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磷化铟基集成光子器件及其关键工艺技术研究

作　者: 王磊
导　师: 何建军；何赛灵
学　校: 浙江大学
专　业: 光通信技术
关键词: 光子集成阶梯光栅解复用器平板波导探测器单电极无跳模激光器单耦合器环形腔耦合激光器光纤到户、单纤三向收发器
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 90次
引　用: 1次
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内容摘要

上世纪70年代,磷化铟材料外延技术的进步使得长寿命,高可靠性的半导体有源器件走向成熟,为光通信的飞跃式发展奠定了基础。磷化铟及其四元衍生物的能带结构可以随组分变化,为各种光子器件的实现提供了极大的灵活性,因此磷化铟集成光子器件的一直是国际上研究的热点之一本课题的研究目的就是利用磷化铟及其四元衍生物这一平台,针对密集波分复用,可调谐激光器,光纤到户等应用方向开展一系列的研究,开发出低成本、高可靠性的集成化光子器件,同时在磷化铟集成光子器件的理论和工艺制作方面进行探索,为今后发展更多功能的集成光电子器件奠定坚实的基础。目前世界上报道的性能最为优异的密集波分复用集成光通道监测器件是加拿大Metro-Photonic公司于2004年推出的集成了波导探测器和阶梯光栅解复用器的44通道光通道监测器。该器件集成度较高,但是也存在尺寸和插损较大等缺点,针对其不足,本文提出了平板波导探测器和阶梯光栅解复用器的集成方案,该方案克服了基于传统波导探测器器件的缺点,可以获得大带宽的平坦通带而不引起额外损耗,并有利于器件小型化,降低成本。数值模拟证明了该方案的可行性。本文的一个研究重点是集成化可调谐激光器,提出了一种基于传统双耦合器环形腔耦合激光器结构实现单电极无跳模激光器的设想,并针对传统环形腔耦合激光器的不足,结合V型耦合腔激光器的原理,提出了半波单耦合器环形腔耦合激光器。对上述两类单环耦合激光器的特点进行了比较,相比于传统的双耦合器环形腔耦合激光器,半波单耦合器环形腔耦合激光器的最大优点是可以利用环与激光腔的游标效应进行模式选择,这样可以大大放宽对环形腔半径的限制,从而使单环耦合的可调谐激光器成为可能。此外,针对光纤到户的应用,本文提出了一种利用新颖的利用环形激光器腔内耦合实现上下行信号解复用的单纤双向/三向收发器,设计并仿真了该方案的关键器件-2X2凹形耦合器,设计获得的耦合器结构紧凑,并且无需使用高精度光刻技术即可制作,为了将双向收发器扩展到三向收发器,本文也提出了利用阶梯光栅作为下行光解复用器的方案。最后,本文以V型腔激光器制作工艺为出发点,系统的研究了光子集成器件的各项工艺,包括光刻,刻蚀,平坦化,金属溅射,剥离,机械化学抛光等,成功地获得了垂直度高、侧壁光滑的刻蚀工艺配方,并提出了利用薄胶平坦化的工艺,大大增强了平坦化过程的鲁棒性,并利用这些工艺制作出了V型耦合腔激光器样片。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目次  10-12
1 绪论  12-26
  1.1 引言  12-13
  1.2 集成化密集波分复用器  13-15
  1.3 集成化波长可调谐/切换激光器  15-19
    1.3.1 波长可调谐激光器发展现状  15-16
    1.3.2 单电极无跳模波长可调谐激光器  16-19
  1.4 用于光纤到户的集成化单纤双向/三向收发器件  19-23
    1.4.1 光纤到户发展情况  19-20
    1.4.2 无源光网络  20-21
    1.4.3 用于光纤到户的单纤双/三向收发器  21-23
  1.5 本论文的章节安排  23
  1.6 本论文主要创新点  23-26
2 InP基单片集成光通道监测器  26-46
  2.1 阶梯光栅解复用器的基本理论  26-32
    2.1.1 阶梯光栅的相差理论  26-28
    2.1.2 阶梯光栅设计的一点法和两点法  28-30
    2.1.3 阶梯光栅的数值模拟方法  30-32
  2.2 集成平板波导探测器和阶梯光栅解复用器的光通道监测器  32-46
    2.2.1 密集波分复用系统中的光通道监测器件  32-34
    2.2.2 基于阶梯光栅解复用器和平板波导探测器的0CM器件  34-46
3 集成化波长可调谐/切换激光器  46-66
  3.1 波长可调谐/切换激光器  46-50
    3.1.1 可调谐激光器的发展现状  46-47
    3.1.2 V型可调谐激光器  47-50
  3.2 基于无源环耦合结构的单电极无跳模激光器  50-61
    3.2.1 单电极无跳模激光器的研究现状  50-53
    3.2.2 基于无源环耦合结构的单电极无跳模激光器  53-61
  3.3 半波无源环耦合激光器  61-66
    3.3.1 利用半波耦合器耦合的无源环耦合激光器的基本原理  61-66
4 用于光纤到户的集成化单纤双向/三向收发器  66-82
  4.1 研究背景  66-69
  4.2 第三代单纤双向收发器研究现状  69-71
    4.2.1 BinOptics公司的技术方案  69
    4.2.2 OneChip公司的技术方案  69-70
    4.2.3 In-line的单纤双向收发器  70-71
  4.3 基于环形激光器和阶梯光栅解复用器的单纤双向/三向收发器  71-82
    4.3.1 单纤双向/三向收发器的基本构架  71-72
    4.3.2 2X2耦合器的设计  72-80
    4.3.3 下行信号复用的阶梯光栅设计  80-82
5 制作工艺研究  82-120
  5.1 V型耦合腔激光器的基本结构  82-86
    5.1.1 外延片结构示意图  82-83
    5.1.2 V型腔激光器的波导结构  83-84
    5.1.3 V型腔激光器设计制作方案  84-86
  5.2 V型耦合腔激光器制作工艺流程  86-93
    5.2.1 利用解理面做反射面的V型腔激光器工艺流程  86-90
    5.2.2 引入刻蚀面做反射面的V型腔激光器工艺流程  90-93
  5.3 半导体激光器制作的工艺研究  93-120
    5.3.1 光刻  93-98
    5.3.2 刻蚀工艺  98-108
    5.3.3 平坦化工艺  108-111
    5.3.4 金属剥离  111-112
    5.3.5 研磨和抛光  112-113
    5.3.6 激光器性能测试  113-120
总结与展望  120-122
参考文献  122-127
作者简介  127

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