有機硅雜化光波導材料的制備及性能研究.pdf

1、光子技術和光子器件的迅猛發(fā)展對光子材料提出更高的要求，在眾多的光電材料中，有機/無機雜化材料由于兼具有機聚合物材料的易加工和無機材料的耐高溫等多種特性，成為近年來研究的熱點。但是目前大多的有機/無機雜化材料存在易開裂、固化周期長和光學損耗大等缺陷，限制了其應用。 本文首先以苯基三乙氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷為前驅體，制備出可紫外固化聚倍半硅氧烷PSQ-S15。PSQ-S15結構中含有C=C和Si-OH兩種可交聯(lián)基團，

2、分別以過氧化苯甲酰和1-羥基環(huán)己基苯基甲酮(IHT-PI184)為C=C鍵的熱和光引發(fā)劑，應用二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑旋涂成膜并固化后，得到不發(fā)生開裂的高平整度(均方根表面粗糙度Rq小于0.5nm)薄膜。所得固化膜在1310nm和1550nm的光學損耗分別約為0.31dB·cm-1和0.60dB·cm-1，折射率分別為1.535和1.532，雙折射小于0.0005，熱光系數(shù)均為-2.2×10-4℃-1。PSQ-S15固化膜在40～3

3、00℃范圍內未出現(xiàn)玻璃化轉變溫度，并且在氮氣氛圍中熱失重1.0wt％的溫度大于370℃。 為改善DMF在空氣中吸水可能導致PSQ-S15薄膜表面破壞的問題，制備出可直接旋涂成膜的液態(tài)有機硅雜化材料PSQ-Ls(包括PSQ-LH和PSQ-LL)。PSQ-Ls類材料是以苯基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷為前驅體，室溫酸性水解縮聚得到。PSQ-Ls結構中含有C=C、Si-OH和Si-OCH3三種活性基團，

4、應用復合光引發(fā)劑體系(光陽離子引發(fā)劑IHT-PI820+IHT-PI184)和單光引發(fā)劑體系(IHT-PI184)分別進行紫外(UV)輻照和加熱兩步固化并對固化工藝進行優(yōu)化。對于單光引發(fā)劑固化體系可獲得光學損耗較低的固化膜(在1550nm處約0.70～0.80dB·cm-1，在1310nm處約0.20～0.30dB·cm-1)。通過PSQ-LH和PSQ-LL以不同比例混合實現(xiàn)固化薄膜折射率在約1.450～1.520范圍連續(xù)準確調節(jié)，且雙

5、折射均小于0.0005。PSQ-LH固化膜的熱光系數(shù)在1310nm和1550nm處均為-2.4×10-4℃-1，PSQ-LL固化膜的熱光系數(shù)在1310nm和1550nm處均為-2.2×10-4℃-1。所得固化膜的均方根表面粗糙度Pq小于0.6nm，且折射率和薄膜厚度均具有很好的均一性。PSQ-LH和PSQ-LL固化膜的耐熱性能優(yōu)異，在氮氣下熱失重1.0wt％的溫度分別出現(xiàn)在330～347℃和365～376℃，在40～300℃范圍內均未出

6、現(xiàn)玻璃化轉變溫度。 為進一步提高該類材料的折射率和力學強度，分別以六氟雙酚A(6FDA)，4'，4-聯(lián)苯二酚(DP)和4-(4-羥基-苯基)-2H-二氮雜萘-1-酮(DHPZ)為原料經(jīng)二丙烯基醚化合物，合成出三種橋連型硅氧烷單體，進而以該三種橋連硅氧烷單體分別與二苯基硅二醇和甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷為前驅體，制備出三種含芳環(huán)橋連結構的雜化材料P-6FDA、P-DP和P-DHPZ。經(jīng)紫外和加熱兩步固化后所得薄膜同時具有較高的折

7、射率和低損耗，在1310nm處的光學損耗分別為0.39dB·cm-1、0.25dB·cm-1和0.39dB·cm-1;在1550nm處，光學損耗分別為0.63dB·cm-1、0.62dB·cm-1和0.82dB·cm-1。三種固化膜在1310nm處的折射率分別為1.525(TE)、1.550(TE)和1.558(TE)，雙折射分別為＜0.0005、0.0012和0.0028，熱光系數(shù)均為-3.0×10-4℃-1;在1550nm處的折射率

8、分別為1.522(TE)、1.548(TE)和1.556(TE)，雙折射分別為＜0.0005、0.0010和0.0027，熱光系數(shù)均為-2.9×10-4℃-1。三種固化膜在氮氣中熱失重1.0wt％的溫度分別為333℃、334℃和366℃，在40～300℃的范圍均未出現(xiàn)玻璃化轉變溫度。 PSQ-Ls類材料基本滿足制作集成光波導的性能要求。應用PSQ-LH為波導芯層，采用光刻刻蝕工藝、硬壓印光刻和軟壓印光刻等方法制作出集成光波導結構