光通讯波段聚合物光波导材料的研究进展.pdf

!进展评述光通讯波段聚合物光波导材料的研究进展禹忠汪敏强姚熹#西安交通大学电子材料研究所西安$%&()禹忠男*+,岁*硕士*从事光通信领域光波导材料与器件研究-陕西省自然科学基金资助项目#(.%)%(/%/%收稿*+&/&+/+%修回摘要光学聚合物由于其在光通讯领域的集成光电器件与光互连应用方面有经济和实用价值而备受关注-本文介绍了光通讯波段有机聚合物光波导材料的特点和研究进展-关键词光波导光学聚合物光通讯0 1 2 3 4 5 6 3 78 9:;=?A B C B A 9 9 B B9 F A:BA;G :;=G H8 B ;9:;B:G 9 A J B 8 9 A=A;9 B G:;H A D:;A C G G A;9:G C:G9 F A 8 9:;I G:;G KL F A;F B ;9 A B:M G 8 A G 9 E 8 9:;=N=?A B:G9 F AE:A=H B AH A C;B:O A H KPQ RS T 4 U 2 78 9:;=N D A J I:H A*78 9:;=?A B*78 9:;I G:;G由于通讯技术的飞速发展*对高容量V高带宽V高速信息传播技术的需求越来越强烈*以光纤网络为代表的光通讯产品开发日趋活跃-传统的光集成#7W.)和光电集成#7X W.)主要是做在铌酸锂#Y:ZO 7)和硅基半导体材料上的-近年来*人们开始关注有机聚合物光波导材料的开发研究-与传统的无机光波导材料比较*有机聚合物光波导材料有以下优点#%)有机聚合物光波导材料具有较高的电光耦合系数*较低的介电常数*响应时间短*热损小*比如*一般聚合物的热光效应是硅的%&倍*硅基光开关功率&_*有机聚合物光开关功率小于_*驱动电压小*响应快#+)有机聚合物光波导材料比硅基无机光波导加工工艺简单经济*无须高温加热*通过甩膜V光刻等工艺便可制出复杂的光电集成器件*而且器件轻巧V机械性能好*因而适于制作大型光学器件和挠性器件#从几厘米到一米)a%b-由于其经济性和实用性*人们正在致力于有机聚合物光波导材料在柔性光互连和光电集成块中的应用研究-c光通讯波段聚合物光波导材料分子的特点光纤是光通讯的主要传输媒介*它具有两个低损耗传输窗口*即波长%d%e 和%d e-目前*光通讯材料与器件的研究应用主要集中在这两个波长上-传统聚合物作为有机聚合物光波导材料应用的最大障碍是在近红外波段#ZW f%K&%K$e)的传播吸收损耗-比如聚甲基丙烯酸甲酯#g hhi)*聚苯乙烯#g j)*聚碳酸酯#g.)等*虽然在可见光#&K&K,e)范围内都是性能优异的光学材料*但它们不适用于光纤通讯波段*主要原因是这些分子结构中含有的.kl或7kl键的振动会引起近红外光的吸收-具体地说*.kl键的低次伸缩振动及其与变形振动的耦合在近红外波段会引起较强的吸收-例如三次伸缩振动#mn.kl)的吸收峰在%K%e*二次伸缩振动与变形振动ooF 9 9 8 p p;F:G K;F A:C 9 B?B J化学通报+&%年 第%期耦合!#$%&()$%&*吸收峰在+,-./0二次伸缩振动!#$%&*吸收峰在+,1 2./34&键的伸缩振动!#$4&*在+,-./附近也会引起对传播的吸收3对于%&键引起的吸收0目前采用的办法是用较重的原子0比如氘0卤素!如氯0氟*等代替氢0例如%&5和%&6伸缩振动波长是%&的+,-和,7倍0使振动吸收向长波方向移动即所谓红移0从而减少近红外区的吸收衰减3%&的吸收主要是由低次振动引起的3一般说来0次数增加一次0其振动吸收强度降低一个数量级3因此通过调节取代基含量0可以减小或完全取消%&键的振动造成的传输损耗8 93图+说明苯环及其全氘代和全氟代后的吸收光谱变化3当苯环上被5或6取代后0相应的伸缩振动出现红移0吸收损耗小的高次谐波出现在光通讯波段3全氟代苯在光通讯波段出现的2#$%&比相应位置上苯的#$%&小三个数量级0可以忽略不计0故使用这种方法可以实现光通讯波段无传输损耗3对于4&键引起的吸收0主要对策是在分子结构中尽量减少4&键0以降低有机聚合物的吸湿率0即减少分子间的水含量!