm、1291nm和655nm。圖3—11中，如白色箭頭所示方向，2l‘色光同時(shí)從端口A和B輸入，并在交叉點(diǎn)C、D和E分光比為028：O29：026，捕入損耗為08ldB，紅色光從第一層被部分地分配到H3-】1不等吁形結(jié)構(gòu)的通光效果履微|墊』，聚臺(tái)物光纖l、2和3的亢別是1026nm、1291nm和655nm，插剛是交義營(yíng)加寶i=i構(gòu)的示意嘲中m上學(xué)崾fJ堆f聚臺(tái)物散納光纖童叉疊加結(jié)構(gòu)的光r≈3．4．3井字形中m上學(xué)崾fJ堆f聚臺(tái)物散納光纖童叉疊加結(jié)構(gòu)的光r≈3．4．3井字形結(jié)如圖3—12所示，聚合物光纖1、2、3和4的卣徑分別是nm、1393rim、nm和1327nm。將紅色光耦合入井字形結(jié)構(gòu)的效果如圖3．12所示。紅色光從端A和B同時(shí)輸入(方向如白色箭頭所示)，在交叉點(diǎn)I、II、11I和Iv都出現(xiàn)了C、D、E和F的分光比為033：024：007：0I3．插入損耗為114dB端幾個(gè)結(jié)構(gòu)相比較而言，此處井字形結(jié)構(gòu)的插入損耗相對(duì)比較大。插入損耗主結(jié)為傳輸損耗和交叉點(diǎn)處的散射．而交叉點(diǎn)處的散射尤為顯著。這是因?yàn)榻涣x豳3-12井字形結(jié)構(gòu)的通光效果曼微幽，聚臺(tái)物光纖l、2、3和4的直示意圖am和1327nm，插削是交義疊加結(jié)3．5小利用顯微操作系統(tǒng)，將一步拉制法制作的聚合物光纖在三維空間內(nèi)交叉疊加形成具有多層結(jié)構(gòu)的三維光子器件。模擬和實(shí)驗(yàn)均表明，這種多子器件，可以很好地實(shí)現(xiàn)光的傳輸與分配，使光可以被分配到處合物光纖中傳輸。同時(shí)，聚臺(tái)物光纖問的耦臺(tái)斂率與交叉角度或定量的關(guān)系，園此，在制作器件時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)整交叉角度或線離，從而獲取所需的耦合效率中m大學(xué)碩±學(xué)位論媾于聚合物微納光纖空R疊加結(jié)構(gòu)的光f#中m大學(xué)碩±學(xué)位論媾于聚合物微納光纖空R疊加結(jié)構(gòu)的光f#第四章全光邏輯4．1引近幾年，單根微納線的電學(xué)特性得到了廣泛的研究‘”娜I邏輯門13。3”、場(chǎng)效應(yīng)管p5，37，3941】和發(fā)光二極管口8,42嚕電子器件被科研工作者先后作了出來，這些結(jié)構(gòu)可以用于組裝更為復(fù)雜的電子邏輯器件，對(duì)于電子集成重要的意義。而另一方面，微納線的光學(xué)特性也得到了深入的研究，并且基納光纖的耦合器Ⅲ、MZI[“I、激光器㈣等光了器件也紛紛被制作出來，但在本論文l章中，介紹了3×3結(jié)構(gòu)的光傳輸與分配的情況。一方面=維平面結(jié)構(gòu)類似，這種三維的結(jié)構(gòu)uT以實(shí)現(xiàn)耦合分束的功能：另一方研除此之外，如果將光從不同的輸入端口耦合進(jìn)入，輸出情況將會(huì)出現(xiàn)迥異于二平面結(jié)構(gòu)的輸出情況。這一現(xiàn)象，有望用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯編碼功4．2首先利用Rsolt軟件模擬了光從3×3結(jié)構(gòu)不同端口輸入時(shí)的輸出隋況。罔是3結(jié)構(gòu)的示意圖，聚合物光纖l、2和3分別處于第一、圖4-1交叉替加3×3中山大學(xué)碩士學(xué)位論蕈十泉告中山大學(xué)碩士學(xué)位論蕈十泉告鈁徽納光纖交叉疊加結(jié)柯的光子器一舞≮，uco量#∞cojs∞一E∞cPJ卜一辭一}^ucm面H扛oco!s∞一￡∞c曼J_一辭一}^ucm量#。cols∞一E∞cⅢ上圖4_2軟件模擬從不同輸入端口輸^光信號(hào)時(shí)的情況，各數(shù)據(jù)圈曲線右邊顯示輸出端口P、Q和R的輸出光強(qiáng)：Ca)A端121輸入；(b)B端口輸^；(c)c12輸入軟件模擬時(shí)，分別將光信號(hào)輸入左邊的輸入端口A、B和C，然后分別檢邊輸出端口P、Q和R的輸出光強(qiáng)。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)光信號(hào)從A中山大學(xué)碩上學(xué)分別有70．