基于电光聚合物薄膜的芯片式光学硅基电场传感器传感及温度特性研究

“双碳”背景下,新型电力系统的数字化转型对电力传感技术提出了更高的要求。文中针对光学电场传感器温度稳定性差的问题,提出了基于电光聚合物薄膜的芯片式光学硅基电场传感器。首先介绍了电光效应原理,电光聚合物的2阶非线性光学效应以及电光能量耦合方法,其次设计了传感器的加工流程并完成了制备,同时在敏感芯片上成功涂覆电光聚合物,最后通过搭建实验测试平台,完成了传感器的线性度、交流响应以及温度特性测试。实验结果表明,所制备的光学电场传感器在工频电场下拥有较好的线性度且灵敏度高达0.945 mV·(kV·m^(-1))^(-1),传感器在0~75℃温度范围内输出幅值及相位稳定,其幅值比最大波动为0.481 dB,相位差最大为3.82°。文中提出的传感结构切实可行地提升了光学硅基集成电场传感器的温度特性,为硅基集成光学电场传感器在电力系统中的使用提供参考方案。

电光聚合物在全光技术实现THz波产生与检测中的研究进展

研究和开发基于超短波和低能量激光系统的高振幅、宽频带的太赫兹系统一直是太赫兹应用领域的一个热点。与传统电光晶体材料相比,以电光聚合物薄膜作为太赫兹波产生和检测的最大的优势在于:一方面电光聚合物不具有晶格结构相应的不存在声子的吸收和太赫兹折射率的散射问题,避免光谱间隙的产生;另一方面电光聚合物薄膜与已用于宽频太赫兹系统中的超薄电光晶体材料相比,更易于加工和处理。另外,可以自行设计得到低相位失配和高电光系数的电光聚合物材料,得到高效率和宽频带的太赫兹辐射源。可以预见,电光聚合物在这一领域的应用必将有宽阔的发展空间和学术研究意义。介绍电光聚合物的电光效应及二阶非线性生色团合成等相关理论问题基础上,综述了近二十多年来,电光聚合物在基于全光技术实现太赫兹波产生与检测系统中的研究进展,主要包括:掺钛蓝宝石飞秒激光激发下,共聚型和主客体型电光聚合物实现太赫兹波产生与检测;光纤飞秒激光激发下,主客体型电光聚合物实现太赫兹波的产生与检测。

电光聚合物电晕极化过程中的电场和极化分析(英文)

电光聚合物材料通常采用带栅极的电晕极化技术进行处理。本文通过求解泊松方程分析电晕极化过程中聚合物内外的电场分布。将平衡状态与样品表面电位相联系,得到了平衡状态时的外部极化电流。在假定自由空间电荷的影响可以忽略的情况下,得出了外部极化电流与内部极化状态之间的简单关系。这可以在一定程度上反映极化取向的状态。

一种光交联电光聚合物的合成及其外部电光测量

合成了一种新的带有光交联基团的电光聚合物， 其高分子基体是双酚Ａ 环氧树脂， 二阶非线性生色团对硝基苯胺和光交联基团肉桂酰氯都键接在高分子链上． 将聚合物溶解后旋涂成膜，对薄膜进行电晕极化． 极化的后阶段用紫外光照射， 使聚合物体系交联成网络结构， 形成生色团取向长时间稳定的聚合物电光薄膜． 用这种聚合物电光薄膜构成外部电光调制系统，

改善多层电光聚合物调制器直流弛豫的一种简单方法的分析与模拟(英文)

电场分布和直流漂移对多层电光聚合物调制器的器件稳定性和极化效率有着重要的影响 .本文由电磁场理论建立出等效电路模型 ,分析结果表明多层聚合物调制器的稳态直流场分布取决于材料的电特性 ;材料的弛豫时间常数τ(τ=ε/σ2 ,其中σ是电导率 ,ε是介电常数 )是最大程度上消除直流场弛豫的关键 .当外加直流电压时 ,波导层的场分布由初态到稳态指数变化 ,这一过程由波导层和覆盖层的弛豫时间差决定 .当两者相差为零时 ,弛豫消失 .但在实际工艺中很难作到这一点 ,为此 ,本文经过分析、模拟 ,提出一种简单的“自抑制”机制 ,能够很好地改善多层电光聚合物调制器设计中的直流漂移问题 .

新推拉型电光聚合物中间体的二阶NLO性质的分子设计研究

在能量梯度法 (AM1 )和间略微分重叠 (ZINDO)方法基础上 ,按完全态求和 (SOS)公式编制了计算分子二阶非线性光学 (NLO)系数 βijk,βμ 的程序 ,研究了一系列新推拉型二环分子的结构、光谱和二阶非线性光学系数 β( - 2ω ,ω ,ω) ,β(ω ,ω ,ω) .考察了分子骨架 ,给、受电子取代基对 βμ 的影响及β与外场频率的关系 (即色散关系 ) .最后设计了最大 βμ 的电光聚合物中间体 .

