聚合物光波导研究讲解

来源：易妖游戏网

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学号 M201072843

学校代码 10487 密级

硕士学位论文

新型聚合物光波导的研究

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摘要

伴随着当今社会的进步和发展，通信必然会朝着超大容量、超长距离的方向发展。传统的电互连存在着很多其发展的因素，而光互连与之相比，则有着损耗低、容量大、带宽高、无串扰、抗电磁干扰等优点，因此，电互连将会逐渐的被光互连所取代。光波导是光互连中的重要器件，制作光波导的材料有铌酸锂晶体、半导体和聚合物等等，聚合物材料因其加工工艺简单，价格低廉，易集成，驱动电压小等特点，引起了广泛关注。近年来，聚合物光波导的研究已成为学术界的一个热点。

本论文首先用几何光学方法和波动光学方法分析了光在平板波导中的传播特性，并介绍了分析矩形波导的马卡梯里方法。然后利用OptiBPM软件对矩形波导、梯形波导、渐变型波导进行了仿真模拟，着重对渐变型波导进行仿真，验证了渐变型波导的传输损耗比阶跃型波导的传输损耗低很多，并分析了芯层与包层的折射率差、梯形波导的倾斜角、参数g对光在波导中传播特性的影响。最后对光波导模具及光波导制作工艺进行了实验研究，研究了光波导模具的制作工艺及参数。分析了几种聚合物材料的特性，并选择了PDMS材料，以光波导模具为模板，利用刮刀法制作出矩形聚合物光波导，并对其进行了性能测试，利用截断法测得制作出的光波导的损耗约为0.3417dB/cm。

关键词：光互连聚合物光波导刮刀法

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Abstract

With the progress of modern society, the development of communication towards large capability and long distance has become an inevitable trend. There are many factors restricting the development of electrical interconnection. Optical interconnection is expected to be the technology required because of its many advantages. Its advantages include low loss, high capacity, wide bandwidth, no crosstalk, freedom from electromagnetic interference, and so on. Optical waveguide is an important device in optical interconnection. There are many materials of optical waveguide, for example, LiNbO3 crystal, semiconductor material, polymer material. Because of its simple process, low price, ease of integration, small drive voltage, polymer material has attracted wide attention. In recent years, polymer optical waveguide has become a research hot topic.

In this thesis, we use geometrical optics method and wave optics method to analyze the plate waveguide. We also introduce Marcatili method to analyze the rectangular waveguide. Afterwards, we use OptiBPM software to simulate rectangular waveguide, trapezoid waveguide, graded-index waveguide. We focus on the simulation of graded-index waveguide. The result of simulation validates that the transmission loss of graded-index waveguide is much lower than step-index waveguide. We analyze the factors that affect the light propagation characteristics, they are refractive index difference between the core layer and cladding, the tilt angle of trapezoid waveguide and parameter g. Finally, we discuss in detail manufacturing process the optical waveguide mold and the optical waveguide. We also study on analyzing the polymer material characteristics and adopt PDMS material, optical waveguide mold as a model, by doctor-balding technique, produce rectangular polymer waveguide and measure the polymer optical waveguide, the transmission loss is 0.3417dB/cm.

Key words：optical interconnection polymer optical waveguide

doctor-balding technique

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摘要 .................................................................................................................. I Abstract ................................................................................................................ II 1 绪论

1.1 引言 .......................................................................................................... (1) 1.2 聚合物光波导的特点及国内外研究现状 .............................................. (1) 1.3 本论文的主要工作 .................................................................................. (4) 2 光波导分析基础

2.1 引言 .......................................................................................................... (6) 2.2 平板波导的分析基础 .............................................................................. (7) 2.3 矩形波导的分析基础 ............................................................................ (17) 2.4 本章小结 ................................................................................................ (20) 3 光波导的仿真分析

3.1 引言 ........................................................................................................ (21) 3.2 矩形波导的仿真分析 ............................................................................ (21) 3.3 梯形波导的仿真分析 ............................................................................ (26) 3.4 渐变型波导的仿真分析 ........................................................................ (30) 3.5 本章小结 ................................................................................................ (35) 4 矩形聚合物波导的制作和测试

4.1 引言 ........................................................................................................ (36)

III

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4.2 光波导制作材料的选取 ........................................................................ (37) 4.3 光波导的制作及测试 ............................................................................ (39) 4.4 本章小结 ................................................................................................ (52) 5 全文总结与展望

5.1 全文总结 ................................................................................................ (53) 5.2 课题展望 ................................................................................................ (53) 致谢 ............................................................................................................. (55) 参考文献 ......................................................................................................... (55)

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1 绪论

1.1 引言

伴随着当今社会的进步和发展，以及人民群众日益增长的物质和文化需求，通信朝着超大容量、超长距离方向的发展已经成为必然的趋势。传统的电互连，存在很多其性能的因素，如串扰、波形失真、衰减、介质损耗、趋肤效应等等[1]。与之相比，光互连有很多优点，如损耗低、容量大、带宽高、无串扰、抗电磁干扰等等。所以，将光引入到电路板中，用光互连代替电互连，将会促进高速、大容量信息通讯网的发展，并有助于提高计算机处理的速度[2]。

光互连技术包含自由空间光互连及波导光互连[3]。自由空间光互连主要是通过光学器件的转折以及控制在空间传输的光束进行互连；在波导光互连中，光束的传输方向便是由传输介质控制的，它的传输介质主要是光纤或集成光学波导。显然，自由空间光互连在组成互连拓扑结构方面灵活性较强，但与自由空间光互连相比，波导光互连则更具有应用价值。

1.2 聚合物光波导的特点及国内外研究现状

1.2.1 光波导的分类及特点

Wheeler在1880年首次提出了“光管道”的概念，也就是现在所说的光波导，它主要是通过玻璃媒介来进行光的传播的。Schlosser在19年最先分析了矩形波导， Anderson在1965年构造了能够用于红外区的薄膜波导还有其它的平面器件、回路。Miller在1969年构造了术语“集成光学”。从此，光的传输理论、平面波导和集成光路的制作工艺得到了很大的发展。此后，光的激发、传播理论以及光学薄膜的理论便被用来设计、分析各种光波导，而且平面波导及光集成器件的制作技术也逐渐成熟起来[4]。

在集成光学发展的初期，美籍华人田炳耕便对集成光学做出了以下三条定义：光波导能够光束在其中传播；利用光波导可以制成各种光波导器件；将光波导和光波导器件集成后可以构成具有特定功能的集成光路。而现在，集成光学所包含的内容很广泛 [5]。可以根据研究的内容将集成光学分为导波光学及集成光路两个部分。导波

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光学研究的内容主要是光在各种波导中的产生、传输、耦合以及损耗等物理性质，还有与之相对应的各种波导器件（如光放大器、光偏转器、光耦合器、光路合波器、光波导开关、光调制器等等）。集成光路研究的内容则主要是如何才能把各种光波导器件都集成在同一个基片上，以形成微型的光学系统，并且能够改善这些光学系统的性能。如今，集成光学器件的种类是越来越多，新器件和新工艺也不断问世，而且应用也越来越广泛，这些都使得集成光学所涵盖的内容越来越丰富[5-8]。

光波导是各种集成光学器件的基本结构。光波导的制作材料种类繁多，而且各有其特点，我们可以根据选择的制作材料将光波导大致的分为以下几种：

(1) 铌酸锂晶体光波导

铌酸锂晶体是目前用途最为广泛的新型无机材料之一，它有着优良的电光效应、声光效应以及非线性效应。可以用铌酸锂晶体来制作光的各种控制、传输、耦合元件，但是不能够用它来做光源以及探测器。它的缺点是如果光在铌酸锂晶体光波导中传输的距离较长，会产生非常严重的模态色散效应，而且还存在着热漂移、DC漂移等一系列的不稳定因素；制作成本很高[9]。现在，主要是通过Ti扩散或质子交换的方法制作铌酸锂晶体光波导，其波导的损耗约为0.2-0.5dB/cm。

(2) 硅基二氧化硅光波导

硅基二氧化硅光波导技术的发展始于上个世纪90年代，目前，国外的研究已经很成熟。硅有化学稳定性高、热传导性好、机械强度较高、获取成本低等诸多优点，更重要的是硅基平面光波导的制作工艺可以与微电子技术实现单片集成，从而实现了微电子器件和光器件的集成。而且，这种波导的插入损耗低、集成密度较高、可以有效的与光纤进行耦合。硅基二氧化硅光波导技术的缺点主要是它与Si的集成电路工艺并不能够完全地兼容[10]。首先是这种波导很厚，其次是厚的SiO2会对IC工艺产生影响。另外，SiO2光波导器件不能够做得较为紧密。这几个缺点都将会SiO2光波导在光电集成中的应用。

(3) Ⅲ-Ⅴ族半导体光波导

此类波导的制作工艺较复杂，成本过高，与光纤耦合时的损耗很大。此外，制作这类波导时所选取的衬底的尺寸一般仅仅只有2英寸至4英寸，这一点阻碍了它成为

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光集成器件的有效载体。现在，这类波导主要还是应用在光发射及接受元件[11]。

(4) 光学玻璃波导

玻璃的光损耗极低并易于加工，从而，可以在玻璃基板上集成光波导。光学玻璃波导通常都是利用离子交换技术或化学气相沉积工艺制得[12]。现在，对于氧化物玻璃光波导的研究是光学玻璃波导的研究重点，制作氧化物玻璃光波导一般是利用离子交换技术。

