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单片光子集成关键技术与宽带可调谐半导体激光器研究

作 者: 江山
导 师: 谢世钟
学 校: 清华大学
专 业: 电子科学与技术
关键词: 单片光子集成光路 MOCVD对接生长 ICP刻蚀 SGDBR可调谐半导体激光器 数字滤波器
分类号: TN248.4
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


单片光子集成是通信光电子器件最重要的发展趋势,诸多材料、结构和工艺的兼容性等基础问题迫切需要解决。宽带可调谐半导体激光器作为典型的光子集成器件,在智能光网络中发挥着越来越重要的作用。本论文研究了MOCVD对接生长、低损伤ICP刻蚀、脊形波导结构制作等光子集成关键工艺和技术,系统深入地进行了SGDBR可调谐半导体激光器的结构设计、参数优化、器件制作与性能测试,并对SGDBR可调谐半导体激光器的动态特性进行了模拟仿真。为了实现有源/无源波导之间低损耗、低反射的耦合连接,仔细优化了对接界面形状与MOCVD二次外延工艺,实现了波导间高质量的对接生长;利用集成无源波导—FP激光器方法,得到对接波导的内部光学损耗为7cm-1;利用精密反射计测量对接界面的残余反射在10-4量级。采用特殊设计的多量子阱结构,研究并优化了低损伤ICP刻蚀的关键工艺参数,得到了一种损伤低、形貌良好的Bragg光栅制作方法,并将其应用于1.55μm InGaAsP DFB激光器的制作。针对有源光子集成器件的横向限制结构,提出了一种优化的脊形波导制作工艺;结合吸收波导、弯曲波导以及端面镀膜等方法,研制出1.3μm AlGaInAs超辐射发光二极管器件,也进一步证明了该工艺的稳定可靠。系统全面地研究了SGDBR可调谐半导体激光器的有源区、无源波导区、横向限制结构和SGDBR腔镜结构的设计与优化,提出了一整套优化参数;建立了完整的器件制作工艺流程;研制的器件准连续调谐范围大于40nm,在整个调谐范围内的边模抑制比大于30dB。采用数字滤波器方法,建立了一个灵活高效的激光器动态特性分析模型,并验证了该模型的有效性;利用该模型,研究了SGDBR可调谐半导体激光器波长切换过程中的模式竞争与瞬态光谱变化,提出了一种减少波长切换时间、降低通道串扰的新方法。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-12
第1章 引言  12-30
  1.1 选题背景介绍  12-15
  1.2 光子集成技术研究进展  15-20
    1.2.1 光子集成器件用基础材料  15-17
    1.2.2 光子集成器件制作的关键技术  17-19
    1.2.3 光子集成器件的发展应用  19-20
  1.3 单片集成宽带可调谐半导体激光器研究进展  20-26
    1.3.1 可调谐半导体激光器的调谐机理  21
    1.3.2 单片集成宽带可调谐半导体激光器研究进展  21-26
  1.4 论文的主要研究内容及成果  26-28
  1.5 论文的组织结构  28-30
第2章 单片光子集成器件的MOCVD对接生长工艺研究  30-49
  2.1 本章引论  30-31
  2.2 不同功能波导单元之间的单片集成技术  31-35
    2.2.1 选择区域生长技术  31-32
    2.2.2 偏移量子阱技术与双量子阱技术  32-33
    2.2.3 量子阱混杂技术  33
    2.2.4 非对称双波导技术  33-34
    2.2.5 对接生长技术  34-35
  2.3 有源/无源波导的MOCVD 对接生长工艺研究  35-44
    2.3.1 MOCVD 系统简介  35-37
    2.3.2 MOCVD 对接生长工艺流程  37-39
    2.3.3 MOCVD 对接生长的对接界面优化  39-41
    2.3.4 MOCVD 对接生长的外延材料质量  41-44
  2.4 有源/无源对接波导的内部损耗与对接界面的反射  44-48
    2.4.1 集成无源波导—FP 激光器与对接波导的内部损耗  44-45
    2.4.2 对接波导的内部损耗测试  45-47
    2.4.3 对接波导界面的反射测试  47-48
  2.5 本章小结  48-49
第3章 单片光子集成器件的微结构刻蚀工艺研究  49-68
  3.1 本章引论  49-50
  3.2 微结构制作中的刻蚀工艺  50-53
    3.2.1 湿法腐蚀工艺  51-52
    3.2.2 干法刻蚀工艺  52-53
  3.3 低损伤 ICP 干法刻蚀参数优化  53-60
    3.3.1 低损伤ICP 干法刻蚀参数优化  53-58
    3.3.2 1.55μm InGaAsP DFB 半导体激光器的制作  58-60
  3.4 波导横向限制结构  60-67
    3.4.1 脊形波导的工艺流程  61-63
    3.4.2 1.3μm AlGaInAs 超辐射发光二极管的制作  63-67
  3.5 本章小结  67-68
第4章 SGDBR可调谐半导体激光器的设计与制作  68-99
  4.1 本章引论  68-69
  4.2 有源区材料设计  69-75
    4.2.1 量子阱有源区的结构设计  69-74
    4.2.2 量子阱有源区的外延生长与性能表征  74-75
  4.3 调谐区材料设计  75-79
    4.3.1 调谐区的材料选择与结构设计  75-77
    4.3.2 调谐区材料的调谐能力测试  77-79
  4.4 横向限制结构设计  79-82
    4.4.1 有源/无源波导的光场限制因子  79-81
    4.4.2 有源/无源波导的重叠积分  81-82
  4.5 SGDBR 腔镜结构设计与参数优化  82-93
    4.5.1 SGDBR 的基本原理  83-85
    4.5.2 SGDBR 腔镜结构设计与参数优化  85-93
  4.6 SGDBR 可调谐半导体激光器的制作与性能测试  93-98
    4.6.1 器件制作的工艺流程  93-94
    4.6.2 器件的性能测试  94-98
  4.7 本章小结  98-99
第5章 SGDBR可调谐半导体激光器动态特性的理论研究  99-117
  5.1 本章引论  99-100
  5.2 模拟分析方法的理论模型  100-107
    5.2.1 有源区的时域行波法  100-101
    5.2.2 无源光栅区的传输矩阵法  101-103
    5.2.3 数字滤波器方法的引入  103-107
  5.3 理论模型与传输矩阵法相比的有效性  107-112
  5.4 SGDBR 可调谐半导体激光器动态特性研究  112-116
  5.5 本章小结  116-117
第6章 结论  117-120
  6.1 论文研究工作总结  117-118
  6.2 需要进一步开展的工作  118-120
参考文献  120-128
致谢  128-129
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  129-130

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光器 > 半导体激光器
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