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聚合物光波导生物传感器的制备与特性研究

聚合物光波导生物传感器的制备与特性研究

作者：邹盼厦门大学

学位级别：硕士

光波导生物传感器是光学生物传感器热门研究方向之一,具有可集成化、多功能化等特点。随着纳米材料的不断发展,贵金属纳米颗粒独特的局域表面等离子体共振效应(Localized Suface Plasmon Resonance,LSPR)在光波导生物传感领域拥有越来... 详细信息

光波导生物传感器是光学生物传感器热门研究方向之一,具有可集成化、多功能化等特点。随着纳米材料的不断发展,贵金属纳米颗粒独特的局域表面等离子体共振效应(Localized Suface Plasmon Resonance,LSPR)在光波导生物传感领域拥有越来越广泛的应用。采用聚合物材料制备的基于金纳米球颗粒LSPR效应的聚合物光波导生物传感器具有工艺简单、灵敏度高、选择性好、适合在硅片上大规模集成化等特点,前景广阔。本论文对聚合物光波导生物传感器的器件制备、性能测试、传感测试等方面进行了研究,具体工作如下:1.利用柠檬酸钠还原法制备了形貌均匀、分散性良好的粒径为40nm的金纳米球颗粒溶胶。采用自组装单层膜技术(self-assembled monolayers,SAMs)将金纳米球颗粒通过化学键固定在聚合物SU-8薄膜表面,制成聚合物传感膜。将聚合物传感膜放入不同折射率的溶液中进行紫外可见吸收测试,结果显示,随着溶液折射率的增大,其LSPR波峰吸光强度也逐渐增大且呈线性的关系。当溶液折射率由1.333增加到1.370时,波峰吸光强度增加了 5.3%,灵敏度为0.11AA/RIU。2.通过Au-S键将兔抗人IgG抗体绑定到聚合物传感膜表面制备聚合物生物传感膜,测定不同浓度的人IgG抗原溶液。结果表明,聚合物生物传感膜LSPR波峰吸光强度变化量随人IgG抗原浓度的增加而增大。人IgG抗原浓度检测下限为0.lμg/ml,上限为40μg/ml,大于上限值后,吸光强度无明显变化,趋于饱和。抗原抗体非特异性结合测试表明兔抗人IgG抗体不与兔IgG抗原发生反应,传感膜选择性较好。3.采用聚合物SU-8材料制备了矩形聚合物光波导传感器,光波导截面尺寸为114μ×52μm。传感器LSPR波峰吸光强度随表面滴加NaCl溶液的折射率增大而增大,且呈线性关系,当溶液的折射率由1.342增加到1.379时,传感器LSPR波峰吸光强度增加了 5.6%,灵敏度为2.3083ΔA/RIU。与LSPR聚合物传感膜相比,聚合物光波导传感器的灵敏度提高了约21倍;与截面尺寸为12μm×5μm的聚合物SU-8光波导传感器件相比,其灵敏度提高了约24%。4.将兔抗人IgG抗体绑定到聚合物光波导传感器上,制备了用于人IgG抗原检测的聚合物光波导生物传感器,初步实现了对人IgG抗原溶液的传感检测。生物传感器的LSPR波峰吸光强度变化量随抗原的浓度的增加而增大,检测抗原浓度范围为 0.1μg/ml—40μg/ml。

关键词：局域表面等离子体共振聚合物光波导生物传感器人IgG 兔抗人IgG

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聚合物光波导放大自发辐射特性的研究

聚合物光波导放大自发辐射特性的研究

作者：程浩北京交通大学

学位级别：硕士

摘要：聚合物激光是近年来有机光电子学领域的一个热门的研究方向。由于聚合物有着加工工艺简单,驱动电压低,发光效率高,发光光谱宽等优点,可以作为理想的激光增益介质材料。近年来,光泵浦条件下的聚合物激光已经得到实现,但是要实现电... 详细信息