电光聚合物薄膜传感器及其电光性能

为了获得更高的电光系数,提升电光性能的同时又能兼备良好的热稳定性和相容性,以电光聚合物材料为主体,通过化学与物理相结合的方法,制备了两种新型双电光分子聚合物传感器。测试了传感器的电光性能,实验研究了掺杂比、极化温度对器件电光系数的影响。分析可知,电光系数随着掺杂比例的增加而变大,但是如果掺杂比例过高,电光系数随着掺杂比例的增加而减小。这是由于过高的掺杂比降低了聚合物的玻璃化温度,导致相分离现象在极化过程中发生。对传感器进行了取向排列稳定性测试,结果表明,介电弛豫在中仍然存在。然而由于电光聚合物自身具有较大电光系数,即使在介电弛豫出现后,仍然可以表现出较强的电光特性,是一种高效电光传感器件。

电光聚合物调制器电晕极化和直接接触极化方法的实验比较(英文)

对调制器用电光聚合物材料的2种极化工艺———直接接触极化方法和电晕极化方法进行实验比较和分析,制备了用于极化实验的3层结构的电光聚合物调制器,给出了这2种极化方法的实验装置和极化工艺.实验发现,极化前的预处理工艺控制非常关键,否则会降低极化效率或损伤膜表面.结果表明:直接接触极化方式对膜表面的损伤较小,极化电压低,而电晕极化方式可以得到高的电光系数.直接接触极化方式极化的面积能够达到基板的尺寸.

含噻吩环的新推-拉型多环电光聚合物中间体的三阶非线性光学系数的理论研究

以 ＩＮＤＯ／ＳＣＩ方法为基础，利用完全态求和（ＳＯＳ）公式，计算了一系列新推－拉型多环电光聚合物中间体的三阶非线性光学系数γ（一ω；ω，－ω，ω）和γ（０；０，０，０），研究了γ与分子骨架、给受取代基和噻吩环数目（共轭分子链长的关系）及其与外场频率的关系，表明在链不十分长时，γ与链长的２．６９次方成正比．

主客体掺杂型电光聚合物极化条件及弛豫特性研究

实验利用紫外-可见吸收光谱研究了主客体掺杂型非线性聚合物薄膜(DR1/PMMA)的极化条件与生色团取向有序度、弛豫特性之间的关系。结果表明,在不改变其它条件的情况下,随着极化电压的增加,聚合物薄膜的极化取向有序度、抗弛豫性能得到逐步增强;而在接近于该聚合物薄膜的玻璃化温度情况下进行极化,有助于获得更好的取向有序度和抗弛豫性能。同时实验发现,环境湿度的降低则能显著地增强薄膜偶极子的取向稳定性。

有机电光聚合物层叠式光开关

采用具有电光(EO)效应的聚合物开发出了在1.3μm光波段使用的、具有良好控制性能的单模通道波导的制作方法.利用这种方法制作了具有不同层间通道波导的层叠式定向耦合器,观察到了模式耦合光在不同层间的波导.进而又在这种层叠式定向耦合器上附设了电极结构.在施加电压时,可对从上层和下层各自通道波导中出射的光进行调制.本文在对这种采用EO聚合物的波导的制作技术及其性能进行说明的同时,还阐述了将其作为开关元件使用的可能性.

电光聚合物波导中的锥形结构

提出并设计了一种基于电光聚合物的锥形波导,可用于单模光纤与电光聚合物波导器件之间的连接。锥形波导中采用了宽度锥形和折射率锥形结构。宽度锥形采用劈形形状,通过宽度和折射率的缓慢变化实现模场转换。劈形形状的宽度锥形具有较小的损耗且易于制作,折射率锥形可采用灰度掩膜光刻技术制作。研究了锥形波导的传输损耗与锥形波导的长度、波导宽度和厚度、材料吸收损耗等参数的关系及其优化,分析了锥形波导中的功率传输、模场分布与模式转换效率。结果显示锥形波导的传输损耗小于0.37dB,光纤-波导-光纤的连接损耗优于1.62dB,对插入损耗的改善达到8.78dB,模场转换效率达到了83.7%。

快速可调谐电光聚合物波导光栅

提出并设计了快速可调谐电光聚合物波导光栅.该波导光栅通过极化聚合物的线性电光效应可实现谐振波长的纳秒级快速调谐,调谐灵敏度为61pm/V.研究了该波导光栅的反射谱和透射谱特性与光栅周期,周期数,折射率调制函数及其调制大小的关系.讨论了波导光栅的材料选择,制备工艺,快速可调谐性和偏振相关性.该波导光栅不仅克服了光纤光栅调谐速度慢和不利于大规模集成的不足,而且具有调谐灵敏度高,制备工艺与半导体工艺兼容和偏振无关等优点.