特别是在潮湿环境中使用时*3图:芳香环光吸收特性示意图从光纤通信系统的器件制作来看0光电集成器件的熔结温度一般在 1;0短时可能达到-;?0=等*玻璃化温度和热稳定性都很低0不适于目前光学器件的加工工艺3为适应高性能的集成光学器件加工技术0材料的选择上必须选取玻璃化温度高A热稳定性好的有机聚合物3例如聚酰亚胺!=B*及其衍生物等就具有这方面的优良特性3要在不同材料中实现光波导和光互连0必须要求材料的折射率可以精确调节3另外0材料的双折射率A附着性A机械性能A耐溶剂性及材料中杂质的去除0也是必须考虑的课题3C研究中的有机聚合物光波导材料当前研究的光通讯波段聚合物光波导材料用的主要是低传输损耗聚合物0如聚甲基丙烯酸甲酯衍生出来的氟代A氘代聚甲基丙烯酸酯0耐高温聚合物聚酰亚胺的氟代衍生物0交联含氟聚芳醚0以及聚硅氧烷等3C,:氟代A氘代聚甲基丙烯酸酯聚甲基丙烯酸甲酯!=?*在可见光波段透光性优异0被广泛应用于塑料光纤和光学透镜等方面3在近红外波段中0由于聚甲基丙烯酸甲酯中亚甲基和甲基吸收峰耦合0使吸收峰较宽0峰的底部恰好在+,D./和+,2 2./0而氟代A氘代聚甲基丙烯酸酯是在这种传统的光学材料基础上发展起来的0分子结构中的氢部分或全部被氘或氟取代0减少了在通讯波段的传输损耗3其合成方法与=?无太大区别3据报道0全氘代聚甲基丙烯酸酯E F=?在波长+,D./时传输损耗小于G1G化学通报;+年 第+期H I I J K L L MMM,N H O/P Q I R S/T U,V R U图!#$%&与$%&吸收光谱图()*+,-./见图0 1 2而且其它物理性质与普通聚甲基丙烯酸酯相同2具有较低的双折射率和加工工艺简单的优点3另一方面2这一材料在波长)(4 4 5.传输损耗依然很大/6)(4*+,-.1 3这是由于氘代聚合物7 89键二次伸缩振动吸收峰0:7 89虽在0(0 5.附近2但三次伸缩振动吸收峰;:7 89却在)(4 4 5.附近2这一吸收峰不能忽略3含氟聚甲基丙烯酸酯在)(4 4 5.附近吸 收 衰 减 大 大 降 低2德 国9 .?*大 学A B(C -B D等合成了一种A E F GH/甲基丙烯酸三氟甲酯1和A D 7 I H/甲基丙烯酸四氯乙酯1的共聚物2这种共聚物在波长)(;5.的传输损耗为()*+,-.2)(4 4 5.不到(;*+,-.3共聚物的折射率可通过调整A E F GH与A D 7 I H的比例在)(J J K L)(4)M范围内来调节2但玻璃化温度仅K N O左右P;Q3总体上讲2氟代氘代聚甲基丙烯酸酯玻璃化温度较低2一般都在)O左右2如氟代聚甲基丙烯酸酯和氘代聚甲基丙烯酸酯共聚*R F E GH氟含量为0 S时2玻璃化温度TUV)J O2氟含量小于)N S时2玻璃化温度TU大于)O2所以这种材料的光波导器件对加工使用温度要求严格2一般只能在低于)O环境下加工使用P J Q3!(!含氟聚酰亚胺聚酰亚胺/F W 1由于其玻璃化温度高2介电系数低2吸湿率低2膨胀系数低等特点2很早就被应用于宇航X电子行业作为耐高温的绝缘材料X润滑材料等3含氟聚酰亚胺的研究很早就已开始2但在光波导领域的应用研究是近几年开始的3当聚酰亚胺中引入氟原子后2近红外区域的传播衰减少2同时阻隔了F W的发色中心2减少了它们的电子相互作用2在可见光下黄色的F W变成白色2因而更加透明3此外2普通的聚酰亚胺为不溶有机物2但含氟聚酰亚胺的溶解性好2这为光学器件加工带来方便3同时2材料的吸湿率也随着含氟量的增加而降低3又由于聚酰亚胺热稳定性高等特点2因而对这 类材料的研究方兴未艾3日本电信电话株式会社/YA A1应用电子实验室松浦澈/A?=Z 1等对含氟F W工作进行了深入的研究2开发了三种含氟聚酰亚胺商业产品 E F W 2E F W R 7+2 E W F W R F E 3E F W是由含氟单体0 2 0 _ R二/三氟甲基1 R J 2 J _ R联苯二胺/A E 9+1 2 0 2 0 _ R二/;2 J R二 羧基 苯1六氟丙烷二 酐/N E 9 H1和 均 苯 四 甲 酸 二 酐/F G9 H1在2 R二 甲 基 乙 酰 胺/9 GH-1中反应聚合得到相应的共聚亚胺酸2然后在;4 O的干燥氮气中亚胺化得到N E 9 H,A E 9+和F G9 H,A E 9+共聚物E F W 3其结构式如下aabbbb7ccd7ccdefY7ccd7ccdbbbbbbY7 Ebbbbbb;E;ghefbbbbbb77ccd7ccdY7E;77 Ebbbbbb;7ccd7ccdbbbbbbY7 Ebbbbbb;E;gh7N E 9 H,A E 9+F G9 H,A E 9+其中2 N E 9 H,A E 9+/含氟量;)(;S1的分解温度是4 N M O/在氮气中2)S失重1 2玻璃化温度;4 O2吸湿率(0 S/室温浸泡;*1 2折射率i4 K M(N .)