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InP基MMI-MZI型2×2光开关的理论分析与实验研究

作　者: 高飞
导　师: 黄永清
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 光子集成技术楔形耦合器多模干涉马赫曾德型光开关
分类号: TN25
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-16
  1.1 研究意义与课题背景  10-13
    1.1.1 光子集成的优越性  10-11
    1.1.2 实现光子集成的困难  11-12
    1.1.3 光子集成技术的目标  12
    1.1.4 ROADM的PIC设计实例  12-13
  1.2 研究内容与结构安排  13-14
  参考文献  14-16
第二章 InP基单片光子集成技术  16-35
  2.1 五种常用的光子集成技术  16-26
    2.1.1 Butt-joint光子集成技术  16-18
    2.1.2 SAG光子集成技术  18-19
    2.1.3 QWI光子集成技术  19-22
    2.1.4 OQW光子集成技术  22-24
    2.1.5 ATG光子集成技术  24-26
  2.2 光子集成技术的混合运用  26-29
    2.2.1 SAG与 Butt-joint混合运用  26-27
    2.2.2 ATG与 QWI混合运用  27-28
    2.2.3 SAG，QWI与 ATG混合运用  28-29
  2.3 本章小结  29-30
  参考文献  30-35
第三章楔形结构在 ATG集成技术中的应用与性能分析  35-57
  3.1 一种新的ATG光子集成技术的提出  35-39
    3.1.1 垂直耦合双波导结构集成技术简介  35-37
    3.1.2 新的ATG光子集成技术的构想  37-38
    3.1.3 工艺基础—楔形结构的制备  38-39
  3.2 楔形在 ATG结构 PIN探测器集成器件中的应用  39-46
    3.2.1 楔形在 ATG结构 PIN探测器集成器件中的性能分析  39-43
    3.2.2 楔形耦合器的特性分析  43-45
    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  45-46
  3.3 单模光纤波导的设计  46-53
    3.3.1 光纤与波导耦合的理论分析  46-49
    3.3.2 光纤波导设计及其对准容差分析  49-53
  3.4 本章小结  53-54
  参考文献  54-57
第四章 MMI-MZI型 InP/InGaAsP光开关的设计  57-71
  4.1 光开关简介  57-59
    4.1.1 2×2光开关功能设计及相关说明  57-58
    4.1.2 MMI-MZI型光开关的工作原理  58-59
  4.2 MMI-MZI型 InP/InGaAsP光开关的设计  59-67
    4.2.1 光开关外延层的设计  59-60
    4.2.2 光开关传输波导的设计  60-63
    4.2.3 光开关的MMI设计  63-65
    4.2.4 光开关状态的设计  65-67
  4.3 光开关的制造容差  67-70
    4.3.1 MMI长度变化对光开关的影响  67-68
    4.3.2 光开关宽度变化对光开关的影响  68
    4.3.3 两侧波导宽度不对称对光开关的影响  68-70
  4.1 本章小结  70
  参考文献  70-71
第五章光开关的制备与测试  71-84
  5.1 光开关波导材料的生长  71-72
    5.1.1 外延片的设计与制备  71-72
  5.2 光开关的加工  72-79
    5.2.1 掩膜版的绘制与制备  72-74
    5.2.2 光波导的干法刻蚀  74-77
    5.2.3 光开关电极的制作  77
    5.2.4 后续工艺—侧面处理  77-79
    5.2.5 后续工艺—端面处理  79
  5.3 光开关的测试  79-82
    5.3.1 光开关测试指标  79-80
    5.3.2 光开关测试装置  80-82
  5.4 本章小结  82-83
  参考文献  83-84
附录1 与 InP匹配的四元系 Ga_xIn_(1-x)As_yP_(1-y)材料的折射率计算  84-86
  参考文献  85-86
致谢  86

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