(5) 聚合物光波导

聚合物材料主要有以下几个优点[13-15]：1) 损耗很低，热稳定性较高；2) 带宽较宽；3) 双折射效应小，色散小，聚合物材料的双折射率最低可达10-5-10-6，色散率可达10-6nm-1，与半导体或掺杂玻璃相比低很多；4) 热光系数高，热传导率低，聚合物材料的热光系数要比无机玻璃的热光系数大很多，可用它来制作阵列光波导光栅、热光开关、可调光衰减器等；5) 兼容性较好，根据这个特点，聚合物材料可以作为光传输介质或离子掺杂的母体，用在高速电光调制以及光学放大领域；6) 柔韧性好、价格低廉，具有良好的可加工性。

1.2.2 国内外研究现状

近年来，对于聚合物材料、聚合物波导、聚合物极化等方面的研究都取得了突破性的进展。如今，聚合物材料已经被用来制作各种光器件（如光开关、电光调制器、激光器、光纤光栅），并在光通信领域有着巨大的应用潜力。可以看出，聚合物光电器件在不久的将来将会涉及到光电子的各个领域[16-17]。下面，本人简单地介绍一下几种典型的聚合物无源器件和有源器件：

(1) 聚合物波导器件

非晶态的聚合物材料一般都具有光学各向同性的性质，因此，聚合物波导器件的损耗、双折射效应、色散效应都会有所减小。阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Gratting, AWG）和微环谐振器都是聚合物光波导器件。

值得一提的是，最近，日本庆应大学科学与技术研究院的研究人员已经研制出了渐变型波导，并通过实验验证了渐变型波导的传输损耗、串扰等与阶跃型波导相比有明显的改善，这对于聚合物波导器件的研究及光互连的发展将具有很重要的意义[18]。

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(2) 聚合物光开关

聚合物材料的热光系数一般都是很高的，比二氧化硅高了很多，因此，可用聚合物材料来制作热光开关和开关阵列。目前，已经研制出了MZI型热光开关和各种数字开关，它们在消光比、响应时间、串扰、湿度及温度稳定性等方面都有了很大的改善，这些改进加快了聚合物光开关迈入市场发展阶段的步伐[19]。我们还可以利用聚合物材料的热光特性制作出可调谐器件。但是，环境温度的变化会对聚合物器件产生很大的影响，这将会制约它的发展。

(3) 聚合物光纤

在1980年，美国的杜邦公司首先研制出了芯层材料为聚甲基丙烯酸甲酯的聚合物光纤，经过不断的研究发展，如今，聚合物光纤的制作技术已经很成熟了。聚合物光纤已经被广泛的应用在照明传输、光传感器以及局域网（LAN）等领域。聚合物光纤的优点主要在于它的柔韧性较好、数值孔径较大、易于耦合、传输距离长、质量很轻、制作工艺简单、成本较低[20]；它最大的缺点就是光传输的衰减较大，所以，聚合物光纤发展的首要问题就是如何才能降低衰减。

(4) 聚合物激光器

贝尔实验室在2000年9月研制出波长为576nm的世界上的首台聚合物激光器，之后，聚合物激光器的研究成为一个热点[21]。

(5) 聚合物电光调制器

利用聚合物材料的电光特性及介电常数较低的性质，可制得聚合物电光调制器，它的调制频带能够达到113GHz，极大地促进了电光调制器的发展[22]。

国外对于聚合物光电器件的研究起步很早，国内就比较晚了，与国际相比有一定的差距。目前，国内从事聚合物光电器件研究的单位主要有中科院长春物理研究所、中科院理化所、复旦大学、清华大学、电子科技大学、华中科技大学、东南大学、大连理工大学、西安交通大学、上海交通大学、厦门大学等。国外从事聚合物光器件研究的单位主要有美国、日本、韩国、德国、荷兰、法国等。

1.3 本论文的主要工作

本论文在第一章首先介绍了本课题的选题背景及国内外的研究现状；第二章主要

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介绍光波导的分析基础，分别用几何光学方法和波动光学方法对平板波导进行了分析，并介绍了分析矩形波导的马卡梯里（Marcatili）方法；第三章主要是利用OptiBPM软件对几种常见类型的光波导进行仿真分析，着重对渐变型波导进行仿真，将仿真结果与阶跃型波导进行比较，并分析了芯层与包层的折射率差、梯形波导的倾斜角、参数g对光场传输的影响；第四章详细的介绍了利用刮刀法制作矩形聚合物光波导的工艺，并对制作出的光波导进行测试分析，以找出改进工艺的方向，提高制作的光波导的性能；第五章是总结部分，总结了全文的工作，及将来发展的方向。

本论文工作得到了国家自然科学基金（项目编号：60677023）和国家“863”高技术计划项目（项目编号：2006AA01Z240）的资助。

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2 光波导分析基础

2.1 引言

光波导是一种能够约束并导引光的元件，它能够使光波在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播。光波导根据其形状分类，可以分为：光纤（圆柱形介质波导）、薄膜波导（平板波导）、条形波导（矩形波导）和带状波导；根据其折射率分布分类，可以分为：阶跃光波导和渐变光波导。其中，平板波导的几何形状较为简单，而且它的导模和辐射模的场分布也都很简单[23]，它还是各种复杂光波导的基本单元。因此，详尽的分析平板波导非常重要。分析光波导的模式特性，主要有以下两种方法：几何光学方法和波动光学方法[24]。

对波导的模式特性进行分析，可以采用几何光学方法：在光纤的芯径大于入射光波波长0时，我们可近似认为00，即将光波看成是由一根根的光线构成的，因此，我们可利用几何光学方法来分析光线的入射、时延（色散）以及传播（轨迹）和光强分布等特性。

因为光的本质是电磁波，故讨论光在波导中传播的最基本的方法便是利用电磁理论方法，也就是波动光学方法。这种方法是由麦克斯韦方程组出发推导出波动方程及亥姆霍兹方程，在边界条件确定时便可求其解。一般来说，如果想要全面、正确的分析波导的模式特性，需要采用波动理论，这样才能够给出波导模式全面、正确的解析结果。

两种分析方法各有优缺点，几何光学方法所具有的优点便是：分析过程简单直观，对于某些物理概念可以给出直观的物理意义，易于理解；它的缺点是：仅仅能得出粗糙的结果，而不能分析模式分布、模式耦合、包层模以及光场分布等种种现象。波动光学方法的优点是：具有理论上的严谨性，没有做任何的前提近似，因此，适合用来分析各种折射率分布的光波导；缺点是：分析过程较为复杂。

对于简单问题的分析，利用两种方法分析的结果是一致的；但是，对于较复杂的问题，利用几何光学方法分析的结果便没有波动光学方法分析的结果较全面、正确。

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2.2 平板波导的分析基础

本节将分别利用几何光学方法和波动光学方法两种方法来分析平板波导。

2.2.1 用几何光学方法分析平板波导

介质平板波导的结构如图2-1所示[25]，中间一层为芯层（厚度一般为μm量级），它的折射率为n1，芯层的上下两侧则分别是覆盖层和衬底，折射率分别为n3和n2。因为覆盖层和衬底的厚度远远的大于芯层的厚度，所以，我们可将覆盖层和衬底看成是无穷大的介质。为了构成真正的波导，要求n1必须大于n2和n3，在实际波导中，芯层一般都是淀积在衬底材料上的，而覆盖层一般都是空气，因而我们可以假设

n1n2n3，若n2n3，则称该波导为对称平板波导，若n2n3，则该波导是非对称

平板波导。

xn3n12azn2y

图2-1平板波导的纵剖面结构示意图

(1) 光线的传播路径及分类

光线在芯层中将沿着直线传播，而在芯层与衬底，芯层与覆盖层的界面上将会发生反射和折射的现象，如图2-2所示。

tirn1n3zn2

图2-2 平板波导界面上的反射和折射

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我们可以根据衬底与覆盖层中是否有折射光线的存在将波导中的光线分为束缚光线和折射光线。束缚光线就是在两个界面上都能够满足全反射条件，被完全约束在芯层内传播的光线。折射光线就是在某一个界面上或者同时在两个界面上不能满足全反射条件，在穿过界面时进入了衬底或覆盖层中的光线[26]。

设光在芯层和衬底及芯层和覆盖层的分界面上的全反射临界角分别为c12和c13，有

c12sin1nn2，c13sin13 (2-1) n1n1在这里，我们假设n2>n3，有c12c13。可知，在芯层中光线为束缚光线需要满足1c12的条件。z是光线与波导轴即z轴间的夹角，z901，我们以zc表示全反射临界角的余角，zc=90c，那么，光线发生全反射的条件变成了zzc。故入射光线成为束缚光线的条件成为

0zzc12 (2-2)

若入射光线不能够满足式(2-2)，即zzc12，那么，光线在到达界面时将会发生折射，沿z轴方向光线的能量衰减的很快。出现折射光线有两种情形，即当

zc12zzc13 (2-3)

时只出现衬底辐射，就是在衬底中存在着折射光线，但在覆盖层中并无折射光线。当

zc13z2 (2-4)

时衬底和覆盖层中都有折射光线存在，即同时出现衬底辐射和覆盖层辐射。

式(2-2)、式(2-3)和式(2-4)的条件还可总结为束缚光线：

s1 0zcon2 (2-5) n1仅存在衬底辐射：

cos1nn2zcos13 (2-6) n1n1 8

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同时存在衬底辐射和覆盖层辐射：

cos1n3z (2-7) n12由折射定律可知，光线在传播过程中必有nicoszi是个常数，脚注i=1,2,3，称其为光线不变量，我们可以用光线不变量来表示上述条件。在平板波导中存在束缚光线的条件就变为了

n2n1 (2-8)

只存在衬底辐射的条件变为

n3n2 (2-9)