8％，25．0％和2．3％的光信號(hào)從P、Q和R端13輸出，如圖4-2(a)所示而當(dāng)光信號(hào)中山大學(xué)碩上學(xué)分別有70．8％，25．0％和2．3％的光信號(hào)從P、Q和R端13輸出，如圖4-2(a)所示而當(dāng)光信號(hào)從B端口輸入時(shí)，分別有24．7％，48．9％和24．7％的光從P、Q和R13輸出(圖4-2(b))。在圖4-2(c)中，光信號(hào)從C端口輸入，相應(yīng)地，P、Q和R口的輸出光強(qiáng)分別是2．7％，24．5％和70．9綜合以上模擬的結(jié)構(gòu)，如果把輸出光強(qiáng)大于10％的值判定為1，輸出光強(qiáng)小10％的值判定為0，則圖4．2的模擬結(jié)果可以歸納為表4．1交叉疊加3×3結(jié)構(gòu)的輸入輸出數(shù)據(jù)All0不同的端口輸入，對(duì)應(yīng)不同的輸出狀態(tài)，這跟數(shù)字電路中的編碼器非常相似。此，根據(jù)不同的輸出狀態(tài)也可以反推出相對(duì)應(yīng)的輸入端口，從而實(shí)現(xiàn)一定的邏判斷功能4．3實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)全光邏輯結(jié)為了驗(yàn)證模擬的結(jié)果，實(shí)際組裝了一個(gè)3×3結(jié)構(gòu)來進(jìn)行通光實(shí)驗(yàn)。圖是3×3結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微圖，其中的插圖是相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖，聚合物光纖lam，聚合于第一層，直徑為1600am，聚合物光纖2處于第二層，直徑是nlilam。如圖4．3(b)，當(dāng)波長(zhǎng)為端A輸入聚合物光纖1時(shí)，端口P、Q和R的輸出光強(qiáng)分別是58．4％、19．7％的輸出光(圖4-3(e))，光強(qiáng)分別是23．4％、30．0％和26．2％。圖中部下方的插圖示意了紅色光由聚合物光纖2倏逝耦合進(jìn)入聚合物光纖1和聚合物光纖3的情形和R的輸出光強(qiáng)分別是1．4％、22．9％和55．5％，，消光比(10·loglo(P開／P中m^學(xué)顧1一≠＆論摹f※臺(tái)物徽納光纖交女疊∞結(jié)椅日勺m于g中m^學(xué)顧1一≠＆論摹f※臺(tái)物徽納光纖交女疊∞結(jié)椅日勺m于gdB。圖中部F方的插圖，示意了紅色光由聚合物光纖3倏逝耦臺(tái)進(jìn)入聚合物纖2的情形。光信號(hào)從幣同端口輸入，對(duì)應(yīng)不同的輸出狀態(tài)，這種現(xiàn)象于3x3結(jié)構(gòu)在交叉點(diǎn)處的三維交疊構(gòu)形。聚合物光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，在交叉處可以高效率地耦臺(tái)進(jìn)入相鄰的聚合物光纖，而耦合進(jìn)入不相鄰的聚合物光光則極少。綜合圈4．3的實(shí)驗(yàn)情況，同樣可以用表4—1光，聚合物光纖1、2和3的直徑分別是幽牟3交叉疊加3×3結(jié)構(gòu)未通光和通光時(shí)的光學(xué)顯微鏡劇像：(a)未和j260r插圖是交叉疊加結(jié)構(gòu)的示意圖；(b)光從A光耦臺(tái)示意圖；(c)光從B端口輸入．插圖姓交叉點(diǎn)處的光耦合示意幽(d)光從C在此基礎(chǔ)上，還組裝了另一個(gè)3X3結(jié)構(gòu)．如圖4-4所示。與圖4-3的疊加次序不一樣，此處的3X3結(jié)構(gòu)是聚合物光纖1處于中間那層，聚合中m^學(xué)日，l基于镕臺(tái)物≈納光纖變X疊M結(jié)構(gòu)的光r8中m^學(xué)日，l基于镕臺(tái)物≈納光纖變X疊M結(jié)構(gòu)的光r8l、2和3的直徑分別是1480nm、nm和1110Hm。實(shí)際的通光效果如罔4_4(b)(c)和(d)所示，相對(duì)應(yīng)的真值表如表4—2所示。