多量子阱多模干涉型光子器件研究

摘要

随着信息技术的飞速发展，光通信作为一门前沿技术在21世纪将成为信息科学技术发展的重要方向之一。光通信质量和效率的提高，光器件是关键和核心。利用Ⅲ-Ⅴ族半导体多量子阱(MQW)材料，可制成各类低功耗、超高速平面光波光路(PLC)单元，从而为研制PiCs和OEICs奠定基础。 本文基于InP/InGaAsP多量子阱材料，对可调式多模干涉耦合器、光调制器/开关等器件开展了理论分析，优化设计、加工制作以及测试分析等多方面工作，主要工作包括： 1．对普通和受限多模干涉自镜像效应及非矩形结构的多模干涉自镜像效应进行了系统阐述；介绍了广义N×N多模干涉马赫-曾德尔光开关工作原理，给出了光场传输模型。 2．讨论了目前光波导材料的物理效应，然后建立了基于准静态法的行波电极分析模型，分析了行波电极波导内部电场分布与外驱动电路阻抗匹配关系，以及调制信号入口的位置等，给出了电极尺寸、电极间隙与调制器特性阻抗的关系。 3．提出并设计、制作测试了可调式InP/InGaAsP多量子阱2×2矩形与蝴蝶形、4×4矩形、l×4级联型多模干涉耦合器及基于可调式MMI耦合器的1×1、2×2马赫一曾德光调制器/开关。确定了器件的材料结构，光波导结构及器件的最佳几何尺寸。利用国内工艺线加工了器件样品，并利用本实验室建立的81910A光子全参数测试系统，对这些器件进行了裸片测试，并对测试结果进行了分析，测试结果与理论分析结果基本相符。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1光通信技术及光子器件简介

1.1.1光网络和WDM技术

1.1.2用于WDM系统的光子器件

1.2平面光波光路器件

1.2.1 平面光波光路器件简介

1.2.2 波导型耦合器/功分器

1.2.3耦合器材料

1.3多模干涉型耦合器

1.4多模干涉型耦合器的研究现状

1.4.1 多模干涉耦合器研究及应用现状

1.4.2 存在的主要问题

1.5本文主要工作

参考文献

第二章 多模干涉自镜像原理

2.1普通干涉自镜像效应

2.1.1 N×N情形

2.1.2 1×N情形

2.1.3 2×N情形

2.2重叠干涉自镜像效应

2.2.1 1×N情形

2.2.2 2×N情形

2.2.3 N×N情形

2.3非矩形结构的自镜像效应

2.4广义N×N多模干涉马赫-曾德尔光开关工作原理

2.4.1 多模干涉耦合器的场传输矩阵与传输方程。

2.4.2 多模干涉马赫-曾德尔光开关的光场传输方程

2.4.3 分析讨论

2.5本章小结

参考文献

第三章 电极设计与优化

3.1光波导材料的物理效应

3.1.1 电光效应

3.1.2 电吸收效应

3.2电极设计及优化

3.2.1集总电极

3.2.2行波电极

3.3本章小结

参考文献

第四章 多量子阱多模干涉耦合器及分功器的设计及优化

4.1器件基本参数

4.1.1 材料结构

4.1.2光波导结构

4.1.3 S弯曲波导结构

4.2 2×2可调多模干涉InP/InGaAsP多量子阱耦合器

4.3 Butterfly型多模干涉InP/InGaAsP多模干涉耦合器

4.4 1×2可调多模干涉InP/InGaAsP多量子阱分功器

4.4.1 多模波导结构设计

4.4.2 特性分析

4.4.3 偏振态的影响

4.5 4×4多模干涉InP/InGaAsP多量子阱耦合器

4.6级联型1×4多模干涉InP/InGaAsP多量子阱耦合器

4.7本章小结

参考文献

第五章 多量子阱多模干涉型光开关/调制器设计及优化

5.1 1×1多模干涉型行波调制器

5.1.1 设计考虑

5.1.2 结构设计

5.1.3 优化分析

5.1.4 器件的整体性能

5.2 2×2多量子阱多模干涉型光开关

5.2.1 设计考虑

5.2.2 结构设计

5.2.3 优化分析

5.2.4 器件的整体性能

5.3本章小结

参考文献

第六章 InP/InGaAsP-MQW-PLCs的制作和测试分析

6.1加工制作流程

6.1.1 InP/InGaAsP多量子阱材料的分子束外延生长

6.1.2 衬底制备

6.1.3 器件图形加工

6.1.4 器件的切割与封装

6.2器件的测试平台

6.2.1 81910A光子全参数测试系统

6.2.2 光纤与波导对准耦合系统

6.3 InP/InGaAsP-2×2MMI型耦合器的测试分析

6.4 InP/InGaAsP-2×2 Butterfly MMI型耦合器的测试分析

6.5 InP/InGaAsP-MQW 4×4MMI型分路器的测试分析

6.6 InP/InGaAsP-MQW 1×4MMI型耦合器型的测试分析

6.7 InP/InGaAsP-M-Z型MQW光调制器的测试分析

6.8 InP/InGaAsP-M-Z型MQW光开关的测试分析

6.9本章小结

参考文献

总结

致谢

攻读硕士学位期间完成的学术论文及参加的科研项目