同时出现衬底辐射和覆盖层辐射的条件变为

0n3 (2-10)

(2) 光的传播时延及时延差

光在芯层中传播速度为c/n1，因为光线在芯层中是沿着锯齿形状的路线进行传播的，如图2-3所示，所以当光线沿着z轴方向传播的距离为z时，走过的实际的路径长度则为

L传播这段距离所需时间为

tLz (2-11) coszn1z (2-12)

ccoszLzz图2-3 平板波导中束缚光线的传播路径

光线的传播时延则为

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n1t (2-13) zccosz若在芯层中有两条束缚光线存在，它们的传播时延将不一样，它们与z轴的夹角分别为z1和z2，两条路径传播时延差为

12最大时延差max为

n111 (2-14) ccosz1cosz2 maxn1n1n2 (2-15)

cn2根据式(2-15)可知max与n1n2成正比，由于较大的时延差将会导致很严重的多径色散，引起光脉冲的展宽，故在实际的光波导中n1n2不宜太大。光波导的衬底和覆盖层一般都是用同一种材料制作的，只是掺杂的浓度不同而已，它们的折射率差都很小[27]。

最大时延差还可以表示为

maxn1 (2-16) c其中，相对折射率差为

2n12n2n1n2n1n21 (2-17)

n1n22n12式(2-16)的结果非常重要，可用它来计算在光波导中因多径色散所引起的光脉冲展宽的大小[28]。

2.2.2 用波动光学方法分析平板波导

因为平板波导在y方向是无限延伸的，所以在平板波导中电磁场量并不是y的函数，电磁场方程的形式较为简洁。

对于角频率为的正弦电磁场，麦克斯韦方程组的第一和第二个方程如下[29-30]：

HjE；Ej0H (2-18)

在直角坐标系中，我们可以将上面的两个方程改写成以下标量形式：

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HyHxHxHzHzHyjEy；jEx；jEz zxyzxyEyExEzEyEEj0Hx；xzj0Hy；j0Hz yzxyzx假设光波沿着z轴方向传播，那么，所有的场分量均可写成如下形式：

(x,z)(x)ejz (2-19)

因而必有/y0，/zj。故上面的六个方程可以写成：

Ey0Hx (2-20)

dEydxj0Hz (2-21)

jHxdHzjEy (2-22) dxHyEx (2-23)

dHydxjEz (2-24)

jExdEzj0Hy (2-25) dx在式(2-20)、式(2-21)和式(2-22)中仅仅只有Ey、Hx、Hz这3个电磁场分量，由这3个方程可知电场强度与光波传播方向是垂直的，但磁场强度与光波传播方向并不是垂直的，故它就是沿z轴方向传播的TE波（或TE模）的场方程。在式(2-23)、式(2-24)和式(2-25)中也仅含有Hy、Ex、Ez三个电磁场分量，由这3个方程可知磁场强度与光波的传播方向是垂直的，但电场强度与光波传播方向并不垂直，故它就是沿z轴方向的TM波（或TM模）的场方程。

(1) TE模

将式(2-21)两边对x求导，并将式(2-20)和式(2-22)代入，可以得到

d2Eydx2(k02n22)Ey0 (2-26)

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式中k02200，n2r。为使电磁波能量能够集中在波导的芯层中，方程(2-26)在芯层、衬底、覆盖层中的解可以分别写成

E1yE1cos(kxx)ejz,xa (2-27) E2yE2e2(xa)ejz,xa (2-28) E3yE3e3(xa)ejz,xa (2-29)

其中E1、E2、E3是3个积分常数，kx、2、3、都是场量的特征常数， kx是芯层中场量在x方向上的相位常数，而2、3则分别是衬底和覆盖层中场量沿x方向的衰减常数。将方程(2-26)的解写成式(2-27)、式(2-28)、式(2-29)就意味着在波导的芯层中场量在x方向上呈驻波分布，解式中的kx和一起决定着驻波场的场量的波节与波腹的位置，而kx则决定着相邻的两波节之间的距离。在衬底与覆盖层中场量随着离开界面的距离按照指数规律迅速的衰减，而2和3则决定着场量衰减的速度。此种场结构可以保证光集中在芯层及芯层与衬底及覆盖层的界面附近的薄层中沿着z轴方向进行传播，这便是光波导中的传播模式(或导波模式)。

对比式(2-26)和式(2-27)、式(2-28)、式(2-29)，便可得到场量的特征参量kx、2、

3、与各层介质的折射率n1、n2、n3之间的关系，即

kx22k02n12 (2-30)

222k02n2 2 (2-31) 2 322k02n3 (2-32)

将式(2-27)、式(2-28)、式(2-29)中的Ey代入式(2-20)、式(2-21)，就可以得到三个区域中的磁场分量H1x、H2x、H3x及H1z、H2z、H3z，即

HE1y1x0E2y (2-33) H2x0E3yH3x0

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kxxHE1ysin(kxx)ejz1zj02HE2y (2-34) 2zj03HE3y3zj0E3是由xa式(2-27)、式(2-28)、式(2-29)中的3个积分常数，即场量的振幅值E1、 E2、

面上的电磁场边界条件和输入功率共同决定的。

由电磁场边界条件可得：

在xa面上：E1yE2y；H1zH2z 在xa面上：E1yE3y；H1zH3z

将式(2-27)、式(2-28)、式(2-29)中的E1y、E2y、E3y及式(2-33)、式(2-34)中的H1z、H2z、

H3z代入上述边界条件，可以得到

E1cosk(xa)E2 (2-35) E1kxsink(xa)E22 (2-36) E1cosk(xa)E3 (2-37) E1kxsin(kxa)E33 (2-38)

上述4个方程规定了E1、E2、E3之间的关系，如果需要完全确定它们，还需要知道波导的输入功率。

从式(2-35)、式(2-36)、式(2-37)、式(2-38)中消去E1、E2、E3，可以得到

kxtank(xa)2 (2-39) kxtank(xa)3 (2-40)

上述两式还可以写为

kxatan1kxatan12kxp q

3kx 13

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式中p0、1、2；q0、1、2。将以上两式分别进行相加、相减运算，便可以得到

kxdtan12kxtan13kxm (2-41)

11ntan12tan13 (2-42) 2kx2kx2式中d2a是波导芯层的厚度，mpq0、1、2、，npq、1、0、1、2、，实际上n只需取0和1即可。在mpq取偶数时，n取0，芯层内的场量Ey在x方向按余弦函数分布；而当mpq为奇数时，n取1，芯层内的场量Ey在x方向按正弦函数分布。因此，我们还可将芯层内的场量写成以下形式：

E1yE1cos(kxx)ejz (2-43)

和

E1yE1sin(kxx)ejz (2-44)

式中

11tan12tan13 2kx2kx此时式(2-43)所给的场解对应与式(2-41)中的m取偶数，而式(2-44)给出的场解着对应着式(2-41)中的m取奇数。

式(2-41)称为平板波导的特征方程，将它和式(2-30)、式(2-31)、式(2-32)联立求解，便可求得场量的四个特征参量kx、2、3、，求出kx、2、3、以后即可求得，从而得到TE模的场量。

(2) TM模

利用相同的方法，也可以求得式(2-23)、式(2-24)、式(2-25)在波导中的解，即TM模的电磁场分量，求得其横向电磁场Hy的表达式为

cos(kxx)jz H1yH1e,xa (2-45)

sin(kxx)H2yH2e2(xa),xa (2-46) H3yH3e3(xa),xa (2-47)

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TM模式的本征方程为

kxdtan12n12kn2x2tan13n12kn2x3m (2-48)

2112n1213n1 (2-49) tantan222kxn2kxn3式中m0、1、2、。

(3) 传播模和辐射模

在特征方程式(2-41)和式(2-48)中，模式序数m均可以取0、1、2、等一系列的整数。这表示在波导中存在着很多的TE模和TM模，但这并不是说这些模式均可以在波导中传播。如果特征参量2和3都是正实数，z轴方向的相位常数肯定也是正实数，这就表明场量在z轴方向上呈无衰减的正弦行波特性。然而，在衬底和覆盖层中，场量将会随着离开芯层表面的距离按照指数规律迅速的衰减。所以，我们就称这样的模式为传播模式(或导波模式)。若2和3中有一个是虚数，或者两个均是虚数，那么，在衬底或覆盖层中，场量在x轴方向上将会呈行波的特性，即场量在向z轴方向传播的同时还在衬底或覆盖层中形成x轴方向的辐射。显然这种模式不可能沿z轴方向传播很长的距离，所以我们称这种模式为辐射模式。

2222k02n2由式(2-31)、式(2-32)可以看到：2，322k02n3。如果n2n3，

在、k0值相同的条件下， 2有可能就会成为虚数，即首先会出现衬底辐射。而、

2、3都是正实数的条件则是

k0n2k0n1 (2-50)

这就是传播模式(或导波模式)相位常数的取值范围，这与几何光学分析方法得出的结果是完全一致的。

如果k0n2，则2成为虚数，这时电磁场即成为辐射模。即辐射条件为

0k0n2 (2-51)

值得注意的是，对辐射模，可以连续取值，也就是说辐射模谱是连续的，但是导波模的只能取离散的值，即传播模或导波模谱是离散的。

波导中的任何可以存在的电磁场总是可以表示为若干个TE模式和TM模式以及具

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有连续谱的辐射模的叠加。

(4) 导波场分布

这里，我们以TE模为例，对电场分量Ey的分布特点给予定性的讨论。首先讨论TE0模，在波导中，其Ey分量在x方向的分布函数具有以下特点：

Eycosk(xx) (2-52)

