砷化鎵載流子注入型光開關(guān)的研究.pdf

1、作為光纖通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵光器件之一，光開關(guān)及其陣列一直是研究與開發(fā)的重點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)光分組交換層次上的高速全光通信，高速光開關(guān)及其陣列是必不可少的關(guān)鍵器件?；诟鞣N物理效應(yīng)和原理與技術(shù)，已經(jīng)研制出了多種光開關(guān)，這些光開關(guān)在消光比、損耗、偏振依賴等性能方面都已經(jīng)部分達(dá)到相當(dāng)好的水平。然而要實(shí)現(xiàn)納秒乃至更高速率的光開關(guān)，并且同時(shí)具備其它完善特性，卻一直沒有很好的解決方案。
　　 GaAs、InP等Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的載流子注入效應(yīng)所能

2、夠產(chǎn)生的折射率變化比電光效應(yīng)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而且與偏振無關(guān)。采用載流子注入效應(yīng)的光開關(guān)，其開關(guān)速度主要取決于載流子的壽命，可以達(dá)到100皮秒(ps)量級(jí)。GaAs材料具有相對(duì)低廉的成本優(yōu)勢(shì)，而且器件制作兼容GaAs微電子工藝，因此GaAs載流子注入型光開關(guān)有望成為實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)高速光開關(guān)的重要途徑之一。
　　 椎國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，本課題主要研究1.55μm GaAs載流子注入型光開關(guān)單元器件及其陣列。針對(duì)載流子注入型器件

3、制作工藝特點(diǎn)，重點(diǎn)開展了GaAs載流子注入型光開關(guān)器件的制作工藝研究。通過對(duì)基本制作工藝的摸索，成功掌握GaAs載流子注入型器件的制作工藝并成功研制出兩種2×2 GaAs載流子注入型光開關(guān)單元器件。本論文具有創(chuàng)新性意義的工作主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：
　　 1、針對(duì)芯層較厚的外延材料提出了兩步腐蝕的制作方法，該方法具有工藝簡單、對(duì)設(shè)備要求低的特點(diǎn)。使用該工藝流程對(duì)載流子注入型器件的制作進(jìn)行了初步探索，成功研制出2×2多模干涉(MMI)

4、型光開關(guān)，開關(guān)工作電流為160mA。采用氧離子注入隔離的方法，對(duì)控制載流子注入側(cè)向擴(kuò)散問題進(jìn)行了研究。
　　 2、采用多模干涉．馬赫曾德爾(MMI—MZ)結(jié)構(gòu)研制了GaAs載流子注入型光開關(guān)，其制作工藝避開了全內(nèi)反射型等結(jié)構(gòu)光開關(guān)制作工藝中的離子注入等技術(shù)難題。制作該結(jié)構(gòu)器件僅需三次光刻，有效降低了多次套刻誤差對(duì)器件性能的影響。設(shè)計(jì)并成功制作了2×2MMI—MZ型光開關(guān)，電極長度僅為100μm，在注入電流80mA時(shí)器件的消光比超

5、過了25dB，且在1542—1562nm波段具有平坦的偏振不敏感響應(yīng)；初步測試判斷開關(guān)的上升、下降沿均在10ns以內(nèi)。
　　 3、利用S彎曲結(jié)構(gòu)、多模干涉結(jié)構(gòu)以及W型五層平板波導(dǎo)分別設(shè)計(jì)分析了可變光衰減器(VOA)，討論了擴(kuò)展錐形過渡波導(dǎo)對(duì)傳輸相位的影響；采用這些VOA結(jié)構(gòu)與光開關(guān)集成可以進(jìn)一步提高光開關(guān)的消光比性能，已在聚合物材料熱光開關(guān)器件上得到驗(yàn)證，并基于GaAs材料進(jìn)行了VOA與分束器功能集成的一些探索性試驗(yàn)。