Ⅲ—V族半导体MQW平面光波光路器件的研究

摘要

本文围绕着Ⅲ-Ⅴ族半导体MQW-PLC中两个重要的单元器件：光调制器/开关(OM/S)和谐振腔滤波器(RF)，开展理论分析、优化设计、材料生长、图形加工、样品制作以及测试分析等研究工作。 第一章简要回顾了光网络、微波光子系统的发展过程以及PLC和PICs在其中的作用，全面概述了各类平面波导高速光调制器和光滤波器的研究进展，综述并评价了Ⅲ-Ⅴ族半导体MQW的性能、制作工艺和主要分析方法，提出了深入开展研究工作的规划和思路。 第二章重点讨论了时域有限差分束传输法(TD-FD-BPM)、时域有限差分法(FDTD)及分析介质光波导的边界条件等问题，基于完全匹配层(PML)吸收边界条件，建立了分析平面光波导器件的二维、三维数值仿真模型和平台，为MQW-OM/S和RF光传输通道的优化设计提供了精确且高效的工具。 第三章详细描述了高折射率差平面单谐振腔中光波激励、谐振、耗散的物理过程和基本特征，建立了各类谐振腔单元光路的系统分析模型和主要性能参数的完整表达式；建立了四端口谐振腔系统分析理论，给出了各端口传输系数的表达式；讨论和确定了GaAs/GaAlAs双异质结(DH)、GaAs/InGaAs-MQW和InP/InGaAsP-MQW脊波导结构参数以及耦合方式；基于3D-FDTD软件，优化设计出GaAs/GaAlAs-DH对称双、四矩形并联驻波RFs和单、串联跑道形行波RFs，GaAs/InGaAs-MQW单环以及InP/InGaAsP-MQW单矩形、混合型RFs。首次提出将多模干涉(MMI)波导等同于矩形谐振腔的构想，使其兼具多模干涉和谐振选频两种功能。首次提出具有多向传输通道和接口的谐振腔滤波系统的构想，并通过了数值仿真论证。 第四章基于Ⅲ-Ⅴ族半导体MQW-OM/S的设计需求，系统讨论了MQW的物理特性，分析了电吸收系数与MQW结构参数的关系，设计了InP/InGaAsP-MQW波导结构，确定了结构参数及掺杂比等；分析了InP/InGaAsP-MQW脊波导及相关器件中光波传输；建立了行波(TW)电极准静态和直接时域近似分析模型，详细分析讨论了行波电极的调制特性，为确定互作用区位置和行波电极的设计、制作和测试提供了理论依据。提出了新型的2X1光双波合路平面波导OM/S单元器件结构，可对两路光信号共用单调制器/开关获得调制。 第五章主要重点介绍了分子束外延生长技术，基于国内最先进的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料生长工艺线，研制出10周期InGaAsP/InP应变多量子阱和相应包层的外延材料。对实验样品进行了10K温度下的PL光谱测试和双晶衍射测试，结果表明：阱层带隙波长为1520nm，阱层周期为17.1±0.3nm，与设计的标称值相符；量子阱层界面质量良好且与衬底匹配；该材料适于制成电吸收型调制器/开关。 第六章首先讨论并制定了Ⅲ-Ⅴ族半导体MQW平面波导制作工艺归范和流程，着重提出一种制作金属电极的新方法，妥善解决了器件制作的难点；在我国先进的工艺线上，研制出7种平面波导RFs和2种平面波导OM/S芯片。建立了具有国际先进水平的81910A光子全参数测试系统，实现了裸片与单模光纤的高效耦合，9类器件裸片均在实验室内通过了光学性能和静电测试，实际测试结果与仿真设计结果符合较好。其中，InP/InGaAsP-MQW-MZ-OM/S在外加电压1.2-1.8v时，捕获到较强的电吸收效应，光功率变化率约为0.33/v；MMI型矩形RF获得比仅基于谐振腔的RF更理想的输出功率谱；InP/InGaAsP-MQW单矩形/环行混合RF滤波的性能优于同类非混合器件。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1光网技术与光子器件

1.1.1 Internet的发展

1.1.2 IP overDWDM

1.1.3微波光子网技术

1.1.4现代光网中的平面光波光路

1.2光调制器/开关(OM/S)研究现状

1.2.1 LiNbO3-OM/S

1.2.2聚合物波导OM/S

1.2.3半导体多量子阱电吸收型OM/S

1.3平面波导滤波器研究现状

1.3.1平面波导谐振腔滤波器

1.3.2其它滤波器

1.4 Ⅲ-Ⅴ半导体光波导设计方法及工艺技术

1.4.1设计方法

1.4.2工艺流程

1.4.3 MQW材料结构外延生长技术

1.4.4图形加工

1.5本文工作简介

1.5.1研制多量子阱PLC器件的重要性

1.5.2欲解决的主要问题

1.5.3本文完成的主要工作

1.5.4本文的主要创新点

参考文献

第二章平面光波光路(PLCs)时域束传输法和有限差分法分析

2.1时域束传播法

2.1.1时域束传播方程

2.1.2二维标量时域有限差分束传输方程

2.1.3 TD-FD-BPM法边界条件

2.2时域有限差分法(FDTD)