由特征方程式(2-41)，当m0时，由

kx232a，232 (2-53)

其中，2tan1(2/kx)，3tan1(3/kx)。Ey的分布函数则为

Eycos(232ax232) (2-54)

由上式可知，当xa时，Eycos3；当xa时，Eycos2；当

(23/a2x)(23)/2xm(23)a/(23)时Ey达到最大，而且只有一时，即

个极大点，没有场量为零的点。在n2n3条件下，23，23，这时xm0，这说明场量Ey的最大值出现在x0区域，即靠衬底一侧。

对于TE1模，其场分量Ey的分布函数为

Eysin(232ax232) (2-55)

由上式可知，在axa范围内，场量的相位变化为kx2a23。在xa时场量的相位因子为/22，在xa时场量的相位因子为/23，所以在

axa区域，场量在(23)x/(2a)(23)/2/2时达到极大。这说明

在x方向上场量Ey有两个极大点。在(23)x/(2a)(23)/20时场量为零，也就是说在x方向上有一个零点。

对于TE2模，其场分量Ey的分布函数为

Eycos(232ax232) (2-56)

采用相同的方法，可看到场量Ey在axa区域有三个极大点和两个零点。推而广

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之，模式序数m表示场量Ey在芯层中取零值的个数或者Hz在芯层中取极大值的个数。也就是芯层内场量驻波分布的“完整的半驻波”数。

所有各类模式的场量在芯层之外的区域，沿x轴方向，都按离开芯层表面的距离呈指数衰减分布。2、3决定了衰减的速度，由于n2n3，23，所以场量在覆盖层中衰减比在衬底中衰减的要快。2、3都随工作波长变化，短，k0大，则2、

3大，波在覆盖层和衬底中就衰减得更快。一个极端的情形是，当0，k0时，

2、3，电磁场完全集中在芯层中，这就是几何光学情形。

2.3 矩形波导的分析基础

矩形波导的严格分析是非常困难的，一般地，我们只有在一些近似条件下才对它进行分析。本节将利用马卡梯里方法来分析矩形波导，图2-5为矩形波导的横截面图。

ⅨⅡb2ⅥⅠⅤⅣa20a2b2ⅢⅧⅦ

图2-5 矩形波导的横截面图

可以将矩形波导的横截面分成9个区域，要求得矩形波导的严格场解，首先应该在这9个区域中分别写出波动方程的可能解，然后将电磁场的边界条件代入这9个区域可能的解中，以得出场解的特征方程，从而求得各区域中的电磁场解，此种求解过程非常的复杂。

对于一个导波模式，由于电磁场量在角上区域将会随着离开带条表面的距离的增加呈指数衰减，故这些区域的场是比较弱的，可以忽略不计。这种近似方法便是马卡

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梯里近似方法。

y(1) Emn模 y模式的特点： Emn1) 9个区域中的场量在z轴方向上的相位常数均一样，以表示。此条件表明这9个区域的光波沿着z轴方向传播的速度相同，便保证了在z轴方向各点的电磁场边界条件都能够满足。

2) 在波导的横截面内，I区内的场量沿着x轴和y轴方向上都呈驻波分布。在周围的4个区域内，在与带条界面相垂直的方向上，场量是呈指数衰减分布的，但是，在与带条界面平行的方向上，场量是呈驻波分布的，它的分布函数与I区中的场量是一致的，从而确保电磁场边界条件得到满足。

y对于Emn模式，横向场分量以y方向的电场及x方向的磁场占主要地位。根据以上

对9个区域的场分布规律的定性描述，我们可以将x方向的电磁场Hix写成

H1xH1cos(kxxx)cos(kyyy)ejz(yb/2)jzeH2xH2cos(kxxx)e2(yb/2)jz (2-57) eH3xH3cos(kxxx)e34(xa/2)jzHHcos(ky)ee4x4yyHHcos(ky)e5(xa/2)ejz5yy5x式中a和b分别为在x方向和y方向上带条的尺寸；H1、H2、H3、H4、H5为各区域中磁场的振幅因子，它们之间的关系由xa/2和yb/2面上的边界条件共同确定；是z方向相位的常数；kx、ky分别是I区内场沿x方向、y方向上的相位常数；2、3、4、5分别是带条的四周II、III、IV、V区域内场量在与界面垂直的方向上的衰减常数，这几个特征参数之间的关系如下：

2kx2ky2k02n12222222kxk0n2222223kxk0n3 (2-58) 22222kky0n442k22k2n2y055 18

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x、y是两个特定的相位因子，它们可以调整带条内场量腹值的位置，从而能够满足带条四周的电磁场边界条件。

y根据麦克斯韦方程组，并应用边界条件，我们可以求得Emn模的特征方程：

2212n113n1tanqkybtan22knkny2y2kxatan14tan15pkxkx (2-59) 221tan12n1tan13n1l22y2knkny2y3114tan15hxtan2kxkx式中p、q0、1、2，而l和h只需取0和1两个值。当p取偶数时h取0，p取奇数时

h取1；q取偶数时h取0，而q取奇数时h取1。将式(2-59)与式(2-58)联立，即可解得

kx、ky、、2、3、4、5、x、y等特征参数。

x(2) Emn模

x采用完全相同的办法，我们可以得到Emn模的本征方程：

221kxn41kxn5tankxamtan22nn4151kyky11kbntantany23 (2-60) 221tan1kxn5tan1kxn4x25n124n12ky11ky1tantany232式中m1、 2、3、，而则在m、n取奇数时为0，m、n取偶数时则为1。2、3、，n1、yx

对比式(2-59)和式(2-60)，可以看到，Emn模和Emn模的特征方程是有差异的。但在n2、

n3、n4、n5与n1的差别不大的情况下，当m、n取值相同时，式(2-59)和式(2-60)的解

yx的差异就很小了。这表明，虽然Emn模和Emn模的电磁场结构并不相同，但它们的特征

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参量几乎相等，因此，我们可以认为Emn模和Emn模是一对简并模。

2.4 本章小结

本章为理论基础部分，首先用几何光学方法分析了光线在平板波导中的传播特性，然后用波动光学方法分析了平板波导中光波的传播问题，并介绍了分析矩形波导的马卡梯里方法，从而更深入地了解光波在波导中的传播特性。

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3 光波导的仿真分析

3.1 引言

现在，集成光学的研究热点都主要集中在理论与器件的研究，大部分集成光学器件的研究仍旧集中在光通信领域。在集成光学的发展进程中，光波导器件的发展速度很快，之所以这么快，一方面是因为制作技术有了很大的进步，另一方面是计算机辅助设计、建模技术的发展。设计光波导器件的困难很大，如果只通过实验来设计光波导器件是远远不够的，还需要使用计算机辅助设计的手段。所以，采用有效的分析工具来设计、模拟以及优化光波导器件的功能，对集成光学的发展具有很重要的意义。

近几年来，光电子器件模拟技术得到了不断的发展，这对将来发展新型、性能更好的光电子器件是十分重要的。目前，国际上分析具有复杂结构的光电子器件的方法主要有线形法、光束传播法、有限元方法、时域有限差分法、模匹配法、有效折射率法。其中，光束传输法(Beam-Propagation Method, BPM)是应用最为广泛的一种计算方法，有很多的商业软件均是建立在BPM的基础上的。BPM的优点是它简单有效、灵活性较强、易用于复杂的器件的模拟。光束传播法可以一步步地仿真光通过任何波导物质的行为，在光纤光学中，当光传播经过一可传导的结构时，其光场在任一点都可以被追踪出来，BPM还能够观察到任一点被仿真出的光场分布，并且可以同时检查辐射光及被传播的光场。

OptiBPM软件便是一款基于BPM方法、功能强大的设计仿真软件，可以用来设计和解决不同的光纤导波问题，可以用来仿真二维及三维的波导组件，并且OptiBPM软件的三维仿真可以设计出任何所需要的渐变折射率的光波导[31-32]。

本章将主要介绍利用OptiBPM软件对各种光波导进行仿真分析的情况，并着重对渐变光波导进行仿真分析。

3.2 矩形波导的仿真分析

首先，我们来介绍一下利用OptiBPM软件对光波导进行仿真的步骤，共有以下6项： (1) 光波导参数的设置，其中包括芯、包层材料的折射率以及光传输通道的设置； (2) 晶格参数的设置；

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(3) 绘制光波导的横截面图形； (4) 添加光源；

(5) 设置光源波长、计算精度等参数； (6) 仿真并输出光场分布图。

下面是OptiBPM软件的仿真流程图（图3-1）：

开始结束设置波导器件的参数输出光场设置晶格参数设置入射光波长、计算精度等绘制波导的横截面图添加光源

图3-1 OptiBPM软件的仿真流程图

(1) 矩形波导的芯层尺寸设置为50μm50μm，芯层折射率为1.47，包层折射率为1.46，波导的长度为60000μm，入射波长为850nm。图3-2为该矩形波导的折射率分布图，图3-3为光在该矩形波导中传播60000μm后的横截面光场分布图。表3-1列出了光在该矩形波导中传播60000μm过程中光场的变化过程，表3-2列出了光在该矩形波导中传播时若干个模式的光场分布。

(2) 矩形波导的芯层尺寸设置为50μm50μm，芯层折射率为1.50，包层折射率为1.46，波导的长度为60000μm，入射波长为850nm。图3-4为该矩形波导的折射率分布图，图3-5为光在该矩形波导中传播60000μm后的横截面光场分布图。表3-3列出了光在该矩形波导中传播60000μm过程中光场的变化过程。

