第４２卷 第４期 ２０１２年４月 激光与红外 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．４２．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ，２０１２
文章编号：１００１－５０７８（２０１２）０４－０４１７－０５ ・光学技术・
一种有机聚合物光波导的制备及性能研究
俞宪同，王文军，刘云龙，高学喜，张丙元，孙彦星，赵力涛，邢 晓
（聊城大学物理科学与信息工程学院，山东聊城２５２０５９）
摘要：溶胶凝胶法制备了聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）掺杂偶氮类化合物分散红１（ＤＲ１）薄
膜波导，并通过对薄膜厚度、折射率以及紫外一可见吸收谱的测量，分析了波导薄膜的性能。
通过使用棱镜薄膜耦合装置激发薄膜波导的导模，观察导模激发情况。利用ｍ线光谱学测量
并计算了导模的同步角，计算了波导有效折射率，并在理论上分析了波导的一些重要参数。
关键词：非线性光学；有机聚合物光波导；溶胶凝胶法；ｍ线光谱学
中图分类号：０４８４．４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１２．０４．０１４
Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
ＹＵ Ｘｉａｎ—ｔｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｗｅｎ－ｊｕｎ，ＬＩＵ Ｙｕｎ—ｌｏｎｇ，ＧＡＯ Ｘｕｅ—ｘｉ，ＺＨＡＮＧ Ｂｉｎｇ－ｙｕａｎ
ＳＵＮ Ｙａｎ—ｘｉｎｇ，ＺＨＡＯ Ｌｉ—ｔａｏ，ＸＩＮＧ Ｘｉａｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ ２５２０５９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ａ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｂｙ ｔｈｅ ｓｏｌ—ｇｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ（ＰＭＭＡ）ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｄｏｐｅｄ ｗｉｔｈ Ａｚｏ ｄｉｓｐｅｒｓｅ ｒｅｄ １（ＤＲ１）．Ｂｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ＵＶ—ｖｉｓｉｂｌｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｗｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｌｍ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｉｓｍ ｆｉｌｍ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ ｓｔｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｇｕｉｄｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，ｔｈｅ ｇｕｉｄｅｄ—ｍｏｄｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｕｓｉｎｇ ｍ・ｌｉｎｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｍｅａｓｕｒｅ— ｍｅｎｔ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇｕｉｄｅｄ－ｍｏｄｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ａｎｇｌｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃｓ；ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ；ｓｏｌ・－ｇｅｌ ｍｅｔｈｏｄ；ｍ・・ｌｉｎｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ
１ 引 言
半导体材料、集成电路制造等技术的成熟使得
计算和通讯等领域取得了很大的进步…。２Ｏ世纪
集成光学等相关领域的拓展，材料科学的高速发展，
使得人们逐渐认识到光子通信的优势所在，一些性
能良好、制造方便的全光器件相继产生 。４ Ｊ。与传
统的半导体材料和晶体材料相比，聚合物薄膜材料
具有非线性系数大、激光损伤阈值高、易于集成以及
具有分子结构的多样性及可加工性等优点 Ｊ，在非
线性光学、集成光学等领域得到了越来越广泛的应
用。本实验采用常温下正硅酸乙酯水解聚合反应，
制备了性能优良的低折射率衬底，选用二阶非线性
系数较大的偶氮类化合物ＤＲ１掺杂ＰＭＭＡ制备导
光层 。通过棱镜耦合装置激发聚合物薄膜的导 模，利用ｍ线光谱学测量波导模式的同步角，并且
分析了薄膜波导的有效折射率、薄膜制备条件对成
膜性和薄膜的吸收等性质对波导模式的激发情况的
影响，为进一步的研究提供了依据。
２实验过程
２．１基片处理
制备薄膜的基片为普通载玻片。基片先用氯仿
擦拭表面，然后在重铬酸钾的饱和浓硫酸溶液中浸
