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提高有机电致发光与聚合物光波导集成器件光耦合效率的研究

提高有机电致发光与聚合物光波导集成器件光耦合效率的研究

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作者：魏松吉林大学

学位级别：硕士

目前,基于聚合物光波导的集成光电子器件通常需要外部光源,如发光二极管或固体激光器,但这些光源体积较大或成本昂贵,限制了这些技术的产业化以及设备的小型化和便携性。由于有机电致发光器件(Organic light-emitting diode,OLED)具有... 详细信息

目前,基于聚合物光波导的集成光电子器件通常需要外部光源,如发光二极管或固体激光器,但这些光源体积较大或成本昂贵,限制了这些技术的产业化以及设备的小型化和便携性。由于有机电致发光器件(Organic light-emitting diode,OLED)具有柔性、成本低和易于与其他衬底集成等优点,使得其很适合作为片上集成光源。因此针对片上光学传感器和可穿戴柔性设备,直接将OLED器件集成到聚合物光波导上具有重要的应用背景。但直接将OLED器件制备在聚合物光波导表面的方式使得两者之间的光耦合效率受限于聚合物波导的芯层和包层之间较小的折射率差。光栅耦合结构利用光的衍射原理可有效地提高光耦合效率,因此本论文围绕利用光栅耦合结构来提高OLED器件与聚合物光波导之间的光耦合效率展开研究,主要研究内容如下:(1)首先利用SU-8波导材料具有可光刻、光传输损耗低和可见光透过率高的优点,我们选择了SU-8作为波导芯层材料。通过聚合物光波导和波导光栅耦合的基本理论,我们计算得到了波导芯层截止厚度公式和波导有效折射率与芯层厚度的关系,同时根据波导光栅耦合条件得到了光栅周期的初始值,为后续波导光栅耦合结构的设计提供了参考。(2)其次为了进一步优化光栅耦合结构,我们利用基于时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)算法的FDTD Solutions仿真软件构建了基于光栅耦合结构的OLED与聚合物光波导集成器件的仿真模型。确定了OLED与聚合物光波导集成器件的光耦合效率的计算方法,利用光耦合效率作为优化指标,对光栅耦合结构的光栅周期和占空比进行了优化。当光栅周期为310 nm、占空比为0.65和深度为15 nm时基于光栅耦合结构的OLED与聚合物光波导集成器件可获得最高14.35%的光耦合效率,相比于无光栅耦合结构的OLED与聚合物光波导集成器件的光耦合效率高了10.1%。(3)最后根据仿真结果,我们搭建了激光双光束干涉光路,利用激光双光束干涉光刻法制备了光栅耦合结构,然后使用原子力显微镜对光栅结构进行了形貌表征,得到了周期为330 nm、占空比约为0.5和深度为15至18 nm的光栅结构。我们参照实际制备的光栅结构参数,使用FDTD Solutions软件仿真了当光栅周期为330 nm、占空比为0.5和深度为15 nm时基于光栅耦合结构相比于无光栅耦合结构的OLED与聚合物光波导集成器件的光耦合效率高了6.3%。为了实验研究基于光栅耦合结构的OLED与聚合物光波导集成器件的光耦合效率的变化,我们搭建了积分球光功率测试系统,通过对有无光栅耦合结构的OLED与聚合物光波导集成器件的透射光功率的测试,计算得到了基于光栅耦合结构相比于无光栅耦合结构的OLED与聚合物光波导集成器件的光耦合效率高了5.5%左右,这与在相近光栅参数条件下仿真得到的6.3%有一定偏差,主要原因是实际制备的光栅耦合结构的光栅参数与仿真参数不完全一致。我们制备的基于光栅耦合结构的OLED与聚合物光波导集成器件对于研究具有柔性和低成本的片上集成光学传感器具有一定的参考意义。

关键词： OLED 聚合物光波导光栅耦合结构光耦合效率

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