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图3-2 矩形波导的折射率分布图

图3-3 光在矩形波导中传播60000μm后的横截面光场分布图

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表3-1 光在波导中传播60000μm过程中光场的变化过程 3299.95μm 6300.75μm 10200.55μm 15300.05μm 18000.15μm 24900.75μm 30000.25μm 36600.15μm 42600.20μm 48600.25μm 54600.3μm 60000.00μm 表3-2 波导中12个模式的光场分布图

模式1 模式5 模式10 模式15 模式20 模式25 模式30 模式35 模式40 模式45 模式50 模式60 24

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图3-4 矩形波导的折射率分布图

图3-5光在矩形波导中传播60000μm后的横截面光场分布图

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表3-3光在波导中传播60000μm过程中光场的变化过程 3600.65μm 6000.05μm 10200.55μm 15600.75μm 18000.15μm 24000.20μm 30000.25μm 36000.30μm 42000.35μm 4.40μm 54000.45μm 60000.00μm 将图3-3与图3-5相比较，表3-1与表3-3比较，不难看出：芯层与包层的折射率差变化时会影响到光场的传输情况，折射率差较大时，光场的能量能够更好的集中在波导的芯层，随着折射率差的降低，光场将向包层扩散。

3.3 梯形波导的仿真分析

由于实验中制作的波导难以得到规则的矩形截面，通常制作的矩形波导经过测试，截面为梯形截面。因此这具有种梯形截面的波导是光电子器件常见的结构，研究梯形波导有很重要的意义，本节将主要介绍梯形波导的仿真模拟。

(1) 梯形波导的芯层的长边长为50μm，短边长为45μm，芯层折射率为1.47，包层折射率为1.46，波导的长度为60000μm，入射波长为850nm。图3-6为该梯形波导

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的折射率分布图，图3-7为光在该梯形波导中传播60000μm后的横截面光场分布图，表3-4列出了光在该梯形波导中传播60000μm过程中的若干个模式。

图3-6梯形波导的折射率分布图

图3-7 光在梯形波导中传播60000μm后的横截面光场分布图

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表3-4 梯形波导中12个模式的光场分布仿真图样模式1 模式5 模式10 模式15 模式20 模式25 模式30 模式35 模式40 模式45 模式50 模式60 将图3-3与图3-7相比，表3-2与表3-4相比：即使长边长和短边长仅仅相差5μm，腰倾斜偏离直角仅为2.805，仍可由光场分布图看出，光在梯形波导中传播时较在矩形波导中传播时衰减的更快，并且，光场的能量在梯形波导中传播的过程中靠近短边长的区域能量越来越弱，在长边长附近的光场能量衰减的比较慢。

(2) 将梯形波导的长边长仍然设置为50μm，但是短边长设置为35μm，其余的条件不变，下面我们来对这个梯形波导进行仿真模拟。图3-8为该梯形波导的折射率分布图，图3-9为光在该梯形波导中传播60000μm后的横截面光场分布图，表3-5列出了光在该梯形波导中传播60000μm过程中的若干个模式。

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图3-8 梯形波导的折射率分布图

图3-9 光在该梯形波导中传播60000μm后的横截面光场分布图

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表3-5 梯形波导中12个模式的光场分布仿真图样模式1 模式5 模式10 模式15 模式20 模式25 模式30 模式35 模式40 模式45 模式50 模式60 将图3-7与图3-9相比，表3-4与表3-5相比，可以看出：长短边长相差的越多，即腰倾斜偏离直角越大，光在梯形波导中传播时衰减的越快。因此，我们在实验过程中，一定要谨慎，防止制作出的波导与矩形波导相差的较大，从而降低波导的损耗。

3.4 渐变型波导的仿真分析

阶跃波导的最大缺点是它的传输损耗很大，为降低波导的传输损耗，我们自然而然地就会想到将波导由阶梯状折射率分布波导变成渐变的折射率分布的波导，即渐变型光波导。光在渐变波导中传播时，路径是连续的“弧形光线”，故散射损耗很小。所以，对渐变型波导的研究已经成为一个热点。目前，已经有很多制作渐变型波导的技术，这些技术都已经很成熟，特别是扩散、离子交换和离子注入技术。利用光的电磁

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理论严谨地分析渐变波导非常困难，至今，除了几种典型的折射率分布（指数分布、三角形分布、平方率分布、对称双曲型分布）可以求得精确解之外，绝大多数的渐变型波导还是只能采取近似法和模拟软件来进行分析。

渐变波导的芯层折射率由以下公式确定：

ncorern112ag (3-1) 12其中，n1是芯层最大的折射率，g1时，芯层折射率分布为三角形分布，g2时，芯层折射率分布为平方率分布，g时，即为阶跃波导。

本节将主要介绍对三角形分布和平方率分布的渐变波导的仿真模拟情况，并将阶跃波导的分析情况与之比较，从而验证渐变波导较阶跃波导优越。

3.4.1 三角形分布波导的仿真分析

三角形分布波导芯层尺寸为50μm50μm，芯层最大折射率为1.47，包层折射率为1.46，波导的长度为60000μm，入射波长为850nm。图3-10为三角形分布波导的折射率分布图，图3-11为光在三角形分布波导中传播60000μm后的横截面光场图。表3-6列出了光场在三角形分布波导中传播60000μm过程中光场的变化过程。

图3-10 三角形分布波导的折射率分布图

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图3-11 光在三角形分布波导中传播60000μm后的横截面光场分布图表3-6 光场在三角形分布波导中传播60000μm过程中光场的变化过程 39.80μm 6599.90μm 9600.70μm 12299.25μm 18000.15μm 24299.35μm 31199.45μm 36299.45μm 42600.20μm 48000.40μm 549.45μm 60000.00μm 32

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将图3-11与图3-3、图3-5比较，表3-6与表3-1、表3-3比较，可以明显的看出：光在三角形分布波导中传播时比在阶跃波导中传播时光场分布更加集中，这表明三角形分布波导的芯层的束缚性更好，三角形分布波导的传输损耗较阶跃波导的传输损耗低很多。

3.4.2 平方率分布波导的仿真分析

日本庆应大学科学与技术学院的研究人员于2009年研制出的渐变型波导的折射率分布即为平方率分布，他们研制的平方率分布波导是24通道的，横截面的形状是圆形的，在850nm处的传输损耗是0.028dB/cm，在980nm处的传输损耗是0.061dB/cm，与阶跃波导相比，此种波导的传输损耗要低很多。而且，这种波导具有很低的通道间串扰，适合用来传输高速率的信号，将会促进光互连的快速发展。因此，有必要对平方率分布波导进行一下仿真分析。

我们将平方率分布波导芯层尺寸设置为50μm50μm，芯层最大折射率为1.47，包层折射率为1.46，波导的长度为60000μm，入射波长为850nm。图3-12为平方率分布波导的折射率分布图，图3-13为光在平方率分布波导中传播60000μm后的横截面光场图，表3-7列出了光场在平方率分布波导中传播60000μm过程中光场的变化过程。

图3-12 平方率分布波导的折射率分布图

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图3-13 光在平方率分布波导中传播60000μm后的横截面光场图表3-7 光在平方率分布波导中传播60000μm过程中光场的变化过程 4499.65μm 6599.90μm 9300.00μm 12900.65μm 18299.30μm 24000.20μm 30000.25μm 36299.45μm 42600.20μm 48600.25μm 54600.30μm 60000.00μm 34

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将图3-13与图3-3、图3-5比较，表3-7与表3-1、表3-3比较，也可以看出光在平方率分布波导中传播时比在阶跃波导中传播时光场分布更加集中，平方率分布波导的芯层的束缚性更好，表明平方率分布波导的传输损耗较阶跃波导的传输损耗低很多。

将图3-11与图3-13相比，表3-6与表3-7相比，可知：即使g仅仅相差1，光在两种折射率分布的波导中的传输情况也会相差很大，随着g的增大，光在波导中传播时衰减的越快，传输损耗越大。g的情形便是阶跃波导的情形。

综上可知：渐变波导的传输损耗比阶跃波导的传输损耗低，而且随着g的增大，渐变波导的传输损耗也会增大。

3.5 本章小结

本章为仿真模拟部分，分别对矩形波导、梯形波导、渐变型波导进行模拟，讨论了芯层与包层的折射率差、梯形波导的倾斜角、参数g对光场传输的影响，并将渐变型波导的仿真结果与阶跃型波导进行对比。

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4 矩形聚合物波导的制作和测试

4.1 引言

目前，制作光波导的方法主要有5种，本论文选取的制作光波导的方法是刮刀法，表4-1给出了另外4种制作光波导的方法及其原理：

表4-1制作光波导的4种方法及其原理

制作方法热模压印法原理将制作好的模具在高温、高压条件下压印包层材料片，接着将模具与之分离，便可制作出带凹槽的下包层。随后，向凹槽中注入芯层材料，再在其上覆盖上一层包层材料，通过加热和压制便可制得光波导。平板影印法用旋转涂覆的方法在基底上覆盖一层包层材料，接着在包层材料上涂一层芯层材料，通过光刻的方法制作波导，最后再在其上覆盖一层包层材料即可。光漂白技术利用一些聚合物材料的光敏成份在光照的条件下会发生光化学反应，从而在曝光部分与未曝光部分形成折射率差，制得光波导。利用改变玻璃成分的方法，将不同的离子引入玻璃中，新离子交换技术引入的离子的极化率、离子半径以及迁移率与原有离子的均不相同，利用这些现象可以提高玻璃基片上选定区域的折射率，从而形成光波导。在以上4种技术中，热模压印法对选取的制作材料的稳定性要求很高，并且，压印模具表面的粗糙度会对波导的性能产生很大的影响，把这种方法应用于超过4英寸的板子时具有很大的难度；平版影印法的缺点是控制波导芯层的尺寸很难；光漂白技