摘要：聚合物激光是近年来有机光电子学领域的一个热门的研究方向。由于聚合物有着加工工艺简单,驱动电压低,发光效率高,发光光谱宽等优点,可以作为理想的激光增益介质材料。近年来,光泵浦条件下的聚合物激光已经得到实现,但是要实现电泵浦下的聚合物激光仍然是一个极具挑战性的问题。因此,本文针对电泵浦激光中所面临的材料增益阈值相对较高,聚合物材料的载流子迁移率较低等问题,对聚合物激光的器件结构及增益材料等做了一系列的探讨研究： (1)研究了具有光栅结构的聚合物光波导的ASE特性。以MEH-PPV为增益材料,利用了激光刻蚀技术,在聚合物表面直接刻蚀出了光栅条纹,形成DFB结构的光波导。通过在聚合物表面直接刻蚀出聚合物光栅的方法,可以用比较简便的方法得到DFB光波导结构。得到的光栅结构的DFB光波导的受激辐射特性也得到了一定程度的优化;(2)研究了共混聚合物F8BT:P3HT体系的受激辐射特性。这种共混材料体系同时有着较低的受激辐射阈值和较高的载流子迁移率,将会是可能实现电泵浦激光的理想材料体系。本部分实验内容系统研究了其阈值和共混比例的关系,发现当P3HT的混合比例小于20%时,共混聚合物的阈值低于纯F8BT的阈值,并同时研究了引起这一阈值变化的原因,发现该共混聚合物光波导损耗的降低是导致了其ASE阈值降低的主要原因;(3)研究了电场调制下,F8BT:P3HT体系的ASE光谱特性与外界电场之间的关系,发现该共混聚合物的受激辐射会在电场下产生猝灭,不同混合比例的共混聚合物的ASE在电场下的猝灭速率不同,P3HT的混合比例越高,电场下的猝灭速率越快。在高电场作用下,激子的离化作用加剧,可以使聚合物的ASE完全猝灭。

关键词：放大自发辐射聚合物光波导共混电场调制

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面向板级光互连的聚合物光波导器件研究

面向板级光互连的聚合物光波导器件研究

作者：郭文杰桂林电子科技大学

学位级别：硕士

随着高性能计算机在高速率、大带宽、低损耗、大容量传输等方面要求的提高,基于电互连的传统印制电路板(Print Circuit Board,PCB)由于其电磁干扰、带宽和功耗等方面的局限性而不能满足高性能信号传输的要求。与之相比,光互连具有抗电... 详细信息

随着高性能计算机在高速率、大带宽、低损耗、大容量传输等方面要求的提高,基于电互连的传统印制电路板(Print Circuit Board,PCB)由于其电磁干扰、带宽和功耗等方面的局限性而不能满足高性能信号传输的要求。与之相比,光互连具有抗电磁干扰,高速数据传输,大带宽和低功耗等优势,成为解决PCB电互连的有效方案。聚合物光波导具有设计灵活性强、成本低、稳定性高、制备工艺简单等优点,且其制备工艺与PCB工艺相兼容,成为板级光互连中的关键传输媒介。为了实现具有高灵活性、高密度和复杂功能的板级光互连,用于模块连接、分光、滤波、复用等功能的高性能无源光波导器件研究至关重要。本文针对面向板级光互连的聚合物无源光波导器件展开研究,采用有限元法(Finite Element Method,FEM)和光束传播法(Beam Propagation Method,BPM)对用于模块连接的S形聚合物波导和用于增大传输容量的聚合物模式(解)复用器进行结构设计和传输性能分析。主要研究内容和研究成果如下:1.面向板级光互连的S形聚合物波导的结构设计与传输性能分析。针对低折射率差S形聚合物波导中存在的较大弯曲损耗,提出了一种带有偏移和沟槽的新型S形聚合物波导结构。首先,在COMSOL软件中利用有限元法计算波导的单模传输条件,在RSoft软件中建立引入偏移和沟槽的S形波导(S-shaped Waveguide with Offsets and Trenches,SW-OT)模型。然后,利用光束传播法分析了偏移量、沟槽宽度、沟槽与波导间距离及沟槽填充介质折射率等参数对S形波导弯曲损耗的影响。最后,对比了无偏移无沟槽的标准S形波导、仅引入偏移的S形波导、仅引入沟槽的S形波导和SW-OT四种结构的弯曲损耗。结果表明,SW-OT结构在弯曲半径为1000μm时,弯曲损耗仅为0.11d B,相比仅含偏移的S形波导,弯曲损耗降低了89.70%,且在弯曲半径大于等于2000μm时,弯曲损耗均小于0.1 d B。因此,偏移和沟槽结构的结合使用可有效减小低折射率差S形聚合物波导的弯曲损耗,实现小弯曲半径S形聚合物波导的低损耗传输。2.面向板级光互连的聚合物模式(解)复用器的结构设计与传输性能分析。针对板级光互连对大容量信息传输的需求,提出了一种基于级联锥形耦合器的聚合物模式(解)复用器。首先,在COMSOL软件中对矩形波导进行模式分析,计算不同宽度矩形波导所支持模式的有效折射率以确定波导尺寸,在RSoft软件中建立基于级联锥形耦合器的模式(解)复用器的结构模型。然后,利用光束传播法分析锥形波导宽度、锥形波导高度、锥形波导间距和波导表面均匀度等参数对模式耦合的影响,针对TE和TM偏振状态,在1530-1625nm(C+L波段)内分别计算了该器件的模式耦合效率、消光比和额外损耗等性能指标。结果表明,对于该器件的复用和解复用过程,E与E、E模式之间的耦合效率均大于0.97,额外损耗均小于0.15d B,消光比均大于20d B,且该器件具有良好的制造容差和弱偏振敏感性,有望应用于大带宽板上模分复用系统。

