磷化铟基可调谐半导体激光器和单片集成光子路由器研究

摘要

上世纪六十年代半导体激光器和光纤的问世引爆了人类的信息革命，磷化铟基的各类型光器件作为光通信技术的核心元器件也随之取得了翻天覆地的长足发展。但随着全球对廉价带宽需求的不断膨胀，目前各企业对于可调谐激光器等光器件的成本要求愈发苛刻，低成本高性能的可调谐激光器和多功能大规模集成度的光器件吸引了业界的关注，并成为目前发展的大趋势。本课题聚焦于开发高性价比的半导体可调谐激光器，并推向产业应用;同时基于本文提出的V型耦合腔可调谐激光器进一步探索超高集成度的光子路由器芯片，为未来全光路由技术打下基础。
　　现阶段市场上流行的单片集成半导体可调谐激光器都是基于光栅选模，成本较高。为了简化制作工艺降低成本，本文利用半波耦合环形滤波器的选模特性提出了半波耦合单环可调谐激光器，该激光器利用游标效应，通过改变有源区温度移动有源材料增益谱拼接多段单电极调谐曲线的方法取得了40nm以上的数字式调谐范围，而且2.5Gbps调制信号在单模光纤中成功传输了50km，眼图消光比6.7dB，功率代价为0.93dB。同时本文还优化设计了V型耦合腔可调谐激光器，并利用时域行波模型对其性能进行了全方位的分析，通过采用两段无源波导作为调谐波导取得了21×100GHz的数字式调谐、16.8nm的准连续调谐、纳秒级时延的快速波长切换以及10Gbps的大信号调制性能。半波耦合单环可调谐激光器和V型耦合腔可调谐激光器的优越表现和廉价特性使他们可以广泛应用于WDM PON、数据中心和各类传感器。
　　为了进一步扩大自由光谱范围，我们提出了半波耦合双环可调谐激光器，利用两个矩形环之间的游标效应，该激光器在不移动增益谱的前提下实验取得了35×100GHz的数字式调谐，并通过一种简单的准连续调谐算法还实验取得了19nm的准连续调谐。相对于传统基于上载下载型滤波器的双环激光器，本设计制作容差大，相位更加稳定。
　　针对全光交换技术，本文提出了一款基于V型耦合腔可调谐激光器的高集成度4×4光子路由器芯片，该芯片由可调谐波长转换器阵列和循环EDG构成，波长转换器使用十分紧凑的V型耦合腔可调谐激光器作为光源。文中分析了各种InP基集成平台的优缺点，可调谐波长转换器和循环EDG的设计要点，并详细论述了本光子路由器芯片中锥形波导以及各类MMI的优化设计过程。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 波长可调谐激光器

1．2．1 单片集成基于光栅的可调谐激光器

1．2．2 基于微环的可调谐激光器

1．2．3 外腔可调谐激光器

1．2．4 各类激光器性能比较

1．3 高速光交换芯片发展现状

1．3．1 非阻塞光开关芯片

1．3．2 波长路由型光子路由器芯片

1．4 本论文的章节安排

1．5 本论文的创新点

2 半波耦合环形可调谐激光器

2．1 调谐方式和游标效应

2．2 半波耦合器与半波耦合型环形滤波器

2．3 半波耦合型环形可调谐激光器的工作和设计原理

2．3．1 波导设计

2．3．2 半波耦合单环可调谐激光器的工作和设计原理

2．3．3 半波耦合双环可调谐激光器的工作和设计原理

2．4 半波耦合环形可调谐激光器的制作工艺

2．4．1 光刻

2．4．2 剥离

2．4．3 刻蚀

2．4．4 欧姆接触

2．4．5 半波耦合环形可调谐激光器的制作流程

2．5 半波耦合环形可调谐激光器的测试分析

2．5．1 半波耦合单环可调谐激光器测试分析

2．5．2 半波耦合双环可调谐激光器测试分析

2．6 本章小结

3 V型耦合腔可调谐激光器

3．1 V型耦合腔可调谐激光器的工作原理

3．2 V型耦合腔可调谐激光器结构设计原理

3．2．1 层状结构和波导结构设计

3．2．2 V型耦合腔可调谐激光器结构设计

3．3 基于时域行波模型的V型耦合腔可调谐激光器动态性能分析

3．3．1 行波时域模型

3．3．2 静态特性

3．3．3 波长切换特性

3．3．4 动态调制特性

3．4 V型耦合腔可调谐激光器的制作工艺

3．5 V型耦合腔可调谐激光器测试分析

3．6 本章小结

4 基于V型耦合腔可调谐激光器的4×4光子路由器

4．1 常用的InP基集成平台

4．1．1 多波导垂直集成技术

4．1．2 端对接技术

4．1．3 选择区域外延技术

4．1．4 量子阱混杂技术

4．1．5 偏置量子阱技术

4．2 4×4光子路由器工作原理

4．3 4×4光子路由器设计原理

4．3．1 可调谐波长转换器

4．3．2 循环EDG

4．4 4×4光子路由器波导设计

4．4．1 层状结构和波导设计

4．4．2 锥形波导设计

4．4．3 MMI设计

4．5 4×4光子路由器制作工艺研究

4．6 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 未来工作的展望

参考文献

作者简介