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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。
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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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