关键词：板级光互连聚合物光波导光束传播法损耗分析模式耦合

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聚合物光波导超精密模制技术研究

聚合物光波导超精密模制技术研究

作者：彭文强国防科学技术大学

学位级别：硕士

光波导作为集成光学的基本单元,也是全光网络传输的基础,光波导结构在现代光通信领域中具有十分重要的用途。有机聚合物以其介电常数小,电光和热光系数大,热损耗小,易于加工且可垂直集成等优点已成为制作集成光波导器件最具有前景的材... 详细信息

光波导作为集成光学的基本单元,也是全光网络传输的基础,光波导结构在现代光通信领域中具有十分重要的用途。有机聚合物以其介电常数小,电光和热光系数大,热损耗小,易于加工且可垂直集成等优点已成为制作集成光波导器件最具有前景的材料。本文把金刚石超精密切削技术与聚合物光波导器件微模具复制技术结合起来,提出了聚合物光波导的超精密模制工艺以实现光波导器件的快速大批量生产。主要研究内容如下: 1.依据光波导理论选择了适合模制工艺制作的光波导包层和芯层聚合物材料。根据光波导和光纤的耦合理论对聚合物光波导条进行了结构优化设计。提出了光波导条的超精密模制工艺具体实现流程。 2.针对梯形截面光波导分析比较困难提出了矩形光波导等效的微扰法,利用微扰法成功对梯形截面光波导进行了矩形截面等效。根据平板波导散射原理建立了矩形光波导的散射损耗理论模型。通过等效关系及散射理论模型确立了梯形截面光波导的散射损耗与表面粗糙度及尺寸精度之间的关系,为光波导微模具的制作及其模制工艺提供理论指导。 3.针对光波导微模具的金刚石飞切加工工艺,设计了微模具飞切加工刀具,确定了刀具具体的结构形式。通过正交实验分析了飞切加工工艺参数对光波导微模具表面质量的影响关系,确定了光波导微模具的最佳加工工艺参数。以光波导微结构的尺寸精度以及表面粗糙度为性能指标通过正交试验确定了最佳的注塑工艺参数。 4.为提高聚合物光波导端面质量,提出了一种基于磁流变的端面抛光方法。基于磁流变抛光工艺设计了一种端面抛光装置,获得了良好的端面抛光效果。 5.根据光纤-光波导耦合测试理论分析了各对准误差对测试损耗的影响关系。搭建了测试耦合五自由度微动平台,通光测试验证了制作聚合物光波导条具有良好的通光性能,从而验证微模具的金刚石飞切超精密加工的注塑模制工艺对聚合物光波导器件进行大批量快速制造的可行性以及有效性。

关键词：聚合物光波导散射损耗飞切加工模制端面抛光耦合测试

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光电印制电路板聚合物光波导成型技术的研究

光电印制电路板聚合物光波导成型技术的研究

作者：王锐电子科技大学

学位级别：硕士

随着信息技术的快速发展,印制电路板内部数据传输量呈指数级增长。由于铜导线固有的物理特性,印制电路板中的铜制导线在传输频率提升为高频情况下产生的寄生效应越来越严重,从而导致高比率的能量传输损耗。为了适应日益增长的宽带信号需... 详细信息

