1  绪论

1。1  光波导技术研究背景

20世纪60年代起，互补金属氧化物半导体技术（CMOS）开始引起人们的重视，集成电路技术飞速发展，以摩尔定律的速度减小着工艺特征尺寸，从而推动着集成电路技术快速发展。但是，电路中信号的传播速度以及电开关的速度是有限的，寄生电容与寄生电阻占的比重也日趋严重，信号串扰和电路功耗过高等问题也日渐引起人们的重视，集成电路自身的局限性限制着其进一步发展。20世纪60年代末，Goodman提出集成光互连和集成光学的概念，作为突破集成电路局限性的新技术很快成为了研究热点[1]。

集成光学是一门很综合的学科，不仅有光学理论、微波理论，光电子与微电子也均有涉及，光通信技术的崛起更是促进着其进一步发展。集成光互连相较于传统的集成电路，有着许多突出的优点：①光作为一种电磁波，其传输不依靠电子等微观粒子，因而不存在寄生电容、寄生电阻；②遵循独立传播定理，各个信道之间几乎不存在干扰；③信号传播速度比集成电路快很多；④抗干扰性强；⑤器件功耗低。集成光学的发展和Internet的腾飞，使人类开始进入信息化时代，满足着人们越来越多的信息需求。

光互联系统主要分为两种：一类是自由空间光通信系统（FSO），一类是导波光波系统[2]。FSO不需要借助光纤等波导传输媒介就可以直接互联，烽火台就是其在古代的杰出代表。现代的FSO系统，其主要原理是，光源发射的激光束在自由空间内传播，再由精确对准的光接收机接收，在某些情况下，该方法避免了在复杂地形铺设光缆的困难，因此也得到了一定的发展。在更多的情况下，光互连系统是指导波光波系统。与FSO相比，该方法将光波限制在波导器件内，使之沿特定的方向传播，信号的传播速度与功耗得以更好的控制，发射器与接收器之间的对准问题也得以解决，此外，在导波光波系统中，借助WDM技术，可以大大提高带宽。

导波光波系统的这些优点吸引着人们对其的进一步研究，各类波导源器件如雨后春笋般不断被制作，例如耦合器、光开关等。对各种可能的材料，科研人员也进行了广泛的研究，二氧化硅、Ⅲ-Ⅴ族半导体、铌酸锂、聚合物材料都受到了大量的重视。但是在材料领域，各有自己的优缺点，没有绝对的最佳。聚合物材料的价格优势以及优异的光学性能使其不失为一种良好的制作波导的材料[3]。聚合物波导主要优点有[4]：

①较低的光损耗和较小的双折射；

②制作的工艺与半导体兼容，容易实现大规模、低成本；

③可以沉积在各类半导体材料上，便于实现光路与电路的集成；

④有较好的柔韧度，适合用于波导器件芯层之间的连通。

    本文中，我们选用成膜性能好、传输损耗低的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为芯层材料，其是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成，商品名称为有机玻璃[5]。在折射率与PMMA相互合适的材料中，我们选用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为包层材料，其也是一种聚合物，并且与PMMA有着相互匹配的介电性能，两者接触面也不会发生化学反应[6]。在1550nm波长下，PMMA折射率为1。49，PDMS折射率为1。41。论文网

1。2  单模大模场面积光波导

光波导工作在多模条件下时，器件的性能无法充分发挥，因此实现单模传输是很多光波导器件的基本要求。光波导工作在单模条件下，是指波导中只能传输基模，即零阶模，其它高阶模均会由于辐射而损耗掉[7]。单模传输相较于多模，有很多优势：