雖然編碼的具體數(shù)值跟罔4-3的x3結(jié)構(gòu)不一樣，但這個(gè)3×3結(jié)構(gòu)也同樣實(shí)現(xiàn)了編碼的邏輯P恩：幽r、血誓■‘，2坐幽44變霍獻(xiàn)序異J：圖-3的3x3結(jié)構(gòu)未通光和通兜時(shí)的光學(xué)顯微鏡嘲像fa)術(shù)通光，聚合物光纖1、2和3的冉徑分別是1480衄、740tun1110H世交叉疊加結(jié)杜J的示意蚓：(b)光從An輸入：(c)光從B端u輸入：(d)光從C端n輸入表4-2剴44對(duì)應(yīng)的3×3結(jié)構(gòu)的邏輯真值!!竺!二二E二二二二Ou立tput二二A11】4．4小4．4小信號(hào)分配到處于不同層次的聚合物光纖中。除此之外，軟件Rsofl模擬結(jié)當(dāng)光信號(hào)從不同端口輸入時(shí)，端口的輸出情況將發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)這種3×3維結(jié)構(gòu)的倏逝波耦合實(shí)驗(yàn)，也驗(yàn)證了軟件模擬的情況。光信號(hào)從不同的端口輸對(duì)應(yīng)不同的輸出狀態(tài)，這種現(xiàn)象可以歸因于3×3結(jié)構(gòu)在交叉點(diǎn)處的三維交疊構(gòu)纖，而耦合進(jìn)入不相鄰的聚合物光纖的光則極少。因此，當(dāng)光信號(hào)從中m人學(xué)碰h學(xué)位論畢r聚臺(tái)物磁納№纖交Z疊加結(jié)中m人學(xué)碰h學(xué)位論畢r聚臺(tái)物磁納№纖交Z疊加結(jié)構(gòu)的光r#第五章光散近些年，小尺寸的光發(fā)射現(xiàn)象己引起了人們的關(guān)注，皋于微納線m02】和光晶體”“的光發(fā)射現(xiàn)象得到了‘定程度的研究。在本論文前進(jìn)的器件結(jié)構(gòu)中使光信號(hào)更好地由根聚合物光纖耦臺(tái)進(jìn)入另一根聚合物光纖，盡量降低損耗光纖問的耦合效率會(huì)減小，同時(shí)，當(dāng)可見光在聚合物光纖中傳輸遇到交叉點(diǎn)時(shí)m于存存物理接觸，町見光會(huì)在交義點(diǎn)處部分散射．且隨著交義角度的增人，射現(xiàn)象愈加明顯，如圖5．1所示。這種敞射現(xiàn)象雖增加傳輸損耗，不利于光耦束傳輸，但交叉點(diǎn)處類似于光發(fā)射的現(xiàn)蒙，在小尺、r的照明等方面卻i一一一一一斟5-1人角度空義疊加的光散射現(xiàn)象．結(jié)構(gòu)由聚☆物光纖I(直釋3．66itrn)和f贏徑um)組裝而成t抽}刳是交義點(diǎn)處的J0部放人|芏|5,2單顏色散射陣中m大學(xué)基f※舍物錨中m大學(xué)基f※舍物錨納光纖變X疊加結(jié)構(gòu)的先于器圖5．2所示，采用四根或四根以上的聚合物光纖，分別組裝了四交叉點(diǎn)、六交叉(d)九交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)：(e)十二交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)：(f)十六交叉點(diǎn)結(jié)中m大學(xué)硬l埠位論基于聚合物微納光纖交叉疊^I結(jié)構(gòu)的光T8涎、d、g中m大學(xué)硬l埠位論基于聚合物微納光纖交叉疊^I結(jié)構(gòu)的光T8涎、d、gehfabgechfl圈5-3九交義點(diǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡瞰像(a)來通光、亮視場(chǎng)幽像．聚合物光纖平均商徑l_53Jl町，交義點(diǎn)平均直徑呻；(b)通光、亮視場(chǎng)圖像；(c)通光、暗視場(chǎng)幽像，光斑平均直釋517¨m些結(jié)構(gòu)里面。圖5．3所示的是九交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中聚合物光纖1、2、3、4、5和02岬、l06岬、的直徑分別是108pin、86IlIrI、2．03}ITll和214¨m，光纖平均直徑 53岫。交叉點(diǎn)a、b、c、d、e、中m大學(xué)顧J學(xué)位論甚于聚臺(tái)物徽納光纖交叉疊加結(jié)構(gòu)∞光f镕中m大學(xué)顧J學(xué)位論甚于聚臺(tái)物徽納光纖交叉疊加結(jié)構(gòu)∞光f镕74岫219岬、260pm、2pm、272岬和 2grn、53岬。將波長(zhǎng)為650nm的紅色光同時(shí)從左邊端口交叉點(diǎn)平均直徑5-3(b))，傳輸方向如圖中自色箭頭所示，則在各交叉點(diǎn)處．可以看到明顯的光射現(xiàn)象。