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术虽然比较简单，但是很容易受到制作材料特性的；利用离子交换技术制作出来的波导很难与PCB板集成[33-35]；而刮刀法的步骤较简单，对材料的特性没有特殊的要求，并且很容易控制波导芯层的尺寸，适于制作大尺寸的光波导，不需要特殊的设备。下面我将详细的介绍下利用刮刀法制作光波导的流程，以及对制作出的波导的测试情况。

4.2 光波导制作材料的选取

下面，本人将简要的介绍几种聚合物材料的性质和发展前景。 (1) 聚苯乙烯(Polystyrene)

1839年，德国人第一次从天然树脂中提取出聚苯乙烯，聚苯乙烯具有优良的透明性，在有机溶剂中易发生软化或溶解，具有良好的耐腐蚀性。但是它的脆性较大、耐热性也较差，在高温的情况下极易发生变形，表面硬度很低，这些特性都了聚苯乙烯的应用。

(2) 聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethaerylate，PMMA)

PMMA的工业化生产始于l932年， PMMA是无色透明的，具有良好的化学稳定性和耐侵性，应用范围很广。目前，合成PMMA的单体甲基丙烯酸甲酯的方法主要有丙酮氰醇法及异丁烯氧化法。PMMA的耐寒性很好(温度在-60℃下并无异常)，热变形温度为85~110℃，体积电阻为1015~1019cm，击穿强度为50106V/m。目前使用PMMA材料制作出的光波导的应用范围很广，2009年，日本庆应大学科学与技术研究院研制出的渐变型光波导使用的便是这种材料。

(3) 聚酯树脂(Polyester Resins)

聚酯树酯是由多元酸与多元醇发生酯化反应所产生的，在常温条件下就可以固化，但是，它在固化时收缩率很大，较易变形、透光率并不高，耐热温度为l21～260C。

(4) 环氯树脂(Epoxy Resins)

环氧树脂的种类繁多，但绝大多数的环氧树脂都是由二酚基丙烷与环氧氯丙烷缩聚而产生的。单纯的环氧树脂是没有任何的使用价值的，只有在加入固化剂后，使线型环氧树脂交联成网状体型的结构，才具有使用价值。它的性质主要是根据固化剂的种类及配合比或加热条件确定的。环氧树脂的优点主要是它具有粘结性非常好，尤其

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是对金属。环氧树脂可耐受的温度范围为80~155℃，常被用来制作光波导以及电子器件的封装。而且，利用环氧树脂制得的光波导可以半导体工艺相容。

(5) 聚苯撑(Polyphenylene)

聚苯撑在芳香族聚合物中结构最简单，它是以苯环为链的高聚物，热稳定性很高，能够在200℃下长期使用，并且具有良好的光电性能，可用其制作有机半导体或光导体。它的缺点是合成方法较为复杂。

(6) 氟塑料

氟塑料是部分氢或全部氢被氟原子所取代的链烷烃聚合物。主链上的氢原子基本上都被氟原子所代替，从而形成了性能上的特殊性。氟塑料的性能之所以得到了提高，是因为C-F键极为牢固，现在，对氟塑料的研究主要集中在如何才能提高它对环境变化的稳定性。

另外，聚酰亚胺、聚碳酸脂等材料也受到研究人员的重视，研究的重点主要是如何才能提高它们的热稳定性及对环境变化的稳定性、同微电子工艺的兼容性、工艺上的可重复性[36-37]。表4-2给出了5种聚合物材料的透光率。

实验中，我们所选用的制作矩形光波导的材料是聚二甲基硅氧烷聚合物(Polydimethylsiloxane，简称为PDMS)，也称其为亚克力。PDMS材料的优点主要是：在850nm的通信波长窗口处透明度较高(<0.1dB/cm)，可剥离性能很好，它的热稳定性也较高，模制精度极高，加工简单，可用浇注法复制微结构，可以透过300nm以上的紫外光和可见光。

表4-2 5种聚合物材料的透光率材料聚甲基丙烯酸甲酯聚苯乙烯聚酯玻璃硬质聚氯乙烯透光率 93% 90% 65% 91% 80-88%

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我们在模具制作中选取的胶为SU-8胶，SU-8胶是一种被广泛使用的负性厚光刻胶[38]。SU-8胶对紫外线范围内的光吸收度很低，从而使得在整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致，便可得到侧壁外形较垂直和深宽比较高的厚膜图形；SU-8胶的力学性能很好，热稳定性较高；SU-8胶在电镀时还可以作为绝缘体来使用。由于SU-8胶具有以上优点，目前，SU-8胶已经被应用到MEMS、芯片封装和微加工等领域[39]。SU-8胶中的各成分及其含量百分比如表4-3所示。

表4-3 SU-8胶中的各成分及含量百分比成分 GBL（-丁内酯）六氟锑酸-三甲基硫盐环氧树脂碳酸丙烯含量百分比 22-60% 0.5-5% 35-75% 1-5%

SU-8胶的光刻机理如下：光刻胶中的光引发剂在吸收光子后便发生光化学反应会生成一种强酸，这种强酸的作用便是在后烘过程中充当催化剂的角色，从而促进了交联反应的发生。只有在曝光区域才会产生这种强酸，而在未曝光区域就没有这种强酸。在接下来的后烘阶段，曝光区域在强酸的催化作用下发生交联反应，每一个环氧基都能与其他环氧基发生反应。每一个环氧基一般“预链接”有另外7个环氧基，经过扩展交联，最后便形成了致密的交联网络，而这种网络将不再溶于显影液中。然而，在未曝光的区域，光刻胶便不能发生交联反应，从而能够溶于显影液中，经过显影后便形成了掩模板的反图形[40]。

4.3 光波导的制作及测试

4.3.1 光波导模具的制作

光波导模具的制作在波导的制作过程中是比较复杂的，而且是至关重要的，模具质量的好坏将会直接影响着整个波导的传输性能。下面本人将详细的介绍光波导模具的制作，图4-2为制作光波导模具的流程图。

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清洗玻璃基底涂SU-8胶匀胶前烘UV曝光后烘显影坚模图4-2 光波导模具制作流程图

(1) 清洗玻璃基底

由于实验条件有限，我们选取普通的玻璃为模具的基底。实际上，经过氧化处理的Ti片与SU-8胶的结合性较强，更适合做模具的基底。清洗玻璃基底主要有以下两个目的：首先，要保证SU-8胶与玻璃基底能够很好的粘合，不至于在烘烤中SU-8胶与基底脱离致使制作模具失败；其次，还要保证模具槽底部能够与玻璃基底粘合紧密，这样在模具槽中填充的芯层材料不会渗入基底与模具缝隙中从而造成不可拔出而使模具的槽断裂[41-42]。

在实验过程中，我们清洗玻璃基底的一般步骤是先用清洁剂将玻璃基底表面的油污、有机物、杂质等“垃圾”清洗掉，然后在自来水中超声显影5min左右，接着在纯净水中超声显影5min以上，最后再用高压氮气将玻璃基底吹干净，这样便可将玻璃基底置于托盘中，放置在温度为200℃以上的烤箱中加热25min以上，从而将水蒸气蒸发。当然，我们这里的清洗步骤还是较为简单，如果实验条件容许，应该按照更为严格地

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步骤来清洗玻璃基底，从而将玻璃基底清洗的更加干净，利用其制作出质量更好的光波导模具。

(2) 涂SU-8胶

涂SU-8胶这一步骤在整个光波导模具的制作过程中是非常重要的，因此，在涂胶的过程中一定很谨慎。由于SU-8胶对光的敏感性，所以整个涂胶的过程都要在暗室或者是黄光条件下进行，从而防止光刻胶曝光失效。为防止在涂胶的过程中混入杂质，从而影响到制作的光波导模具的质量，涂胶的过程还需要在防尘操作室内进行，当然无尘度越高越好，并且操作室内的湿度一般都要低于40%，温度还需要控制在20-25℃左右才可以。一切条件达到了才可开始涂SU-8胶，首先便是倒胶，一般在倒胶时胶覆盖玻璃基底面积接近一半时胶的量便足够了，在倒胶的过程中一定要一次性倾倒，不能反复多次倾倒，多次倾倒会引入大量的气泡。然后便要用肉眼进行观察，观察胶内是否有气泡，对于少量的气泡，用针头挑破或者驱赶到玻璃基底的边缘即可，这样就不会影响曝光区域。如果在倒胶的过程中引入了较多的气泡，说明倒胶不合格，倒胶不合格的结果便是直接影响光波导模具的质量[43-46]。

(3) 匀胶

匀胶的过程也要求在暗室或者黄光条件下进行，我们实验室所用的匀胶机为北京创世威纳科技有限公司生产的SC-1B型匀胶机，如图4-3所示。

图4-3 SC-1B型匀胶机

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我们首先要打开连接实验所用匀胶机的真空泵，按下按钮，在玻璃基底被吸盘紧紧的吸住后便可匀胶。我们在匀胶时设置的参数基本都如下表所示，当然我们每次做实验时还需要根据环境的变化稍微改变一下设置的参数。

表4-4 匀胶机的参数设置

转速时间旋转时间（s）低速（600n/s） 10 高速（800n/s） 45-50

在匀胶时值得注意的是，务必要使玻璃基底的中心放置在匀胶机吸盘的，否则将会导致旋涂的胶面不平整，厚度不均匀，从而影响整个光波导模具的质量。

(4) 前烘

初始的SU-8胶中的溶剂含量是非常高的，因此，将SU-8胶均匀涂在玻璃基底上之后，必须进行前烘以使光刻胶中的溶剂能够充分地蒸发，从而使光刻胶固化，并与玻璃基底粘附在一起。并且，只有在光刻胶干燥时，才能够充分地进行光化学反应。