(4 4 N j F G9 H,A E 9+/含氟量0;S1的分解温度klkB m ,-B n Z(-B D.n =o.Z U(=U化学通报0 )年 第)期是!#$%玻璃化温度&#$%吸湿率#()*%折射率+,-.(!/0(!)1!2 3 45 6 2 3 7含氟量高%近红外波段透射率高%8 93 45 6 2 3 7热膨胀系数小1 2:8;8 0时%+6?可在(,=A(!之间调节%+6 9可在(,A(,之间调节%双折射率也可在#(#-A#(=之间控制1传输损耗在(=0时%小于#(=B 7 5 C 0D E,0时小于#(!B 7 5 C 0F,G1在2:;8 中随着2含量的变化%折射率可调%但是双折射率也在变化1这会造成波导层与包层偏振损耗增大%为光波导器件的制作带来了一定的困难1为了克服这一困难%开发了2:;8 H I 7 1它是!2 3 45 6 2 3 7和!2 3 45 J3 4K二氨基二苯醚L的共聚物%合成方法和2:;8 0下%+6?V (,!.%+6 9V (,!%双 折 射 率 为#E#)D!2 3 45 J3 4K含氟量=(=*L+6?V(,%+6 9V(,%双折射率为#(#-D!2 3 45 6 2 3 7和!2 3 45 J3 4折射率之差小于=*%双折射率之差为#(#%可以认为双折射率不随!2 3 45 6 2 3 7和!2 3 45 J3 4含量改变1这为设计低偏振损耗波导结构带来方便F!G1全氟聚酰亚胺2:;8 H 8 2中的I WX键被I W2键完全取代%与YI WX相应的YI W2吸收峰向长波方向移动%在2:;8 0处有可忽略的,YI W2一小峰%从而实现了在通讯近红外波段基本无吸收峰K见图=LF)G1因为氟是强吸电子基%全部取代氢后二胺的反应活性大大降低1比较了多种含氟二胺后%发现六氟间二苯胺活性最高1由它与全氟二胺%H二K=%H二羧基三氟苯酚L H四氟苯二胺来合成全氟聚酰亚胺2:;8 H 8 2%显而易见%其成本必然高昂SSMMMM1IOOJIOOJPQR22MMMMMM2J2222SSMMMMJ222IOOJIOOJSSMMMMR222TU2全氟聚酰亚胺2:;8 H 8 2的结构式图Z _ 与 ab c 5 d b e吸收光谱图f(Z含氟聚芳醚含氟聚芳醚是作为复合层电介质发展起来的%由于它具有良好的热稳定性%机械性能%低吸湿率和近红外波段光透射率高%而成为优良的光波导材料1但是%它在薄膜多层掩覆过程中没有表现出良好的化学稳定性%制作光纤与器件耦合过程中在器件的端面没有表现出良好的剪切性能1韩国电子及通讯研究所光开关部K 8 g h i h/j Ck lj i C g j/mk n C i j h/%?o n C i p h/j C qr/B6 n o n C h 00s/j C r i j h/qt-t化学通报#年 第期g i i u N 5 5 lll(C g n 0j q i p v 0r m(h p m!#$%&()#*+*,*+-).的/01,)2 3 4-)2等通过在含氟聚芳醚分子中引入二苯乙炔端基合成出交联聚芳醚5合成路线是通过6 7 6 8 3 9:3羟基苯基.3;7?的 AB&溶液中预聚7而后和:3羟基苯乙炔苯反应5由于分子中氟含量大于C D E7近红外波段透射率很高7在;F G H I中传输损耗小于D J 6 K L M&I7双折射率仅为D J D D N 7热分解温度可达G;D O9 P6保护下.7波长;J G G H I时的折射率可通过改变分子量在;J:Q G R;J G?B_?VVVVVVVVVVWWXXVVVVVV?其中 B_VVVVWWVVVVVVVVVVVV?VVVVVV6?交联含氟聚芳醚的结构式a J b聚硅氧烷聚硅氧烷中含有9 cd+c?c.主链7所以比普通的9 c c c.