Ⅲ—V族半導(dǎo)體MQW平面光波光路器件的研究.pdf

1、本文圍繞著Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體MQW-PLC中兩個(gè)重要的單元器件：光調(diào)制器/開(kāi)關(guān)(OM/S)和諧振腔濾波器(RF)，開(kāi)展理論分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料生長(zhǎng)、圖形加工、樣品制作以及測(cè)試分析等研究工作。 第一章簡(jiǎn)要回顧了光網(wǎng)絡(luò)、微波光子系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程以及PLC和PICs在其中的作用，全面概述了各類(lèi)平面波導(dǎo)高速光調(diào)制器和光濾波器的研究進(jìn)展，綜述并評(píng)價(jià)了Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體MQW的性能、制作工藝和主要分析方法，提出了深入開(kāi)展研究工作的規(guī)劃和思路。

2、 第二章重點(diǎn)討論了時(shí)域有限差分束傳輸法(TD-FD-BPM)、時(shí)域有限差分法(FDTD)及分析介質(zhì)光波導(dǎo)的邊界條件等問(wèn)題，基于完全匹配層(PML)吸收邊界條件，建立了分析平面光波導(dǎo)器件的二維、三維數(shù)值仿真模型和平臺(tái)，為MQW-OM/S和RF光傳輸通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了精確且高效的工具。 第三章詳細(xì)描述了高折射率差平面單諧振腔中光波激勵(lì)、諧振、耗散的物理過(guò)程和基本特征，建立了各類(lèi)諧振腔單元光路的系統(tǒng)分析模型和主要性能參數(shù)的完整表達(dá)式

3、；建立了四端口諧振腔系統(tǒng)分析理論，給出了各端口傳輸系數(shù)的表達(dá)式；討論和確定了GaAs/GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)(DH)、GaAs/InGaAs-MQW和InP/InGaAsP-MQW脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及耦合方式；基于3D-FDTD軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)出GaAs/GaAlAs-DH對(duì)稱(chēng)雙、四矩形并聯(lián)駐波RFs和單、串聯(lián)跑道形行波RFs，GaAs/InGaAs-MQW單環(huán)以及InP/InGaAsP-MQW單矩形、混合型RFs。首次提出將多模干涉(MMI

4、)波導(dǎo)等同于矩形諧振腔的構(gòu)想，使其兼具多模干涉和諧振選頻兩種功能。首次提出具有多向傳輸通道和接口的諧振腔濾波系統(tǒng)的構(gòu)想，并通過(guò)了數(shù)值仿真論證。 第四章基于Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體MQW-OM/S的設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)討論了MQW的物理特性，分析了電吸收系數(shù)與MQW結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，設(shè)計(jì)了InP/InGaAsP-MQW波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)及摻雜比等；分析了InP/InGaAsP-MQW脊波導(dǎo)及相關(guān)器件中光波傳輸；建立了行波(TW)電極準(zhǔn)靜態(tài)和直

5、接時(shí)域近似分析模型，詳細(xì)分析討論了行波電極的調(diào)制特性，為確定互作用區(qū)位置和行波電極的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試提供了理論依據(jù)。提出了新型的2X1光雙波合路平面波導(dǎo)OM/S單元器件結(jié)構(gòu)，可對(duì)兩路光信號(hào)共用單調(diào)制器/開(kāi)關(guān)獲得調(diào)制。 第五章主要重點(diǎn)介紹了分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)，基于國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)工藝線(xiàn)，研制出10周期InGaAsP/InP應(yīng)變多量子阱和相應(yīng)包層的外延材料。對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了10K溫度下的PL光譜測(cè)試和雙晶衍射測(cè)試，

6、結(jié)果表明：阱層帶隙波長(zhǎng)為1520nm，阱層周期為17.1±0.3nm，與設(shè)計(jì)的標(biāo)稱(chēng)值相符；量子阱層界面質(zhì)量良好且與襯底匹配；該材料適于制成電吸收型調(diào)制器/開(kāi)關(guān)。 第六章首先討論并制定了Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體MQW平面波導(dǎo)制作工藝歸范和流程，著重提出一種制作金屬電極的新方法，妥善解決了器件制作的難點(diǎn)；在我國(guó)先進(jìn)的工藝線(xiàn)上，研制出7種平面波導(dǎo)RFs和2種平面波導(dǎo)OM/S芯片。建立了具有國(guó)際先進(jìn)水平的81910A光子全參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裸片