可重構(gòu)光分插復(fù)用器關(guān)鍵器件與技術(shù)的研究.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)信息服務(wù)的需求量與日俱增，社會(huì)對(duì)信息資源的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)。以全光信息處理為特征的智能光網(wǎng)絡(luò)和以光纖到戶(hù)為代表的信息服務(wù)寬帶化的進(jìn)程正在加速，光通信正向著超高速、超大容量、智能化、集成化、低成本和高可靠性的新一代光纖通信演進(jìn)。
　　 由有源器件和無(wú)源器件組成的光分插復(fù)用器和光交叉連接設(shè)備，是全光通信網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備；而光電集成器件較之分立的光電組件具有超高速、多功能、低噪聲、高緊湊性、高可靠性、生

2、產(chǎn)的可重復(fù)性好、造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此研制集成化光電子器件已經(jīng)成為光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，具有重大的實(shí)際意義。
　　 本論文工作是圍繞以任曉敏教授為首席科學(xué)家的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“新一代通信光電子集成器件及光纖的重要結(jié)構(gòu)工藝創(chuàng)新與基礎(chǔ)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2003CB314900）、黃永清教授承擔(dān)的國(guó)家高科技研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“用于可重構(gòu)分插復(fù)用具有波長(zhǎng)處理機(jī)制的平面光集成解復(fù)用接收器件的研究”

3、（項(xiàng)目編號(hào)：2007AA03Z418）以及教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”（IRT0609）、“高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃”（B07005）等項(xiàng)目展開(kāi)的。
　　 本論文針對(duì)可重構(gòu)光分插復(fù)用器關(guān)鍵器件和技術(shù)，著重研究了幾種關(guān)鍵器件以及楔形功能微結(jié)構(gòu)的理論及其制備工藝。目的在于先研制性能優(yōu)良易于集成的單元器件，然后使用楔形越層波導(dǎo)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成化器件。對(duì)易于集成的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)、楔形波導(dǎo)在集成中的應(yīng)用以及新型InP基半導(dǎo)體激光器的設(shè)

4、計(jì)與制備工藝，都進(jìn)行了深入的理論分析和試驗(yàn)研究，主要取得了以下成果：
　　 研究了可重構(gòu)光分插復(fù)用器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，分別對(duì)其中的關(guān)鍵單元器件與技術(shù)，包括光交換開(kāi)關(guān)、楔形越層波導(dǎo)、半導(dǎo)體激光器、光電探測(cè)器、以及波分復(fù)用器，介紹了其實(shí)現(xiàn)技術(shù)、工作原理和發(fā)展?fàn)顩r等；根據(jù)項(xiàng)目需要，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)研究了基于平面光集成的ROADM技術(shù)，提出解復(fù)用/開(kāi)關(guān)（矩陣）/復(fù)用ROADM設(shè)計(jì)方案。
　　 設(shè)計(jì)了采用InGaAsP/InP材

5、料，基于多模干涉耦合器的2×2馬赫-曾德?tīng)柟忾_(kāi)關(guān)；理論分析了其工作原理和載流子注入調(diào)制折射率的幾種效應(yīng)；采用光束傳播法對(duì)光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳輸性能進(jìn)行了詳細(xì)的仿真計(jì)算；光開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為偏振不敏感且結(jié)構(gòu)緊湊便于集成。優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為實(shí)際器件的制備提供了理論指導(dǎo)。
　　 根據(jù)所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)際制備并測(cè)試了基于多模干涉耦合器的2×2馬赫曾德?tīng)柟忾_(kāi)關(guān)；詳細(xì)介紹了其制備過(guò)程，包括器件版圖設(shè)計(jì)、外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)、制備工藝步驟等，總結(jié)了對(duì)

6、關(guān)鍵工藝的改進(jìn)；搭建光波導(dǎo)與光纖對(duì)準(zhǔn)耦合測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)單個(gè)光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了性能測(cè)試；測(cè)得開(kāi)關(guān)在注入電流達(dá)到43mA時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)在開(kāi)狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)的串?dāng)_分別為-19.2dB和-14.3dB。所制作的光開(kāi)關(guān)在DWDM和OXC系統(tǒng)中有著潛在的應(yīng)用。
　　 研究了波導(dǎo)與探測(cè)器集成的方式，分析了垂直楔形波導(dǎo)在非對(duì)稱(chēng)雙波導(dǎo)集成器件中的應(yīng)用；提出在非對(duì)稱(chēng)雙波導(dǎo)集成探測(cè)器中引入垂直楔形耦合波導(dǎo)的器件模型；模擬了垂直楔形波導(dǎo)中的模場(chǎng)分布，并使

7、用三維光束傳播法對(duì)垂直楔形波導(dǎo)的耦合特性進(jìn)行了計(jì)算；分析了楔形波導(dǎo)材料折射率與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳輸性能的影響，并與水平楔形耦合波導(dǎo)的性能進(jìn)行了對(duì)比。與水平楔形相比，垂直楔形耦合波導(dǎo)應(yīng)用于平面光集成中，能以更短的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率，利于減小器件尺寸，制作結(jié)構(gòu)更為緊湊的集成器件。最后詳細(xì)介紹了垂直楔形波導(dǎo)的制備方法。
　　 以InP基1.55μm量子阱激光器為例，對(duì)半導(dǎo)體激光器的制備工藝進(jìn)行了深入的研究；掌握了從材料生長(zhǎng)到后工藝制備