而在暗視場(chǎng)下的光學(xué)顯微圖(圖5-3(c))，更清晰地顯示了九個(gè)pm、597pm、460岬、540／am、407¨m、光斑平均直徑 圖54同一個(gè)多交義點(diǎn)結(jié)構(gòu)在不同聚焦情況i-'Npmt光斑的像的平均直徑：(a)2105岬；(b)2934岬：(c)34小均為¨“；(d)3750¨mt(e)39769m；(f)4389p“；(g)5I82gm：(h)6I(i)7299m；(】)8245m；(k)lIOllm：(1)14l55m中m人學(xué)頗I學(xué)位論蟮十※臺(tái)物帶m≈纖交x§m镕構(gòu)∞№r*圖5-4是同一個(gè)多交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)在同中m人學(xué)頗I學(xué)位論蟮十※臺(tái)物帶m≈纖交x§m镕構(gòu)∞№r*圖5-4是同一個(gè)多交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)在同一放大倍數(shù)下的通光效果圈，隨著聚焦?fàn)畹淖兓?，最終所獲光斑的像的直徑也不斷變化。如白色箭頭所示方向，往多交點(diǎn)結(jié)構(gòu)里面耦臺(tái)入波長(zhǎng)為532nm的綠色光，可見在各交叉點(diǎn)處均出現(xiàn)明顯散射物距的改變，圖片的清晰度也隨之改變，交叉點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的光斑的像的苴徑逐漸50!arn：(e)3976”?；(f)43891um(g)5182Ⅲ1；(h)6189,urn；(j)82 55¨m。光斑的像的、1原束的 55,um，比原柬增大了572聚焦?fàn)顟B(tài)，從而拙敢不同直徑和距離大小的光斑的像單顴色的光耦臺(tái)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過組裝大角度多交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以獲得光散射陣列，且交叉點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的光斑直徑一般比交叉點(diǎn)直徑犬；通過改變顯5，3雙顏色散射陣L一p!一．．簍＼＼、、垮多霸一一；。圖5-5箭頭和紅色箭頭所示，插凹是局部破人凹，聚合物光纖I和2的^往分別是lIm雨I6．99um*f聚合物錨納光纖交Z§ml站柯∞光，#中口^學(xué)碰±{Ⅱ論一個(gè)點(diǎn) 同散射時(shí)，*f聚合物錨納光纖交Z§ml站柯∞光，#中口^學(xué)碰±{Ⅱ論一個(gè)點(diǎn) 同散射時(shí)，可以混合出另外種顏色的光，這可以通過疑微鏡觀測(cè)到如圖5．5所示，聚合物光纖1和2的直徑分別是527岬和699¨m，波長(zhǎng)為532的綠色光從左下角同時(shí)輸入(傳輸方向如圖中綠色箭頭所示)，波長(zhǎng)為nm紅色光從右上角同時(shí)輸入(傳輸方向如圖中紅色箭頭所示)，則在這兩根聚合物纖上，可以見到系列黃色的散射光點(diǎn)。綠色和紅色相混變成黃色，這跟色品圖(圖5—6)相吻合。在色品圖中，以不同位置的點(diǎn)表示各種色品，x坐標(biāo)的比例，Y坐標(biāo)是綠原色的比例，代表藍(lán)原色的坐標(biāo)z可由x+y+z-1推出。圖中線上的各點(diǎn)代表純光譜色，此弧線稱為光譜軌跡。從色品圖可看出，紅、綠、=原色可合成任何顏色蚓5石色揣l芏|忡】，x坐標(biāo)是紅原色的比例，y坐標(biāo)是綠原色的比例，代表監(jiān)原的坐標(biāo)z可由x+一F1推出據(jù)此，嘗試了將這種混色現(xiàn)象引入到光散射陣列里來。圖5．7叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)，四根聚合物光纖組成了個(gè)近似正方形的結(jié)構(gòu)，聚合物光纖1、2、和4的直徑分別是435岬、505岬1、460p,m和448¨m，交叉點(diǎn)a、b、c和02岬、850岬、直徑分別為pm和78¨m。如圖5-7(b)色箭頭所不)，將波長(zhǎng)為650rim的紅色光從右上角的兩根聚合物光纖3和4輸入(傳輸方向如圖巾紅色箭頭所示)，此時(shí)，交叉點(diǎn)a、c和d處均明顯可幕十爨☆物微納光纖幕十爨☆物微納光纖奎X疊mI鮚柑的光f*中m人學(xué)刪I}位論的光，交叉點(diǎn)b處也存在一點(diǎn)黃光，兩個(gè)插圖分別是交叉點(diǎn)a和c處光斑的局部大圖，虛線圓示意了光斑的直徑大小。