一般而言，设置的前烘的温度越高，时间越长就会使得光刻胶更好的与玻璃基底的表面粘附在一起，但温度设置的太高将会出现胶膜翘曲硬化现象的产生，从而会造成显影不干净、图形被破坏、分辨率有所降低，有的时候甚至还可能出现胶膜碳化、抗蚀能力降低的现象。如果设置的前烘的时间有所增长，那么曝光的时间也要随之变长，甚至还会出现显影不出图形的情况。但是，如果设置的温度过低，或者是时间过短，将会使得交界面处SU-8胶所含的溶剂并不能够完全地挥发出来，在曝光时将会阻碍到架桥反应的发生，从而导致在显影的时候有一部分胶将会被溶解掉，形成了浮胶或图形变形等。

这里，我们所采取的前烘方法是二步加热法，首先是低温加热，然后再是高温加热。低温的温度我们一般设置在70℃左右，高温设置在95℃左右，低温烘烤的时间一般为10min左右，高温烘烤的时间一般为50min左右[47-48]。

(5) UV曝光

前烘完成之后，需要将玻璃基底取出自然冷却，然后进行UV曝光。UV曝光是光波导模具制作中至关重要的一步，我们实验室选取的光刻机是JB-VIII型四英寸光刻机

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如图4-4所示，这种光刻机的配套条件是：交流220V、负压管道气体气、压缩空气管道、等级净化间（最好优于千级），曝光系统：光源为GCQZ200w超高压直流汞灯，曝光波长为UV360-410nm，有效曝光范围是 102mm，光强是每平方厘米10-15mw。

图4-4 JB-VIII型四英寸光刻机

实验中我们所用的掩模板有3组波导阵列，每组阵列有12个掩模条，掩模条长5cm，宽度为70μm，在掩模条组旁边有面积为100μm×200μm的矩形掩模标记，掩模板遮掩部分材料为铬（Cr）。掩模板如图4-5所示。

图4-5 实验所用掩模板

待光波导的模具冷却后，首先将掩模板固定在光刻机的夹板间，然后打开真空泵

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将玻璃基底吸附在真空吸板上，接着，调节掩模板和玻璃基底的距离，待两者紧密接触后便可进行曝光（在曝光的过程中，人应该远离曝光机）。

曝光时间的设置对整个的模具制作过程来说是非常重要的，如果曝光时间过长，那么在显影的时候模具槽的边缘就显影不掉了。但如果曝光时间设置的较短，显影液就会把模具槽的边缘显掉。曝光过程中还会遇到的一个问题是，由于实验中SU-8胶的厚度较厚，底部和顶部的曝光量必然会有差值，通常都会出现倒角现象（T-top）。目前，消除倒角的方法主要有灰度曝光、背面曝光、多次倾斜曝光、使用波长较长的光源以及减少PAG浓度等等[49]。然而，这些方法都有各种缺点，如成本太高，应用结构受，曝光时间太长等。根据多次实验的摸索，曝光时间设置为30-45s较为合适，曝光的效果较好。

(6) 后烘

后烘步骤也是光波导模具制作的关键，后烘这个阶段将是光波导模具制作工艺中起实质性变化的一个步骤。在后烘阶段，会发生交联聚合反应，使得SU-8胶在显影液中由原来的快速可溶状态变成不可溶状态或是溶解速率较小的状态。后烘和前烘一样，也分为低温和高温部分，低温温度设置为70℃左右，时间为5min左右，高温温度设置为95℃，时间为20min左右。其实，后烘时间的长短和曝光时间的长短间的关系较密切，因为曝光时间的长短决定了产生强酸的量，这种强酸将会作为催化剂来影响后烘过程中的交联反应。因此，在曝光时间较长时，可以适当的缩短后烘的时间，而曝光时间较短时，必然要延长后烘的时间，否则将会影响光波导模具的质量[50-51]。

(7) 显影

原理为：在紫外曝光时SU-8胶将会发生交联反应，从而形成了立体的交联结构，机械强度就非常高，化学稳定性也很优良，在显影过程中，在未曝光部分SU-8胶会溶解脱落，曝光部分则会保留，从而形成与掩模板图案相反的光波导模具。

显影的具体操作过程如下：先将玻璃基底放入盛有显影液的烧杯中，然后，轻轻的拨动玻璃基底，经过显影之后便会腐蚀出波导的槽。我们一般先在玻璃器皿中显影5min左右，然后再超声显影35s左右，最后在异丙醇中超声显影25s，在异丙醇中超声显影完成之后取出模具，用高压氮气将模具吹干净。这样，便可在显微镜下观察槽

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组的干净程度，如果槽组不是很干净，可以按照上述步骤再次显影，直至槽组干净为止。

(8) 坚模

显影完成之后便是制作光波导模具的最后一个步骤：坚模，之所以要进行坚模，主要是为了除去在显影的时候胶膜所吸收的那部分显影液以及残留的水分，从而能够增大胶膜与玻璃基底间的附着力，并且增强了胶膜的抗腐蚀性，还能消除显影的过程中产生的胶膜软化、膨胀和图形变形。

在实验的过程中，我们需要控制好坚膜的时间以及温度。坚膜不足的话，胶膜不能烘透，就会不是很坚固，在腐蚀的时候将会出现浮胶、严重侧蚀等现象。如果过度的坚膜，胶膜就会因为热膨胀而产生翘曲以及剥落，致使在腐蚀的时候出现钻蚀或者是脱胶的现象。

坚模的操作过程：将显影过后的模具置于烤箱中加热，温度不能太高，坚模的温度一般都在120℃到150℃左右，加热的时间则需控制在30min左右。

完成了以上8个实验步骤便制作出了光波导的模具，光波导模具的制作是个非常复杂的实验过程，每个实验步骤都要非常注意，中间的一个环节出现错误将会影响整个模具的质量。其中，曝光环节和后烘环节具有着密切的联系，但是这种联系是非常复杂的，并非简单的线性关系，这种关系还需要长期的实验操作进行摸索，从而能够提高光波导模具的合格率。

4.3.2 光波导模具的测试

光波导模具制作完成后便要对其进行测试，测试合格方可利用其制作光波导的芯层和包层，如若不合格，需要重新制作模具，并分析模具不合格的原因，以减少后面制作模具的不合格率。

判断光波导模具的质量的标准主要有以下3个：(1) 显影的干净程度，(2) 槽的边缘陡峭性以及槽的深度，(3) 模具重复利用的次数。显影的干净程度可以通过显微镜来观察，图4-6为实验中测得的一个光波导模具在显微镜下观察到的图样，从图中我们可以看出模具显影的比较干净。槽的边缘陡峭性以及槽的深度需要利用图4-7所示的台阶测试仪来进行测试。

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图4-6 光波导模具在显微镜下观察到的图样

图4-7台阶测试仪

通过台阶测试仪可以测得光波导模具槽组的深度和宽度，槽的宽度为70μm，槽的深度仅约为45μm，边缘虽然不是垂直陡峭的，但是也是很倾斜的。这里要说的是，虽然槽的宽度仅约为45μm，主要的原因是探针不可能达到槽的最底端，所以实际上槽的深度可能已经达到了60μm以上，已经达到了实验的要求，因此这个模具的质量可以看做是合格的，可以用来制作光波导的芯层和包层。至于模具可以重复利用的次数，我们可以通过每次做完实验后在显微镜下进行观察，如果槽还是很干净、表面也很平整，

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表明模具还可以继续使用。目前为止，本人实验中制作的光波导模具重复利用次数最高的为3次。如果能够提高光波导模具的重复利用次数，便可以大大降低光波导的制作成本，因此，在今后的实验中还需要努力改进，找出可以提高模具重复利用次数的方法，从而降低光波导的制作成本。

4.3.3 光波导芯层、包层的制作

经过测试合格的光波导模具便可以用来制作光波导的芯层和包层，制作光波导的芯层和包层的流程图如图4-8所示。

清洗光波导模具调配芯层和包层材料制作光波导的芯层制作垫层和承载片制作光波导上包层制作光波导的下包层

图4-8 光波导芯层和包层制作流程图

(1) 清洗光波导模具

首先，我们用酒精和丙酮擦拭模具表面的脏东西，值得注意的是，在用丙酮擦拭时，不能用其擦拭槽组，擦拭槽组需要使用的是异丙醇。接下来，用清洁剂对模具进行清洗，用清水冲洗干净。然后，用异丙醇对槽组进行清洗，并在异丙醇中超声40s左右。最后，还要用高压氮气将模具吹干净，并在烘箱中将水蒸气蒸发掉。在用高压氮气吹模具时需要轻轻地吹槽组，不能过于猛烈，如果过于猛烈，将会影响到模具的质量。一般制作的光波导模具均可以重复利用，所以这里讲得这么详细的清洗方法主要是针对再次使用的模具而言，如果是初次使用的模具，清洗步骤可以简单一些，因为刚刚制作出的模具经过显影后已经很干净，但是在用其来制作波导的芯层和包层之前还是需要经过清洗才能使用，这样才能保证制作出的光波导的性能更好。

