摘要
马赫-曾德尔（Mach-Zehnder,M-Z）结构电光调制器作为光子集成技术中的一种关键器件，在信号传输过程中发挥着重要作用。研究低半波电压、低插入损耗和高集成度的非线性光学电光调制器对光电子集成技术的发展有着重要研究价值。 本论文的主要工作结合国家自然科学基金、天津市重点研发计划等项目的研究内容与研究目标开展。结合不同种类的非线性聚合物材料以及无机材料的光学特性，对不同类型的M-Z电光调制器进行了结构设计和工艺开发，并对所设计的器件进行了工艺制备和光学测试。 本文主要的研究内容如下： (1)研究了传统型、不等臂型和慢光调制型的马赫-曾德尔结构硅基电光调制器，利用波束传播法和时域有限差分法，详细设计了应用于硅基电光调制器的1×2分束器，分支波导，调制臂波导和2×1合束器。研究结果表明，传统型、不等臂型和慢光调制型的硅基马赫-曾德尔电光调制器的半波电压分别为2.4V、2.2V和2.1V，器件的光学损耗分别为-2.46dB,-1.61dB,-3.84dB，器件的核心尺寸分别为450μm×2800μm,160μm×700μm,160μm×420μm。基于中国科学院微电子研究所IMECAS硅光子平台对三种类型的硅基马赫-曾德尔电光调制器进行了版图设计。 (2)研究了基于M-Z结构的聚合物电光调制器，设计了一种基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）为衬底的柔性聚合物电光调制器，选择环氧树脂基光刻胶（SU-8）作为主体材料，分散红1（Dispersered1,DR1）作为生色团，交联型非线性聚合物DR1/SU-8作为波导芯层。研究结果表明，SU-8聚合物M-Z电光调制器的半波电压为1.8V，器件的光学损耗为-1.2dB，器件核心尺寸为4000μm×22000μm。基于中国科学院纳米技术与纳米仿生研究所SINANO微加工平台对所提出的聚合物电光调制器进行了版图设计。 (3)研究了交联型非线性聚合物材料DR1/SU-8的极化工艺，设计并搭建了上下双极板式电极和探针式电极两种机械结构的极化设备，并进行了电晕式极化和接触式极化两种极化方式的工艺试验比较，得到极化电压为7000V时，采用三段式升温法（阶梯温度分别为60℃，95℃，玻璃态转换温度为130℃）对器件进行电晕极化，极化效率可达73.2%。经测试得出厚度为2μm的DR1/SU-8非线性聚合物薄膜的电光系数可以达到18.3pm/V。 (4)研究了基于M-Z结构的非线性聚合物电光调制器的制备工艺，为减少PDMS表面非极性的硅烷基团，克服其疏水性，使用氧等离子体（O2plasma）清洗（清洗功率为400W，清洗时间为5min）配合硅烷化试剂（体积分数为2%的3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane（GPTMS）与无水乙醇的混合溶液）浸泡处理进行表面修饰改性，显著提升了PDMS表面DR1/SU-8光刻胶的依附性。开发了一套从旋涂、改性、光刻、显影到金属图形化的器件工艺流程。测试结果表明，SU-8聚合物M-Z电光调制器的半波电压为2.0V，器件的光学损耗仅为-2.01dB，经光波导耦合对准平台测试可以得到明亮的近场输出光斑。
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