經(jīng)測(cè)算，交叉點(diǎn)a、b、c和d處的光斑直分別為1024岬、1588¨Ⅲ、8．63pm和813岬1。圖5．8展示的是一圖是其中兩個(gè)交叉點(diǎn)a和b處光斑的局部放大圈．經(jīng)測(cè)算，交叉點(diǎn)a和b處光斑直徑分別是1257岬和924“m璉f聚臺(tái)物№納光纖交X疊M鮚掏的璉f聚臺(tái)物№納光纖交X疊M鮚掏的№}*閨5-8多交義點(diǎn)結(jié)構(gòu)的般顏色散射，兩個(gè)交義點(diǎn)a和b處光斑的直徑分別是12“m和』9．24“m。插倒是兩光斑的局部放人圖，綠色光和紅色麻覷色的箭頭所示圈5-9凹空義點(diǎn)結(jié)構(gòu)的般顏色散射，杯尺大小均為lIl丑，插H為交義點(diǎn)c處光斑局部放大圖．交義點(diǎn)c處光斑的直徑12"LLll】63胛為了定性地研究散射點(diǎn)的顏色特性和光強(qiáng)之間的關(guān)系，進(jìn)為了定性地研究散射點(diǎn)的顏色特性和光強(qiáng)之間的關(guān)系，進(jìn)行了改變輸入光的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，保持紅色光的光強(qiáng)基本不變，讓綠色光由弱變強(qiáng)的效果如圖5-9所示。在圖5-9(a)中，無(wú)綠色光，紅色光占100％，交叉點(diǎn)c處斑全紅，直徑為1．tm：在圖5-9(b)中，綠色光約占20％，紅色光約占80％，叉點(diǎn)c處光斑紅中帶淺黃，直徑為7．19岬；在圖5-9(c)中，綠色光約占50％，gm：而在圖5-9(d)中，色光約占70％，紅色光約占30％，交叉點(diǎn)c處光斑綠中帶淺黃，直徑為12．33岬可見隨著綠色光強(qiáng)的改變，交叉點(diǎn)處紅色光和綠色光的比例不同，則混出的在此后深入的研究中，可以嘗試往聚合物光纖耦合入更多顏色的光，并調(diào)所耦合入顏色光的強(qiáng)度大小，從而混合出如圖5-6所示的各種不同顏5．4小組裝了包括四交叉點(diǎn)、六交叉點(diǎn)、八交叉點(diǎn)、九交叉點(diǎn)、十二交叉點(diǎn)和十交叉點(diǎn)等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的大角度的交叉疊加結(jié)構(gòu)，研究光在各交叉點(diǎn)處的散射現(xiàn)象通過單顏色的光耦合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些大角度多交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以獲得較規(guī)則的光射陣列，交叉點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的光斑直徑一般比交叉點(diǎn)直徑大，且通過改變顯微鏡的焦?fàn)顟B(tài)，可以實(shí)現(xiàn)散射光斑的像的直徑和距離的隨意改變。通過雙顏色的光耦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種顏色的光可以在交叉點(diǎn)處較好地混合，且混合顏色隨著各顏色輸入比例的變化而變化，據(jù)此可以獲得顏色可調(diào)的彩色光散射陣列，這在小第六章結(jié)由于采用一步拉制法制備的聚合物微納光纖具有直徑均勻度好第六章結(jié)由于采用一步拉制法制備的聚合物微納光纖具有直徑均勻度好、表料。因此，本論文主要采用聚合物微納光纖組裝交叉疊加的結(jié)構(gòu)，研究這些的光傳輸和分配性能，探討其潛在應(yīng)用價(jià)值聚合物微納光纖：通過一步拉制法，從聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)溶液熔融態(tài)的聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)中拉制聚合物微納光纖，其直徑小至am。光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡的觀測(cè)表明，聚合物微納光纖具有較好的直均勻度和表面光滑度，且機(jī)械性能比較好。