砷化镓载流子注入型光开关的研究

摘要

作为光纤通信网络的关键光器件之一，光开关及其阵列一直是研究与开发的重点，要实现光分组交换层次上的高速全光通信，高速光开关及其阵列是必不可少的关键器件。基于各种物理效应和原理与技术，已经研制出了多种光开关，这些光开关在消光比、损耗、偏振依赖等性能方面都已经部分达到相当好的水平。然而要实现纳秒乃至更高速率的光开关，并且同时具备其它完善特性，却一直没有很好的解决方案。
　　 GaAs、InP等Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体中的载流子注入效应所能够产生的折射率变化比电光效应高两个数量级，而且与偏振无关。采用载流子注入效应的光开关，其开关速度主要取决于载流子的寿命，可以达到100皮秒(ps)量级。GaAs材料具有相对低廉的成本优势，而且器件制作兼容GaAs微电子工艺，因此GaAs载流子注入型光开关有望成为实现纳秒级高速光开关的重要途径之一。
　　 椎国家自然科学基金重点项目支持下，本课题主要研究1.55μm GaAs载流子注入型光开关单元器件及其阵列。针对载流子注入型器件制作工艺特点，重点开展了GaAs载流子注入型光开关器件的制作工艺研究。通过对基本制作工艺的摸索，成功掌握GaAs载流子注入型器件的制作工艺并成功研制出两种2×2 GaAs载流子注入型光开关单元器件。本论文具有创新性意义的工作主要体现在三个方面：
　　 1、针对芯层较厚的外延材料提出了两步腐蚀的制作方法，该方法具有工艺简单、对设备要求低的特点。使用该工艺流程对载流子注入型器件的制作进行了初步探索，成功研制出2×2多模干涉(MMI)型光开关，开关工作电流为160mA。采用氧离子注入隔离的方法，对控制载流子注入侧向扩散问题进行了研究。
　　 2、采用多模干涉．马赫曾德尔(MMI—MZ)结构研制了GaAs载流子注入型光开关，其制作工艺避开了全内反射型等结构光开关制作工艺中的离子注入等技术难题。制作该结构器件仅需三次光刻，有效降低了多次套刻误差对器件性能的影响。设计并成功制作了2×2MMI—MZ型光开关，电极长度仅为100μm，在注入电流80mA时器件的消光比超过了25dB，且在1542—1562nm波段具有平坦的偏振不敏感响应；初步测试判断开关的上升、下降沿均在10ns以内。
　　 3、利用S弯曲结构、多模干涉结构以及W型五层平板波导分别设计分析了可变光衰减器(VOA)，讨论了扩展锥形过渡波导对传输相位的影响；采用这些VOA结构与光开关集成可以进一步提高光开关的消光比性能，已在聚合物材料热光开关器件上得到验证，并基于GaAs材料进行了VOA与分束器功能集成的一些探索性试验。
　　 在本课题研究中利用GaAs中的自由载流子吸收效应在1.55μm波段成功获得了高达—0.01的折射率改变，为继续研究长波长GaAs载流子注入型器件提供了重要的实验依据，同时也表明了GaAs载流子注入型器件的技术优势。通过改进器件结构以及改善制作工艺，GaAs载流子注入型高速光开关将能达到更好的性能指标，以满足各类应用场合的需求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

1绪论

1.1引言

1.2光开关概述

1.3化合物半导体光开关的研究进展

1.4研究意义和所做工作

参考文献

2 GaAs材料与制作工艺

2.1 GaAs材料特性

2.1.1外延生长技术

2.1.2载流子注入效应

2.1.3 AlGaAs／GaAs／AlGaAs双异质结

2.2 GaAs制作工艺

2.2.1刻蚀技术

2.2.2掺杂技术

2.2.3介质膜的生长与刻蚀

2.2.4电极制作以及欧姆接触

参考文献

3 GaAs载流子注入型光开关的设计

3.1外延材料与波导结构设计

3.2工艺流程设计

3.3光开关结构设计

3.3.1多模干涉自映像效应

3.3.2多模干涉-马赫曾德尔型光开关

3.3.3多模干涉型光开关

3.3.4基于外延材料一的器件设计

3.3.5基于外延材料二的器件设计

3.3.6锥形光波导中附加相位特性的分析

参考文献

4器件制作与测试

4.1基本工艺的摸索

4.1.1光刻

4.1.2波导的腐蚀

4.1.3电极制作

4.1.4氧离子注入

4.2基于外延材料一的器件制作及测试

4.2.1材料通光测试

4.2.2器件制作

4.2.3器件测试

4.3基于外延材料二的器件制作及测试

4.3.1材料通光测试

4.3.2器件制作

4.3.3器件测试

4.3.4载流子注入型器件的工艺难点

参考文献

5可变光衰减器的设计

5.1 S弯曲可变光衰减器

5.1.1工作原理

5.1.2集成S弯曲衰减器的1×2热光光开关

5.1.3 GaAs载流子注入型S弯曲衰减器

5.2多模干涉型可变光衰减器

5.3基于W型五层平板波导的可变光衰减器

参考文献

6总结与展望

6.1总结

6.2存在的不足及展望

作者简历及攻读博士学位期间的研究成果