基于电光聚合物的表面等离激元调制器

基于电光聚合物,提出了一种结构简单,尺寸小,效率高的表面等离激元(SPP)调制器.该调制器采用M-Z干涉仪结构的金属波导,金属周围是均匀极化后的电光聚合物,通过在金属波导两臂间加电压对聚合物折射率进行调制,折射率调制再通过M-Z干涉仪结构转化为对金属波导中SPP强度的调制.通过求解金属波导附近的电场分布,并结合SPP场分布的特点,在理论上说明了这种结构可以通过外加电压有效地调制金属波导输出端SPP的强度,调制所需的半波电压约为2.8 V.

聚合物电光调制器中M-Z波导TM模分析

M-Z光波导是聚合物电光调制器的重要结构单元。利用有效折射率法计算聚合物脊形波导的横向折射率分布,将三维光波场传播简化为二维传播。从导模满足的标量波动方程出发,结合透明边界条件,采用C rank-N icho lson差分格式,得出有限差分束传播法的基本计算格式。通过对M-Z型波导结构中TM模的传播及损耗特性进行理论分析,系统地研究了脊宽、分支角等结构参数对损耗的影响。研究表明,有效折射率法与二维有限差分束传播法的结合可以较好地解决脊形M-Z波导的设计问题。该方法具有精度高、计算量小及效率高等优点,为聚合物电光调制器的制备提供了理论依据。

基于电光聚合物材料的光圆偏振调制器的研制

设计并研制了基于电光聚合物光波导的光圆偏振调制器(CPM)。所研制器件的TE TM偏振模式均衡器部分能够实现TE模与TM模间90%的偏振转换效率,这为器件输出光波的偏振分量均衡提供了相当大的调节范围。在均衡了波导中TE模与TM模的基础上,实验表明,器件的TE TM相位差调制器部分实现了很好的光波圆偏振调制输出特性。所测得的输出线偏振光中,45°与-45°斜角方向偏振分量的消光比大于25dB。基于接触式电极化法所获得的电光特性,TE TM偏振模式均衡器部分的偏振转换周期电压约为230V,TE TM相位差调制器部分的调制特性曲线周期约为192V。

高速聚合物电光调制器的进展

文中介绍了高速聚合物电光调制器的最新进展 ,包括电光调制器脊波导和微带线行波电极的设计、制作工艺及现在的最新产品和在军事领域中的应用。

侧基聚合物型电光传感器及太赫兹波探测系统

太赫兹波及其相关领域研究近年来越来越受到重视,自由空间电光取样方法是探测太赫兹脉冲波的主要方法,其核心器件为电光取样传感器。传统电光取样传感器通常由无机ZnTe晶体材料构成,其电光系数较低,不利于太赫兹波的探测。研究了几种侧基型电光聚合物材料的特性,优选出了适合于制作电光取样传感器的新型电光聚合物材料,用该材料制作的电光取样传感器,不但具有较高的电光系数,而且性能稳定,克服了主客体型电光聚合物材料相分离问题。利用聚合物电光取样传感器构建了太赫兹波探测系统,实现了太赫兹脉冲的时域测量,与传统电光取样传感器相比,新型传感器的平均探测效率和光谱灵敏度都获得了显著提高。

共面插指电极结构电光聚合物薄膜器件的电光系数测量

分析了改进后的共面插指电极在高场强下的电场分布,验证了插指电极结构用于制作电光聚合物薄膜器件的可行性。基于插指电极薄膜器件在极化过程中电场分布的不均匀性,建立了关于电极间距、聚合物厚度、电场分布的三维模型,得到了不同极化电压下的平均场强。为了测试插指电极薄膜器件的电光系数,对三明治结构器件的椭偏透射测量电光系数方法做了改进。在相同电场下,对比了共面插指电极薄膜器件与三明治结构薄膜器件的电光系数,结果表明薄膜器件结构的变化不会引起薄膜本身电光系数的改变。

具有双电光分子的聚合物型太赫兹波探测器件

与传统的无机晶体材料相比,电光聚合物材料具有更高的电光系数,并且没有声子吸收问题,由此构成的太赫兹波探测器件具有更高的效率和带宽。但是侧基型和主客体型的电光聚合物具有电光系数偏低和相分离问题,这些缺点限制了这类材料的应用。具有双电光分子的聚合物材料可以克服上述问题,利用这种材料构成共面插指结构的太赫兹波探测器件效率可提高80%,带宽可扩展到9THz,并且器件具有良好的稳定性。