主链聚合物的热稳定性优异7这为研究高热稳定性的光波导材料提供了良好的选择5目前采用的方法还是利用氘或氟来取代烷基中的氢7以减少在近红外区域的传输损耗5日本Pe e公司的A+*#,-f#,+等开发研究了一种以CGd+g为单体制得氘代聚硅氧烷7所作的通道波导在波长;J ;H I时传输损耗为D J;N K L M&I7在;J G G H I时为D J:K L M&I5可通过控制氘代苯基的含量来调节折射率7如h氘代苯基增加T 9 I-g.E7折射率增加D J D D:C 5对其老化试验7传输损耗在6 D D O下 _!#5它是通过溶胶3凝胶法将硅氧烷和全氟基有机单体或改性单体共聚5这种共聚物是一种性能优良的耐高温波导材料7当?!A?_!#侧基氟代后近红外波段传输损耗可减小到;J ;H I时小于D F _!#结构oQo*p h M M&+)$J&I+#*%1 I$2 J-%2化学通报6 D D;年 第;期!结束语由于光通讯技术和计算机网络发展未来光互连和集成光学器件应用必然需要可低温操作#易加工#低损耗#高耐热性#低吸湿率的有机聚合物光波导材料来满足宽带#高集成#高速的光传输$目前光通讯用有机聚合物光波导材料必须解决的问题很多比如进一步降低传输损耗和寻找价格合理的新型材料等$相信随着对光通讯用有机聚合物光波导材料研究的进一步深入这些问题会得到解决$参考文献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aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa&=K N&N Y?Y N AV&0L上接第C Y页M%N C b-5*G9/c 3 ,;J.09 3:-4,;3 R 1 3;P*-(6 5*4 6*1,-)d?1 3;P*-1 2 7 5 6 7&=B N V L N M?Y&=AY N V 0%N N L,MQ5-,P,O O3 7 2 5 4,T,F .:7:D 5 O*),;09 0E*P-0(6 5 0&=V&L C M?&V=A&B C 0L MQ5-,9*,4O O:,491 S 5:9*),;09 3:-4,;3 R 1 3;P*-(6 5*4 6*1,-)d?1 3;P01 2 M?K B B Y AK B=V 0L MJ 3 T 2 5*-5 b (,-)5 c 09 3:-4,;3 R E*P-,4*(6 5*4 6*aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa&=B&K L&M?K N AB V 0%9 论文摘要 L e3;0 NH3 0&1,T*?2)8?f f+0 6 2*P5 7)-4 6 0 2)PM铜L h M i j二酮配合物的合成与性质王冬梅杨瑞娜刘应凡金斗满L河南化学研究所郑州 Y C k南京大学配位化学国家重点实验室南京C&=N M摘要本文以铜粉为原料首次直接制备了双核铜L M配合物%:L G 8 8*M L)R,6 M C并测定了它的分子结构其中:C1结构单元的非线性和配位不饱和性使它具有特殊的成键和反应性比平面结构的EC1C配合物更易与其它基质作用$关键词铜配合物 l二酮晶体结构%9 论文摘要 L e3;0 CH3 0&C1,T*Y N?2)8?f f+0 6 2*P5 7)-P,T 0 3-T f 6 g 5 f C f C 6 Y N 8 6 0 2)PM运用扩散方程研究平面壁限制的高分子链末端距黄建花蒋文华韩世钧L浙江大学化学系杭州N&C K M摘要运用扩散方程研究了受平面壁限制的高分子链末端距法向分量的C D阶矩m/n C D o与链的首端离开平面壁的距离n 的变化关系$结果表明约化C D阶矩的值仅与约化距离Zn 有关而与空间维数无关其中 4是链长与空间维数G有关&是均方根键长$当Zn 趋于时为最大k随着Zn 的增大先迅速减小然后又缓慢增大至极限值$采用E3 4)*,-;3模拟也得到了相同的变化规律且该变化与链长几乎无关$高分子尾形链L n p M的是全空间高分子链的二倍这与吴大诚等的结果一致$关键词高分子链末端距平面壁E3 4)*,-;3模拟q&q化学通报C&年 第&期2)8?f f+0 6 2*P5 7)-P,T 0 3-T