在精密波導(dǎo)調(diào)節(jié)架幫助下的倏逝波三維光子器件：在三維空間內(nèi)用聚合物光纖組裝了2×2、3×3、不等號(hào)形三角形和井字形等結(jié)構(gòu)，并研究其光學(xué)傳輸和分配性能。光耦合實(shí)驗(yàn)表明，這結(jié)構(gòu)可以將光信號(hào)從某一個(gè)層次的聚合物光纖耦合進(jìn)入另一層次的聚合物光纖而實(shí)現(xiàn)光功率在三維空間內(nèi)的重新分布，且插入損耗低至O．76dB。而聚合物間的耦合效率，與交叉角度和線間距離都存在著密切的關(guān)系，組裝器件時(shí)，合效全光邏輯器件：在研究三維光子器件的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了3×3結(jié)構(gòu)。軟Rsoft模擬結(jié)果顯示，異于二維平面的3×3耦合器，這種三維3×3結(jié)構(gòu)的輸出口處的光強(qiáng)不總是均勻的，這種現(xiàn)象可以歸因于3×3結(jié)構(gòu)在交叉點(diǎn)處的三維交構(gòu)形。聚合物光纖中傳輸?shù)墓猓诮徊纥c(diǎn)處可以高效率地耦合進(jìn)入相鄰的聚合光纖，而耦合進(jìn)入不相鄰的聚合物光纖的光則極少。因此，當(dāng)光從不同的端口入，則對(duì)應(yīng)不同的輸出狀態(tài)，這種特點(diǎn)能夠用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的編碼功能。實(shí)際組的3×3結(jié)構(gòu)的光耦合實(shí)驗(yàn)印證了模擬的結(jié)果，且其消光比高于10dB，插入損低至O．97dB。此外還發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的編碼情況，還跟聚合物光纖的交疊次序存在系光散射陣列：區(qū)別于上述小角度的交叉疊加結(jié)構(gòu)，光散射陣列研究采用的在物理接觸，可見光會(huì)在交在物理接觸，可見光會(huì)在交叉點(diǎn)處部分散射，且隨著交叉角度的增大，散射現(xiàn)愈加明顯。為此，組裝了四交叉點(diǎn)、六交叉點(diǎn)、八交叉點(diǎn)、九交叉點(diǎn)、十二交點(diǎn)和十六交叉點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，并將波長(zhǎng)為650nnl的紅色光和波長(zhǎng)為532nrll的綠色耦合進(jìn)入這些結(jié)構(gòu)，研究它們交叉點(diǎn)處的散射情況。單顏色的光耦合實(shí)驗(yàn)表明這些大角度多交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以獲得較規(guī)則的光散射陣列，且交叉點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的光直徑一般比交叉點(diǎn)直徑大。雙顏色的光耦合實(shí)驗(yàn)表明，兩種顏色的光可以在交點(diǎn)處較好地混合出其他顏色，且混合顏色隨著各色輸入光強(qiáng)比例的變化而變化L．M．Tong,R．R．Gattass，J．B．Ashcom，eta1．Subwavelength—silicawireslow-lossopticalguiding．Nature，2003，426：816—【2nanowiresdirectlydrawnfromopt．Express，2006，14：82-ofsilicananowiressilicaaerogels【3Lou,R．R．Gattass，etLett．，2005，5：259-【4D．J．Sirbuly,M．Law,H．Q．Yah．eta1．Semiconductornanowiresforsubwavelength【5D．J．Sirbuly,M．Law,P．Pauzauskie．etwith【6photonics【7L．M．Tong,R．R．Gattass，J．B．Ashcom，eta1．Subwavelength—silicawireslow-lossopticalguiding．Nature，2003，426：816—【2nanowiresdirectlydrawnfromopt．Express，2006，14：82-ofsilicananowiressilicaaerogels【3Lou,R．R．Gattass，etLett．，2005，5：259-【4D．J．Sirbuly,M．Law,H．Q．Yah．eta1．Semiconductornanowiresforsubwavelength【5D．