用于全光信號(hào)處理的InP基單片集成器件.pdf

1、21世紀(jì)是信息大爆炸的時(shí)代，迅猛發(fā)展的英特網(wǎng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的通信容量的要求越來越高。全光信號(hào)處理技術(shù)有望在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)克服傳統(tǒng)光-電-光交換模式對(duì)速率的制約而被廣泛地研究。而集成化可以大大降低成本和功耗，并提高可靠性，為全光信號(hào)處理技術(shù)真正用于光通信網(wǎng)絡(luò)提供了可能。光子集成是未來光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。由于InGaAsP的帶隙波長為1μm-1.65μm，覆蓋通信波段且可調(diào)，是制作單片集成器件的理想材料。本文首先研究了InP基單片集成方法，接

2、著設(shè)計(jì)了InP基無源器件、有源器件和半導(dǎo)體光放大器（SOA）與延時(shí)干涉儀（DI）單片集成器件，開發(fā)了InP基集成器件的制作工藝，并對(duì)這些InP基器件進(jìn)行了制作和性能測(cè)試，最后將它們用于全光信號(hào)處理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究了量子阱混合（QWI）和非對(duì)稱雙波導(dǎo)（ATG）這兩種InP基單片集成方法。首先介紹了QWI集成方法的機(jī)理及幾種典型的實(shí)現(xiàn)技術(shù)；并依據(jù)I II-V族材料的擴(kuò)散理論對(duì)氬等離子體增強(qiáng)量子阱混合技術(shù)（Ar-PEQ

3、WI）進(jìn)行詳細(xì)分析和理論建模；同時(shí)利用該技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了110 nm的帶隙藍(lán)移。接著，分析了 ATG集成方法的基本原理。對(duì)ATG結(jié)構(gòu)的核心部件----錐形耦合器進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)；提出了一種制作工藝簡單的單斜錐形耦合器；然后利用變換光學(xué)設(shè)計(jì)了一種用于ATG集成方法的超短垂直耦合器，耦合效率為94.9％，而長度僅3μm。最后設(shè)計(jì)了采用QWI和ATG集成方法實(shí)現(xiàn)SOA與DI單片集成器件的工藝流程。⑵設(shè)計(jì)了SOA與 DI單片集成器件和掩膜版圖。首

4、先設(shè)計(jì)了多量子阱外延片的結(jié)構(gòu)和SOA的尺寸。接著基于有限元方法分析并設(shè)計(jì)了InP基無源直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)；介紹了多模干涉（MMI）耦合器的基本原理，并設(shè)計(jì)了1×2和2×2MMI耦合器；然后，依據(jù)工作帶寬等要求設(shè)計(jì)了DI的尺寸。最后，設(shè)計(jì)并繪制了用于工藝開發(fā)和器件制作的無源、有源和集成器件掩膜版圖。⑶研究了InP基單片集成器件的關(guān)鍵加工工藝。分別開發(fā)了紫外光刻、緩沖氫氟酸（BOE）濕法刻蝕 SiO2、磁增強(qiáng)的反應(yīng)離子刻蝕（MERIE）和感應(yīng)

5、耦合等離子體（ICP）干法刻蝕 SiO2、ICP干法刻蝕 InP/InGaAsP、電極的制作（包括負(fù)膠光刻、金屬沉積和剝離、襯底減薄和熱退火等）以及InP基器件的后處理等工藝的流程和參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)用于全光信號(hào)處理的InP基單片集成器件提供了工藝支持。⑷制作并測(cè)試了InP基無源、有源和單片集成器件。首先制作了無源單模和多模脊波導(dǎo)。接著介紹了法布里帕羅半導(dǎo)體光放大器（FP-SOA）的詳細(xì)制作流程，并成功制作了性能優(yōu)良的 FP-SOA，其自發(fā)輻

6、射梳狀譜的消光比高達(dá)30dB。最后測(cè)試了SOA與DI單片集成器件，其中2000μm長的 SOA的飽和輸出功率高于3dBm，DI的消光比約為16dB、且峰值波長可以通過調(diào)節(jié)相移器進(jìn)行調(diào)節(jié)，AWG消光比高于20dB，這些測(cè)試結(jié)果顯示單片集成器件性能良好。⑸研究基于InP基器件的全光信號(hào)處理技術(shù)。首先，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于F P-SOA對(duì)微分方程進(jìn)行全光求解的方案。級(jí)聯(lián)多個(gè)F P-SOA可以求解高階微分方程，而改變FP-SO A的注入電流