光子集成中的MMI型环形波导谐振腔的特性分析及结构设计

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：2003CB3 14900)展开的。 光子集成器件相对于分立器件具有尺寸小、成本低、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科学家关注的研究热点。光子集成技术的进步一方面依赖于半导体工艺水平的提高，另一方面则需要新结构器件的提出及运用。环形波导谐振腔具有尺寸小，结构简单，利于集成，可实现功能多等优点，在未来高密度、大规模的光子集成器件中有很好的应用前景。 本文对多模干涉(MMI)型环形波导谐振腔的特性进行了详细的理论分析，设计出了InP/InGaAsP多层结构的MMI型环形波导谐振腔，并初步摸索了它的制备工艺。论文的主要工作内容如下： 1．系统总结了目前主要的光子集成技术，介绍了环形波导谐振腔的原理、性能指标及其在光子集成器件中的应用，阐述了多模干涉(MMI)结构的原理与应用； 2．在传统传输矩阵分析法的基础上引入MMI耦合器的功率损耗系数，分别推导出单环与串联双环的传输函数的通用公式，并讨论了环形波导的传输损耗系数、等效折射率、MMI耦合器的损耗系数、耦合系数与环形波导半径等参数对输出频谱特性的影响； 3．设计MMI型环形谐振腔的外延层及波导结构并进行分析，满足了波导的单模传输、低偏振以及与单模光纤的高效耦合的要求，同时，对MMI耦合器进行设计以获得自由分光比，并对多种设计方法进行分析与比较； 4．对设计的器件进行湿法刻蚀试验。首先进行腐蚀液的选取及其对不同材料腐蚀速度的测试，然后根据得到的腐蚀时间对器件进行光刻及腐蚀，最后对实验所得结果进行原因分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 InP基光子集成技术

1.1.1 InP基光子集成技术简介

1.1.2 InP基光子集成技术的发展现状

1.2环形波导谐振腔

1.2.1环形波导谐振腔简介

1.2.2环形波导谐振腔在光子集成中的应用

1.3论文结构安排

参考文献

第二章 环形波导谐振腔的原理及其性能指标

2.1环形波导谐振腔的原理

2.1.1环形波导谐振腔工作原理

2.1.2环形波导谐振腔分类

2.1.3环形波导谐振腔性能指标

2.1.4环形波导谐振腔波导材料选择

2.1.5环形波导谐振腔的分析方法

2.2 MMI的工作原理及应用

2.2.1 MMI的工作原理

2.2.2 MMI的应用

参考文献

第三章 MMI型环形波导谐振腔的特性分析

3.1 对传统的传输矩阵法进行修正

3.2 单环波导谐振腔(一环一MMI)的特性分析

3.2.1传输函数的推导

3.2.2谐振点处特性分析

3.2.3环形谐振腔各参数对传输函数的影响

3.2.4结论

3.3 串联双环波导谐振腔(两个环形波导三个MMI)的特性分析

3.3.1下路通道传输函数的推导

3.3.2传输特性影响参数分析

3.3.3结论

参考文献

第四章 MMI型InP/InGaAsP环形波导谐振腔的波导设计

4.1 环形谐振腔的外延层设计与波导结构选择

4.2环形谐振腔端口的设计

4.2.1单模传输

4.2.2偏振不敏感

4.2.3与光纤低损耗耦合

4.3 MMI耦合器结构的设计

4.3.1角型MMI耦合器

4.3.2中间带有间隙的多模波导结构

4.3.3 MMI-MZI结构

4.3.4改变MMI波导的长度

4.3.5在MMI两波导臂之间的部分刻槽

4.3.6结论

参考文献

第五章 MMI型InP/InGaAsP环形波导谐振腔的制备

5.1刻蚀工艺简介

5.2湿法刻蚀环形波导谐振腔

5.2.1 InP/InGaAsP系材料的腐蚀液选择、溶液配比以及腐蚀速度测试

5.2.2环形腔的初步腐蚀

5.3 结论

参考文献

致谢