(2) 调配芯层和包层材料

调配芯层和包层材料就是将PDMS预聚体和对应的固化剂严格地按照质量比为10：1的比例进行混合。由于经过固化后的PDMS表面能有所降低，表面亲水性和粘

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结性都会变差，表面将会呈现出憎水性和惰性，因此，液体在PDMS微通道中很难流动，所以在调配芯层和包层材料时需要加入一定量的缓冲剂以延迟固化。实验室中用的电子秤是精度为0.001g的电子秤，如图4-9所示。按照比例配好的芯层和包层材料需要进行充分地搅拌均匀，否则，将会导致折射率不均匀的现象发生。即使材料经过充分地搅拌均匀，这些材料里面仍然会有很多的气泡，如果不对这些气泡进行处理便用来制作光波导的芯包层，会严重的影响到光波导的质量。因此，接下来，需要对其进行抽真空处理，尽可能的排除芯包层材料里面的气泡，实验室所用的抽真空的机器为机械泵，抽真空的时间一般在40min左右即可。

图4-9 实验所用电子秤

(3) 制作光波导的芯层

在每组槽的一端倾倒适量的匹配好的芯层材料，用无尘纸裹着刀片便可沿着槽的方向进行刮拭，要将芯层材料填充在每组的12条槽内。在刮胶的时候，尽量每刮一次都换一次无尘纸，这样便可避免第二次刮胶时芯层材料附着在模具的光刻槽之外的部分。由于模具表面很容易被划伤，所以在用刀片刮胶时不要太用力，要轻轻地刮，以免刮伤模具表面。至此，便可将填充好芯层材料的模具放置于烘箱内，在70℃下烘烤15min左右。

(4) 制作垫层和承载片

制作波导的上下包层，除了需要包层材料之外，还需要制作垫层和承载片，垫层

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是用来控制波导的厚度的，承载片则是用来支撑波导的。我们实验室所用的制作垫层和承载片的材料均为厚度为110μm的FR4背板，垫层是两个长方形的条子，长方形的长度要与槽的长度一致，宽度要根据最外侧槽的位置来决定，承载片的尺寸与模具的尺寸一致。将垫层和承载片制作好后需要用酒精和丙酮擦拭干净，放入洁净的培养皿中，待制作波导的上下包层时使用。

(5) 制作光波导的上包层

将填充好芯层材料的模具烘烤后取出，待其自然冷却之后便可制作光波导的上包层。首先，将垫层固定在模具的槽组边缘，接着，用少量的包层材料覆盖在芯层材料的上面，将引入的气泡驱赶至边缘处，放入烘箱中，在70℃下烘烤30min左右。烘烤完后，待其冷却之后，再在上面涂覆包层材料，最后还需要在上面放上承载片，用滚筒碾压，使承载片与包层材料紧密接触在一起。在用滚筒碾压的时候，应该注意的是，碾压的方向要一致，不能向回碾压，以避免在碾压的过程中引入气泡，从而影响波导的质量。接下来，便可以将涂好包层材料的模具放入烘箱中，烘箱的温度设置为70℃，需要烘烤1小时左右才能取出。

(6) 制作光波导的下包层

将带有芯层和上包层材料的模具取出，待其自然冷却之后，要将材料拔出以脱离模具。在拔出材料的过程中要沿着槽组的方向拔，速度要缓慢均匀，不可太过用力。拔出后，在芯层的表面涂少量的包层材料，放入烤箱，在70℃下烘烤30min。烘烤之后取出，等其冷却，再在包层材料的上面涂上包层材料，盖上承载片，放入烤箱，在70℃下烘烤1小时左右[52]。这样，我们便完成了整个光波导的制作过程。

4.3.4 光波导的测试

制作出的光波导只有通过严格地测试，我们才能知道它的质量的好坏，所以，在这一小节中，本人将详细介绍一下光波导的测试[53-56]。

实验中我们所用的实验仪器主要有：氦氖激光器，5维调节平台，光功率计，光纤。实验中所用的5维调节平台可沿以下几个方向调节：沿着x轴方向；沿着y轴方向；沿着ｚ轴方向；绕着y轴方向；绕着ｚ轴方向。测试平台示意图如图4-10，将入射光纤放在左侧，出射光纤放在右侧，待测的光波导放在中间的载物台。

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输入光纤输出光纤氦氖激光器待测光波导光功率计高精度调节平台图4-10 测试平台示意图

图4-11 粗对准照片

实验中，我们首先使用氦氖激光器发出的可见红光进行光路对准调整，图4-11为利用氦氖激光器作为光源时的粗对准照片，实验过程如下：

(1) 将入射光纤的一端要对准氦氖激光器，另一端则需要对准待测光波导。 (2) 进行粗对准：在出射光纤的前方放置一张白纸，调节左侧的调节台以及中间的载物台,到白纸上出现清晰地红色亮斑时为止，说明基本对准。

(3) 取下白纸，调节右侧的调节台以对准出射光纤，直至光功率计示数值最大（如图4-12所示），记录光功率计的示数。

(4) 调节中间的载物台，改变所测的光波导，重复(2)- (3)步骤，最终将12条光波导的实验数据全部都记录下来。

在此次实验中，我们将利用截断法测量光波导的损耗，假设截断前的光波导的长度是L1，测得的通光功率是W1，截断后的光波导的长度是L2，测得的通光功率是W2，则光波导损耗的计算公式为

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10lg(W1/W2) (4-1)

L1L2所以，需要重复进行两次测试，先测长度为4.5cm的光波导的通光情况，再测切去了0.8cm之后所剩的光波导的通光情况。实验测得的数据如图4-13所示。

图4-12 光功率计

光功率（μw）波导长度3.7cm 波导长度4.5cm

图4-13 实验数据图

根据式(4-1)和实验测得的数据计算得出，所测的光波导的损耗约为0.3417dB/cm。实验结果的分析：光波导的损耗约为0.3417dB/cm，虽然相对之前所测的波导已经有很大的改进，但是损耗仍然很大，原因可能有以下几个方面：通过计算得出的波导

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的损耗包含了整个测试系统的损耗，入射、出射、耦合损耗也被包括在内，而这些损耗又是很大的，因此，光波导实际的损耗应该比所测得的损耗小一些[57-58]；利用截断法测光波导的损耗有一定的误差；进行调节测试的时候，会出现因为没有调节到最理想的通光效果从而产生了实验误差。

4.4 本章小结

本章首先简要的介绍了几种制作光波导的方法，然后详细的介绍了利用刮刀法制作矩形聚合物光波导的制作工艺，并对制作出的光波导进行测试，并分析实验所得出的结果。

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5 全文总结与展望

5.1 全文总结

由于信息技术的发展速度很快，传统的电互连很难能够满足高速信息处理与传输的要求，而光互连有着损耗低、带宽高、容量大、无串扰、抗电磁干扰等优点，因此，用光互连代替电互连，将能够更快的促进信息技术的迅猛发展。光波导则是光通信系统中的一个重要的器件，所以本论文对光波导展开了研究。本论文主要完成了以下几个方面的工作：

(1) 理论基础方面：主要介绍了光波导的分析基础，分别利用几何光学方法和波动光学方法对平板波导进行了分析，并介绍了分析矩形波导的马卡梯里方法。

(2) 仿真模拟方面：利用OptiBPM软件对几种常见类型的光波导(矩形波导、梯形波导、三角形分布光波导、平方率分布光波导)进行仿真分析，着重对渐变型波导进行仿真，将仿真结果与阶跃型波导进行比较；并分析了芯层与包层的折射率差、梯形波导的倾斜角、参数g对光场传输的影响。

(3) 制作工艺方面：在介绍并比较了5种制作光波导方法的优缺点的基础上，选择了刮刀法来制作矩形聚合物光波导。在对几种聚合物材料的性质和发展前景分析比较的基础上，选取PDMS材料为制作光波导的材料，对利用刮刀法制作矩形聚合物光波导的制作工艺进行了实验研究，成功制作出光波导，并进行了性能测试，对测得的实验数据进行了分析。

5.2 课题展望

通过本论文上述的研究工作，已经利用光学设计软件初步分析了相对折射率差、梯形波导的倾斜角、参数g对光场传输的影响，渐变型光波导的传输损耗与阶跃型光波导相比有明显的改善，掌握了利用刮刀法制作光波导的工艺以及测试方法。实验制作的光波导的损耗还是很大的，所以制作工艺方面还有很多需要改进的方向：

(1) 根据现有的实验条件，不可能将玻璃基底清洗的特别干净，未清洗掉的杂质会影响到光刻胶与玻璃基底的粘合程度，烘烤时光刻胶与玻璃基底很容易就会分离，导致实

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验的失败。

(2) 目前为止，实验制作出的比较好的模具的重复利用次数仅为3次，重复利用次数很低，因为制作光波导模具所用的SU-8胶价格很贵，所以这将会导致光波导的制作成本很高。如何提高光波导模具的重复利用次数还有待探索。

(3) 芯层、包层制作工艺还有待提高，光波导的损耗较大在很大程度上是取决于在制作芯层和包层时引入的气泡的多少，因此，气泡问题的解决将会使得实验制作出的光波导的损耗大大的降低。

(4) 我们现在对光波导的研究还处于实验研究阶段，利用刮刀法制作聚合物光波导的工艺很简单，而且适合制作大尺寸的光波导，但要实现大规模的工业生产还面临着很多问题，在今后的研究中还需要进行摸索。

(5) 虽然渐变型波导的各方面的性能都较阶跃型波导的好很多，但是根据目前我们实验室的条件，还不能够制作渐变型波导，我们目前对于渐变型波导的研究仅仅只限于仿真模拟，因此，接下来，本课题很重要的一个研究方向便是如何制作出渐变型波导。

在今后的工作中，需要侧重于以上几个方面进行研究，这几个问题如果能得到解决，必然会促进聚合物光波导及光波导器件的发展。

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致谢

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