InP基MMI-MZI型2×2光开关的理论分析与实验研究

摘要

本论文工作是围绕国家“973”计划项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”(项目编号：2003CB314900)展开的。 当今世界正在演绎着一场光电子器件由分立转向集成的重大转折。集成光电子器件较之分立器件具有尺寸小、功耗低、成本少、性能优越和可靠性高等诸多优点，已成为光通信和光电子领域研究的热点。光开关普遍用于光分插复用器、光交叉连接器以及其它先进的光系统架构中，是WDM网络的奠基石，基于光开关的集成器件已成为研究的重点。 本文是单片集成可重构光分插复用器(ROADM)研究工作的基础部分，理论分析并实验制备出其关键部件——InP基多模干涉马赫曾德型(MMI-MZI)2×2光开关。同时，将楔形结构引入到非对称双波导(ATG)光子集成技术中，对楔形波导耦合器在ATG结构波导/PIN探测器集成器件中的性能进行了计算与分析。论文的主要工作内容如下： 1．综述与分析了目前五种主要的InP基单片光子集成技术的原理、特点与应用现状，讨论了它们的优势与不足，并介绍了多种光子集成技术的混合运用； 2．提出了一种基于楔形耦合波导的ATG集成技术，由此设计了波导/PIN探测器集成器件，并对楔形结构的特性参数进行了分析与优化设计；与横向锥形耦合波导相比，选择合适的楔形外延层与结构参数，可以在更短的长度内，实现更大的传输效率，而且对制备工艺的要求更简单； 3．详细分析了InP/InGaAsP MMI-MZI型2×2光开关的设计，包括波导的单模传输、低偏振敏感要求以及与单模光纤的高效耦合，并对光开关与光纤耦合的对准容差、光开关的制造容差进行了讨论； 4．摸索了InP/InGaAsP光开关的制备工艺，进行了光开关的初步实验与测试，并对掩膜版的设计、制作的后续处理以及测试装置等提出了改进。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究意义与课题背景

1.1.1光子集成的优越性

1.1.2实现光子集成的困难

1.1.3光子集成技术的目标

1.1.4 ROADM的PIC设计实例

1.2研究内容与结构安排

参考文献

第二章InP基单片光子集成技术

2.1五种常用的光子集成技术

2.1.1 Butt-joint光子集成技术

2.1.2 SAG光子集成技术

2.1.3 QWI光子集成技术

2.1.4 OQW光子集成技术

2.1.5 ATG光子集成技术

2.2光子集成技术的混合运用

2.2.1 SAG与Butt-joint混合运用

2.2.2 ATG与QWI混合运用

2.2.3 SAG,QWI与ATG混合运用

2.3本章小结

参考文献

第三章楔形结构在ATG集成技术中的应用与性能分析

3.1一种新的ATG光子集成技术的提出

3.1.1垂直耦合双波导结构集成技术简介

3.1.2新的ATG光子集成技术的构想

3.1.3工艺基础——楔形结构的制备

3.2楔形在ATG结构PIN探测器集成器件中的应用

3.2.1楔形在ATG结构PIN探测器集成器件中的性能分析

3.2.2楔形耦合器的特性分析

3.2.3带楔形耦合器的ATG结构PIN探测器集成器件的制造工序探讨

3.3单模光纤波导的设计

3.3.1光纤与波导耦合的理论分析

3.3.2光纤波导设计及其对准容差分析

3.4本章小结

参考文献

第四章MMI-MZI型InP/InGaAsP光开关的设计

4.1光开关简介

4.1.1 2×2光开关功能设计及相关说明

4.1.2 MMI-MZI型光开关的工作原理

4.2 MMI-MZI型InP/InGaAsP光开关的设计

4.2.1光开关外延层的设计

4.2.2光开关传输波导的设计

4.2.3光开关的MMI设计

4.2.4光开关状态的设计

4.3光开关的制造容差

4.3.1 MMI长度变化对光开关的影响

4.3.2光开关宽度变化对光开关的影响

4.3.3两侧波导宽度不对称对光开关的影响

4.1本章小结

参考文献

第五章光开关的制备与测试

5.1光开关波导材料的生长

5.1.1外延片的设计与制备

5.2光开关的加工

5.2.1掩膜版的绘制与制备

5.2.2光波导的干法刻蚀

5.2.3光开关电极的制作

5.2.4后续工艺——侧面处理

5.2.5后续工艺——端面处理

5.3光开关的测试

5.3.1光开关测试指标

5.3.2光开关测试装置

5.4本章小结

参考文献

附录

致谢