WDM-PON用單片集成光源芯片的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)以其高容量、大帶寬等特點(diǎn)使其成為下一代光接入網(wǎng)中最具前景的方案之一。而低成本、高性能的光電子器件則是WDM-PON系統(tǒng)在未來(lái)能否取得成功的關(guān)鍵。單片集成光源器件相比傳統(tǒng)的分立器件封裝成本低、器件性能強(qiáng)，因此是未來(lái)WDM-PON系統(tǒng)用光電子器件發(fā)展的必然方向。本文從光電子器件理論建模出發(fā)結(jié)合器件制作工藝，針對(duì)WDM-PON中的低成本光源器件進(jìn)行了深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作：<

2、br>　　運(yùn)用k·p理論模型，對(duì)半導(dǎo)體量子阱材料增益譜進(jìn)行了理論計(jì)算，分析了量子阱應(yīng)變量及阱寬等參量對(duì)半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)及增益譜的影響。討論了不同應(yīng)用下，量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則與要求。
　　基于時(shí)域傳輸矩陣模型及材料增益計(jì)算模型，開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體激光器器件模擬平臺(tái)?；诒酒脚_(tái)，對(duì)分布布拉格反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器的空間燒孔效應(yīng)進(jìn)行了模擬仿真。詳細(xì)討論了在光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中集中相移、分布相移、多相移、分布反饋系數(shù)等參量對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器空

3、間燒孔效應(yīng)的影響。分析討論了光柵歸一化耦合系數(shù)對(duì)DFB激光器調(diào)制特性的影響。
　　使用新型動(dòng)態(tài)模型分析半導(dǎo)體激光器，根據(jù)器件中有源區(qū)波導(dǎo)與無(wú)源區(qū)波導(dǎo)的不同特點(diǎn)分別采用時(shí)域模型及頻域模型，而后通過(guò)數(shù)字濾波器的方法將兩者有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。并通過(guò)數(shù)字濾波器法考慮了器件增益譜的非平坦效應(yīng)。利用該新型動(dòng)態(tài)分析模型，對(duì)雙微環(huán)耦合半導(dǎo)體激光器這一新型低成本、高性能的可調(diào)諧激光類型進(jìn)行了時(shí)域靜態(tài)及動(dòng)態(tài)分析。主要分析討論了微環(huán)耦合系數(shù)及損耗對(duì)器件P-

4、I特性、小信號(hào)調(diào)制特性、大信號(hào)調(diào)制特性以及波長(zhǎng)切換特性的影響。
　　使用波束傳輸（BPM）算法設(shè)計(jì)并優(yōu)化了InP基四通道、八通道多模干涉（MMI）器件以及16通道陣列波導(dǎo)光柵（AWG）器件。系統(tǒng)地討論了MMI器件中，制作工藝誤差對(duì)器件損耗以及帶寬的影響。詳細(xì)討論了AWG的性能估算的解析方法，利用該方法研究了AWG器件中陣列波導(dǎo)間距及陣列波導(dǎo)喇叭口（Taper）寬度對(duì)器件插損均勻性及中心通道插損的影響?；谘芯拷Y(jié)論，設(shè)計(jì)了InP基A

5、WG器件，并利用BPM算法對(duì)AWG器件進(jìn)行了性能模擬，設(shè)計(jì)指標(biāo)符合預(yù)期。
　　使用納米壓印技術(shù)制作DFB激光器掩埋光柵，針對(duì)直接使用納米壓印膠后，掩埋生長(zhǎng)質(zhì)量不佳，出現(xiàn)大量位錯(cuò)的問(wèn)題，提出了多層掩膜去除納米壓印膠殘膠的方法。該方法大大提高了光柵掩埋質(zhì)量，極大地降低了最終器件的閾值，達(dá)到商用標(biāo)準(zhǔn)。
　　對(duì)金屬有機(jī)物氣相沉淀（MOCVD）對(duì)接生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。討論了介質(zhì)膜刻蝕以及InP刻蝕方法對(duì)最終對(duì)接生長(zhǎng)質(zhì)量的影響。改

6、進(jìn)了濕法腐蝕策略，并調(diào)整干法刻蝕參數(shù)，最終完成了高質(zhì)量的對(duì)接材料生長(zhǎng)。結(jié)合前述納米壓印工藝，提出了前置光柵制作而后對(duì)接生長(zhǎng)的新工藝順序，解決了對(duì)接生長(zhǎng)工藝后，有源區(qū)表面相對(duì)無(wú)源區(qū)表面凹陷，納米壓印工藝難以實(shí)施在有源區(qū)的問(wèn)題。采用新工藝，完成了高質(zhì)量?jī)?nèi)藏光柵單片集成外延材料的制備。
　　系統(tǒng)地研究了等離子誘導(dǎo)量子阱混雜單片集成工藝，提出了基于灰度掩膜的等離子誘導(dǎo)量子阱混雜方法，實(shí)現(xiàn)了同一外延片上多個(gè)帶隙及連續(xù)帶隙的橫向集成。詳細(xì)研究

7、討論了掩膜版占空比及條紋寬度對(duì)等離子誘導(dǎo)量子阱混雜程度的影響。
　　研究了單片集成器件中多種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)橫向單片集成問(wèn)題。提出了新型自對(duì)準(zhǔn)光刻工藝。利用光刻膠上生長(zhǎng)二氧化硅，并進(jìn)一步使用lift-off工藝剝離二氧化硅的方式，實(shí)現(xiàn)了多種去除方式的多掩膜自對(duì)準(zhǔn)套刻，完成了多種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)橫向單片集成的高質(zhì)量制作。
　　在前述理論設(shè)計(jì)及相關(guān)配套工藝研究的支持下，實(shí)際制作了用于集成的各種分立器件包括16通道1550nm波段密集波分復(fù)用（D

8、WDM）陣列激光器、4通道1310nm波段粗波分復(fù)用（CWDM）陣列激光器、4通道InP基MMI耦合器、16通道InP基AWG器件。對(duì)陣列器件熱調(diào)諧串?dāng)_進(jìn)行了測(cè)試與分析。利用X射線衍射（XRD）、光熒光（PL）系統(tǒng)地分析了納米壓印光柵制作工藝對(duì)量子阱外延片的影響，研究了納米壓印光柵工藝對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器壽命的影響。
　　在前述理論設(shè)計(jì)，相關(guān)配套工藝研究及分立器件制作的基礎(chǔ)上，完成了4通道DFB陣列激光器單片集成MMI耦合器的單片