J．Sirbuly,M．Law,P．Pauzauskie．etwith【6photonics【7C．J．Barrelet,A．B．Greytak,andC．M．Lieber．Nanowirephotoniccircuitelements．Nano2004，4：1981-L．Eldadaand 【8polymerintegratedoptics．IEEEQuantumElectron．，2000，6：54—[9 L．R．Dalton．Polymer-basedopticalprocessing，anddevices．Adv．Mater．，2002，14：1339·1365YLi【10interferometersassembledL．Tong．Mach-microfibers【11M．J．Weber，HandbookofOpticalH．H．Chuah，H．S．Brown，andPA．Dalton．Corterrapoly(trimethyleneterephthalate)一【12newperformancefiber．InternationalFiberJournal，1995。1：76-【13Theandstructurepoly(m—terephthalate)fibers．J．Polym．Sci．，Polym．Phys．Ed．，1976，14：263- Estructurepoly(trimethyleneterephthalate)byX—anddiffraction．Polymer,1419-【R．Jakeways，I．M．Ward，M．A．Wilding,I．H．Hall，I．J．Desborough，andM．Ginpolyesters．J．Polym．Sei．，Polym．Phys．Ed．，1975，13：799-81[16H．Herlinger．Mechanicaloffibersmade terephthalate．Chem．FibersInt．，1995，45：110一W：S．Woo，H．S．Lee，B．C．Ji，S．S．Han，K．Koo，S．S．Kim，J．H．Kim，J．-【17andW．S．Yoon．Effectofpropertiesofmelt-structurepoly(trimethyleneterephthalate)fiber．J．Appl．Polym．Sci．，2001，81：3471-[18J．-M．HuangandE-C．Chang．Crystallizationkineticsofpoly(trimethyleneB．Polym．Pbys．，2000，38：934—【19X．B。poly(trimethyleneterephthalate)．Opt．Express，2008，16：10815-[20birefringenceofpoly(trimethylene【21Q．Wang,andB．J．Li．UltracompactphotoniccouplingtwistedbyLett．，2008，8：2839-and【22B．J．Li．Assemblyofoptical terephthalate．Chem．FibersInt．，1995，45：110一W：S．Woo，H．S．Lee，B．C．Ji，S．S．Han，K．Koo，S．S．Kim，J．H．Kim，J．-【17andW．S．Yoon．Effectofpropertiesofmelt-structurepoly(trimethyleneterephthalate)fiber．J．Appl．Polym．Sci．，2001，81：3471-[18J．-M．HuangandE-C．Chang．Crystallizationkineticsofpoly(trimethyleneB．Polym．Pbys．，2000，38：934—【19X．B。poly(trimethyleneterephthalate)．Opt．Express，2008，16：10815-[20birefringenceofpoly(trimethylene【21Q．Wang,andB．J．Li．UltracompactphotoniccouplingtwistedbyLett．，2008，8：2839-and【22B．J．Li．Assemblyofopticalcouplerspolymerofevanescentcouplingbetween【parallelopticalnanowires．Appl．Optics，2007，46：1429—[24vertical【25B．L沁A．Shakoufi，R multiplexerthree-dimens