随着信息技术的快速发展,印制电路板内部数据传输量呈指数级增长。由于铜导线固有的物理特性,印制电路板中的铜制导线在传输频率提升为高频情况下产生的寄生效应越来越严重,从而导致高比率的能量传输损耗。为了适应日益增长的宽带信号需求,使用光互联代替电互连是一种有效的减少损耗的解决办法。聚合物光波导作为一类波导材料,其制备工艺能与传统印制电路板制作工艺兼容,且可以通过层压集成制成光电互联板。本论文结合了光波导的具体传输特性和光电印制电路板制作环境,从数值模型和制备条件两方面研究了适用于光电印制电路板的光波导制作工艺。在众多光波导制备方法中,软光刻方法工艺相对简单,亦可提供较高的制备精度,但此方法制作的光波导侧壁粗糙度较大,由此带来的损耗极大的影响了光学器件的性能。本文提出了一种热回流过程控制方法,用以改善聚合物光波导的侧壁粗糙度,提升了光波导的性能。文中根据电磁理论对聚合物光波导进行了模拟仿真。使用有限时域差分法对光波导器件进行电磁场模拟,观测到光波导表面粗糙度的变化和侧壁倾斜角度对光信号传输效果的影响。通过仿真发现,器件表面粗糙度大小,与传输过程中光能量的损耗呈正相关关系,且侧壁的影响大于顶部的影响,在制作过程中应改善侧壁的粗糙度;底部角度大小与传输过程中光能量的损耗呈现负相关关系,在制作过程中应尽量保持侧壁与底部垂直。本文针对光电印制电路板上光波导的制备条件进行了探索,主要包括弹性聚二甲基硅氧烷（Poly-dimethyl-siloxane,PDMS）模具的制造和聚合物光波导制造。论文作者通过实验探索对传统工艺进行了改进,对模压完成后的光波导进行热回流处理改善了侧壁粗糙度,侧壁粗糙度从0.16μm降低为0.11μm。并制备得到完整的光波导样品。通过对制备所得的光波导样品进行通光测试、光损耗测试、串扰测试和工艺可靠性测试。在850 nm的波长条件下,论文开发的处理将方法光波导的传输损耗从0.7 d B/cm降低为0.52 d B/cm,损耗情况得到明显改善。通过冷热循环处理和回流焊处理后,光波导性能几乎无变化,说明此光波导与印制电路板制造工艺结合性好,可以兼容印制电路板工艺中的温差环境。同时,该方法制作的光波导具有较好的重复性和稳定性。综上所述,该论文得出改进后的光波导工艺流程对于高性能的信息传输系统的性能提升和工业化生产具有重要的现实意义。

关键词：光电互联印制电路板聚合物光波导时序有限差分法

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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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

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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聚合物光波导制备及性能测试

聚合物光波导制备及性能测试

全国第17次光纤通信暨第18届集成光学学术会议

作者：徐晓马麟杜江兵何祖源上海交通大学电子信息与电气工程学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室

为了满足数据中心及高性能计算机带宽持续快速增长而产生的高性能互连需求,光互连技术引起了研究人员的广泛关注,并逐渐取代传统的电互连,不断向更短距互连应用领域渗透。集成了聚合物光波导的印刷电路板(Optical Printed Circuit Board... 详细信息

为了满足数据中心及高性能计算机带宽持续快速增长而产生的高性能互连需求,光互连技术引起了研究人员的广泛关注,并逐渐取代传统的电互连,不断向更短距互连应用领域渗透。集成了聚合物光波导的印刷电路板(Optical Printed Circuit Board,OPCB)因其具有柔韧性好、密度高、带宽大、与电路板的兼容性好、适合大规模批量生产等特点,有望成为短距光互连应用领域中的关键器件。而如何提高聚合物光

关键词：聚合物光波导光互连光刻技术

来源： cnki会议评论

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低损耗聚合物互连光波导的制备及性能测试

光电子．激光 2013年第4期24卷 716-719页

作者：李康庞拂飞吴金华张小贝王廷云上海大学通信学院特种光纤与光接入网重点实验室上海200072 上海美维科技有限公司上海201600

对应用于宽带光互连的光印刷电路板(OPCB)制备技术进行了研究。作为光互连系统的传输介质,我们研究了互连光波导的性能。基于紫外光刻技术,在常规PCB基底上制备了聚合物光波导,研究了光波导的制备流程以及工艺参数;并且通过不断优化工... 详细信息

对应用于宽带光互连的光印刷电路板(OPCB)制备技术进行了研究。作为光互连系统的传输介质,我们研究了互连光波导的性能。基于紫外光刻技术,在常规PCB基底上制备了聚合物光波导,研究了光波导的制备流程以及工艺参数;并且通过不断优化工艺参数,制备得到了低损耗的光波导;通过测试光波导的传输损耗以及眼图,分析了光波导的性能。光波导在850nm波长条件下的传输损耗可以达到0.13dB/cm,实现了10Gbit/s光通信信号的传输。

关键词：聚合物光波导紫外光刻光互连印刷电路板(PCB)

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有机聚合物光波导制作工艺综述

激光与红外 2015年第6期45卷 599-604页

作者：刘涛李志山蒋志杨敏王书荣云南师范大学太阳能研究所教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室云南省农村能源重点工程实验室云南昆明650500

有机聚合物光波导光互连已成为实现短距离计算通信设计目标的最佳解决方法。短距离光互连是未来互连方向,综合性能优良的聚合物多模光波导是光互连中的重要组成部分。有机聚合物光波导的制作工艺对光波导的性能具有重要影响,故此对有机... 详细信息

有机聚合物光波导光互连已成为实现短距离计算通信设计目标的最佳解决方法。短距离光互连是未来互连方向,综合性能优良的聚合物多模光波导是光互连中的重要组成部分。有机聚合物光波导的制作工艺对光波导的性能具有重要影响,故此对有机聚合物光波导的制作工艺进行了综述,并提出了一些未来的研发方向。

关键词：聚合物光波导光波导制作工艺光损耗