Návrh a realizace polymerních struktur pro fotonické aplikace

Abstract

Předložená diplomová práce je zaměřena na návrh a realizaci optických polymerních vlnovodů. V první části práce je popsaný princip šíření světla planárním optickým vlnovodem. V další části jsou shrnuty polymerní a biokompatibilní materiály používané pro realizaci optických planárních vlnovodů. Následuje návrh jednovidových a mnohavidových planárních optických vlnovodů a mnohavidových planárních optických rozbočnic 1x2Y. Rozbočnice byly optimalizovány pomocí specializovaného simulačního programu BeamPROP od firmy RSoft, který využívá k výpočtu metodu šíření optického svazku BPM (Beam Propagation Method). Praktická část práce je rozdělena na dvě části, kdy první část využívá k výrobě planárních optických vlnovodů negativní předlohu vytištěnou na 3D tiskárně. Jako materiály k výrobě byly zvoleny certifikované biokompatibilní optické polymerní elastomery PDMS (polydimethylsiloxan) NuSil MED-6210 a NuSil MED-6215. Ve druhé části jsou k výrobě vlnovodů využity fotocitlivé polymery a k zapisování struktur je využita laserová litografie s přímým zápisem (LBW – Laser Beam Writing). Byl testován proces výroby jednovidových planárních optických vlnovodů s využitím pozitivního fotorezistu MicropositTM S1805TM G2 nebo S1818TM G2 a technologie hlubokého reaktivního iontového leptání (DRIE – Deep Reactive Ion Etching). K výrobě mnohavidových planárních optických vlnovodů s využitím technologie LBW jsem použil polymerní epoxidové pryskyřice EpoCore a EpoClad. U přímých vlnovodů vyrobených z certifikovaných biokompatibilních elastomerů PDMS NuSil MED-6210 a NuSil MED-6215 s využitím metody 3D tisku bylo dosaženo hodnot optického útlumu 0,99 𝑑𝐵/𝑐𝑚 na vlnové délce 532 𝑛𝑚, 0,48 𝑑𝐵/𝑐𝑚 na 650 𝑛𝑚, 0,66 𝑑𝐵/𝑐𝑚 na 850 𝑛𝑚, 0,69 𝑑𝐵/𝑐𝑚 na 1300 𝑛𝑚 a 2,10 𝑑𝐵/𝑐𝑚 na 1550 𝑛𝑚. Optické kanálkové vlnovody realizované pomocí technologie laserové litografie měli optický útlum vyšší než 1 𝑑𝐵/𝑐𝑚, protože se plně nepodařilo optimalizovat výrobní postup z důvodů technických problémů. Tyto technické problémy byly způsobeny používáním nových zařízení, které při řešení diplomové práce byly ve zkušebním provozu. Přesto provedené experimenty prokázaly vhodnost dané technologie pro výrobu navržených planárních optických vlnovodů a věřím, že navazující práce po optimalizaci technologických procesů umožní výrobu optických vlnovodů s optickým útlumem nižším než 1 𝑑𝐵/𝑐𝑚 na vlnových délkách 850 𝑛𝑚 a 1300 𝑛𝑚.

The enclosed diploma thesis is focused on the design and realization of optical polymer waveguides. The first part aims to describe the principle of light propagation through a planar optical waveguide. The following segment is devoted to summarizing the polymer and biocompatible materials used for the optical planar waveguide implementation. The ensuing section depicts a design of single mode and multimode planar optical waveguides and multimode planar optical 1x2Y splitters. The splitters were optimized using a specialized simulation software BeamPROP, developed by RSoft, which utilizes the Beam Propagation Method (BPM). The practical part is divided into two parts. In the first part a 3D printed negative mould is used for the planar optical waveguides manufacturing. The materials chosen were certified biocompatible optical polymer elastomers PDMS (polydimethylsiloxane) NuSil MED-6210 and NuSil MED-6215. In the second part, the waveguides were produced using photosensitive polymers and for structure manufacturing, the Laser Beam Writing technology was used. To test the process of producing single mode planar optical waveguides, either the positive photoresist MicropositTM S1805TM G2 or S1818TM G2 and the Deep Reactive Ion Etching (DRIE) technology were utilized. Polymer epoxy resin EpoCore and EpoClad together with the LBW technology were used for the construction of multimode planar optical waveguides. For straight waveguides fabricated from certified biocompatible elastomers PDSM NuSil MED-6210 and NuSil MED-6215 using the method of 3D printing, the values of optical attenuation were measured as 0,99 𝑑𝐵/𝑐𝑚 for the wavelength 532 𝑛𝑚, 0,48 𝑑𝐵/𝑐𝑚 for 650 𝑛𝑚, 0,66 𝑑𝐵/𝑐𝑚 for 850 𝑛𝑚, 0,69 𝑑𝐵/𝑐𝑚 for 1300 𝑛𝑚 a 2,10 𝑑𝐵/𝑐𝑚 for 1550 𝑛𝑚. For the optical channel waveguides produced using the LBW technology, the optical attenuation measured exceeded 1 𝑑𝐵/𝑐𝑚, as the manufacturing process couldn’t be ideally optimized as a result of technical issues. These issues were caused by using new equipment, which was in trial operation when it was used for the purposes of this diploma thesis. Despite that, the conducted experiments proved the suitability of this technology for the fabrication of the designed planar optical waveguides and it is my firm belief that a subsequent work focused on the technological process optimalization will enable the production of optical waveguides with optical attenuation under 1 𝑑𝐵/𝑐𝑚 for both 850 𝑛𝑚 and 1300 𝑛𝑚 wavelengths respectively.