2.2.1 Yee算法

2.2.2吸收边界条件

2.2.3激励源

2.3算法验证和分析

2.3.1 TD-FD-BPM

2.3.2 FDTD

2.4本章小结

参考文献

第三章高折射率差平面谐振腔滤波器分析及设计

3.1谐振腔中的光波

3.1.1基本定义和概念

3.1.2耦合谐振腔

3.1.3谐振腔与波导的耦合

3.1.4稳态单环谐振腔性能分析

3.2四端口谐振腔系统分析

3.2.1各端口光波振幅关系

3.2.2行波型谐振腔系统

3.2.3驻波型谐振腔系统

3.2.4两相同驻波谐振腔系统

3.3谐振腔滤波器FDTD优化设计分析

3.3.1波导结构和仿真条件

3.3.2 GaAs/GaAlAs双异质结平面谐振腔滤波器

3.3.3 GaAs/InGaAs多量子阱平面谐振腔滤波器

3.3.4 InP/InGaAsP多量子阱平面谐振腔滤波器

3.3.5多功能平面波导谐振腔滤波系统

3.4本章小结

参考文献

第四章Ⅲ-Ⅴ族半导体多量子阱光调制器/开关性能分析及设计

4.1 Ⅲ-Ⅴ半导体MQW的物理特性

4.1.1MQW中的主要物理现象

4.1.2Ⅲ-Ⅴ族半导体多量子阱吸收谱分析

4.1.3 MQW基本参数估算

4.2 MQW波导设计

4.2.1Ⅲ-Ⅴ半导体的禁带宽度Eg和折射率的计算

4.2.2 InGaAsP/InP-MQW波导结构设计

4.3InP/InGaAsP-MQW光波导及OM/S传输分析

4.3.1 InP/InGaAsP-MQW的光传输系数

4.3.2 MQW直脊波导单模场图及光传输分析

4.3.3 M-Z型OM/S分支夹角与光功率损耗关系

4.3.4 2X1光双波合路平面波导调制器/开关

4.4半导体多量子阱调制器行波电极分析

4.4.1静态特性分析

4.4.2 MQW结构衬底微波电路模型——直接时域近似法

4.4.3 MQW-OM/S行波电极微波特性分析

4.5本章小结

参考文献

第五章InP/InGaAs化合物半导体多量子阱材料的生长

5.1 InP/InGaAsP多量子阱材料的分子束外延生长

5.1.1半导体材料分子束外延(MBE)原理

5.1.2衬底制备

5.2 InP/InGaAsP-MQW材料的生长及性能分析

5.2.1 InP/InGaAsP-MQW的生长

5.2.2 InP/InGaAsP-MQW的性能分析

5.3 InP/InGaAsP应变多量子阱结构分析

5.3.1一般常用的晶体结构和组分分析方法

5.3.2高分辨X射线双晶衍射测量原理

5.3.3 InP/InGaAsP应变多量子阱结构的X射线双晶衍射(XRD)

5.4本章小结

参考文献

第六章InGaAsP/InP-MQW-PLCs的制作和测试分析

6.1 InP/InGaAsP平面波导器件制作

6.1.1器件图形加工

6.1.2电极制作

6.1.3器件芯片切割和封装

6.2光子器件测试系统

6.2.1光功率计

6.2.2可调谐激光器（Tunable Laser Source，TLS）

6.2.3光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer，OSA）

6.2.4光子全参数测试系统

6.2.5光纤与波导对准耦合系统

6.3测试误差分析

6.3.1器件连接或光纤熔接引入的不确定性

6.3.2光电探测单元的不确定性

6.3.3被测器件的偏振相关性

6.3.4光的干涉

6.3.5光源的光谱特性

6.3.6器件的色散特性

6.4半导体平面波导谐振腔滤波器件测试分析

6.4.1 GaAs/A1GaAs-DH波导谐振腔型滤波器

6.4.2InP/InGaAsP-MQW波导谐振腔滤波器滤波特性实验分析

6.5InP/InGaASP-MQW光调制器/开关的测试分析

6.5.1集成环形谐振腔的单条型MQW光调制器

6.5.2 M-Z型MQW调制器/开关

6.6本章小结

参考文献

全文总结

个人简介及攻读博士期间发表论文和申请专利等

致谢