基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．１０８７４０６３）；山东省优秀中青 年科学家科研奖励基金（Ｎｏ．ＢＳ２００９ＤＸ０１４）．１Ｕ东省科技攻关计划 （Ｎｏ．２０１０ＧＧＸ１０１２７）；山东省高等学校科技计划（Ｎｏ．Ｊ１０ＬＡ６０）；聊 城大学重点科研基金项目资助。 作者简介：俞宪同（１９８４一），男，硕士研究生，主要从事有机聚 合物光波导方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ａｔｏｎｇ＿５２０＠ｌ６３．“，ｍ 收稿日期：２０１ｌ－０９－０
６ ４１８ 激光与红外 第４２卷
泡２４ ｈ以上，取出后用去离子水淋洗，超声震荡
１５ ｒａｉｎ后放人无水乙醇中浸泡１２ ｈ以上，去离子水
彻底洗净，烘干备用。
２．２ ＳｉＯ２衬底薄膜的制备
制备ＳｉＯ 溶胶的前驱物为正硅酸乙酯
（ＴＥＯＳ），溶剂为二次去离子水，催化剂为氨水；添加
剂为聚乙烯醇（ＰＶＡ）、丙三醇。将丙三醇、ＴＥＯＳ、去
离子水、氨水按照１：２．３：２．６：０．００１的质量比混合，
氨水为催化剂，混合后的液体会有明显分层现象，在
温度１５～２５℃条件下发生水解，充分搅拌５ ｄ左右，
水解效果较佳，得到透明无分层ＳｉＯ 溶胶。在此溶
液中加入适量浓度为５％的ＰＶＡ水溶液，室温下搅
拌２ ｈ左右，得到透明混合溶胶，中速分析滤纸过
滤 一 。
采用旋涂法制备ＳｉＯ 衬底薄膜。匀胶机转速
在８００ ｒ／ｍｉｎ时，得到膜厚在１５００ ｎｍ左右；转速为
１５００ ｒ／ｍｉｎ时膜厚在４８０ ｎｍ左右，但是转速不宜超
过２０００ ｒ／ｍｉｎ，否则不容易成膜。涂膜时转动时间
应超过１３ Ｓ为宜。衬底厚度一次尽量不要超过
１５００ ｎｍ的厚度，否则退火时薄膜容易开裂。涂膜
后室温放置２ ｈ以上，薄膜适度风干后置于４５０ ｏＣ
退火炉中快速退火３ ｈ。可采取多次涂膜，然后多次
退火，得到厚度较大的衬底薄膜，试验中制备了厚度
达到５ ｍ左右的薄膜。这种方法制备的薄膜表面
平整，达到了制备光波导的技术要求。
２．３有机薄膜光波导的制备
制备导光层薄膜使用的主体材料为聚甲基丙烯
酸甲脂（ＰＭＭＡ），客体材料为分散红１（ＤＲ１），其分
子结构见参考文献［１０］。
ＤＲ１与ＰＭＭＡ按照一定的质量比混溶于三氯
甲烷，溶液浓度根据需要可作调整。静置２ ｈ后超
声震荡，直至得到无颗粒红色透明溶液。将此溶液
涂于已制备的ＳｉＯ 衬底上，并以８００～１５００ ｒ／ｍｉｎ
的转速旋涂１５ Ｓ以上，控制匀胶机转速可以得到不
同厚度的样品。应注意所旋涂的薄膜厚度应大于波
导所需要的截止厚度，才能观察到导模的存在¨ 。
这样得到的薄膜室温干燥１．５ ｈ以上，放人真空干
燥箱中，在４５℃保温２４ ｈ，使三氯甲烷挥发薄膜完
全固化，得到波导样品。
３实验结果和讨论
３．１ 催化剂对衬底薄膜的影响
文献报道类似水解反应使用酸、碱两步催化
法¨ 。为了找出催化剂对薄膜性能的影响，我们在
实验中分别使用酸或碱催化的方法加速ＴＥＯＳ的水 解。使用ＨＣＬ作为酸催化，可以得到较易成膜的溶
胶，且可较快速的凝胶固定，但测试发现样品折射率
较高，可达到１．４５—１．４７，其原因是酸催化较易生
成分子量较小的线性分子聚合物，极易成膜，但空隙
较少，介电常数自然较大。当使用碱催化时，则更倾
向于生成分子量较大，高交联度的聚合物，折射率较
低，但成膜性较差。因此，制备光波导采用了碱催化
的方法，催化剂为氨水。试验发现氨水用量的多少
对薄膜性能也有很大的影响，产生这种结果的原因
主要是由于氨水的作用，正硅酸乙酯水解加快，氨水
用量越多，水解的就越快，由于水解需要相当的时
间，于是就存在其中一部分水解时间较长，反应过度
的情况，容易造成衬底薄膜开裂。
３．２ ＰＶＡ对衬底薄膜的影响
在正硅酸乙酯水解后的溶胶中加入ＰＶＡ水溶
液可以有效地提高成膜性能，便于得到表面平整、结
构均匀的薄膜。ＰＶＡ的用量多少对成膜性能有很
大的影响，实验中我们使用浓度为５％的ＰＶＡ水溶
液。样品使用Ｍ一２０００型椭偏仪对薄膜的厚度和
折射率进行测量，然后用相应的软件（ＷＶＡＳＥ３２）处
理数据，得到厚度和折射率的测量值。匀胶机转速
相同的情况下，ＰＶＡ用量对薄膜性能的影响如表１
所示。
表１ ＰＶＡ用量对薄膜厚度、折射率的影响
Ｔａｂ．１ ＰＶＡ ｄｏｓａｇｅ ｏｎ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
ａｎｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ
转速／（ｒ・ｍｉｎ ） ｌｏ（）ｏ １Ｏ０ｏ ｌ００Ｏ １Ｏ０ｏ １Ｏ０ｏ
ＰＶＡ水溶液：硅胶 １：１．７ １：１．８ １：１．９ ｌ：２．Ｏ １：２．４
薄膜厚度／ｎｍ ｌ５０ｏ １２０ｏ １Ｏ０ｏ ８００ ６５０
薄膜折射率（６３２．８ ｎｍ） １．４５ １．４３ １．４３ １．４１ １．４２
综合考虑实验对薄膜折射率和厚度的要求，可
以看出：在转速ｉ０００ ｒ／ｍｉｎ时，ＰＶＡ水溶液与硅胶
的质量比在１：１．８～１：２．０之间时，可以得到性能最
优的衬底薄膜。
３．３ ＤＲ１掺杂比对波导薄膜厚度、折射率的影响
实验采用ＤＲ１与ＰＭＭＡ不同的质量比混溶于
一定量的三氯甲烷中，得到不同浓度的溶液，然后匀
胶机甩膜，ｉ贝４试薄膜厚度、折射率。
由表２可知，不同的掺杂比对薄膜折射率影响
很大：ＤＲ１含量越多，薄膜的折射率越大；不同的浓
度对薄膜的折射率影响不大；另外，发现相同浓度
时，掺杂比例越高，得到薄膜较厚；相同的掺杂比时，
溶液浓度越高，薄膜越厚。由于实验中薄膜越厚，激
发的导模数量就越多，更有利于观察测试，因此试验