WDM-PON用單片集成光源芯片的理論與實驗研究.pdf

1、波分復用無源光網(wǎng)絡（WDM-PON）系統(tǒng)以其高容量、大帶寬等特點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)在未來能否取得成功的關鍵。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，因此是未來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)結合器件制作工藝，針對WDM-PON中的低成本光源器件進行了深入的理論與實驗研究，開展了以下幾個方面的研究工作：<

2、br>　　運用k·p理論模型，對半導體量子阱材料增益譜進行了理論計算，分析了量子阱應變量及阱寬等參量對半導體材料能帶結構及增益譜的影響。討論了不同應用下，量子阱結構設計的原則與要求。
　　基于時域傳輸矩陣模型及材料增益計算模型，開發(fā)了半導體激光器器件模擬平臺。基于本平臺，對分布布拉格反饋（DFB）半導體激光器的空間燒孔效應進行了模擬仿真。詳細討論了在光柵結構設計中集中相移、分布相移、多相移、分布反饋系數(shù)等參量對DFB半導體激光器空

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

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

5、WG器件，并利用BPM算法對AWG器件進行了性能模擬，設計指標符合預期。
　　使用納米壓印技術制作DFB激光器掩埋光柵，針對直接使用納米壓印膠后，掩埋生長質量不佳，出現(xiàn)大量位錯的問題，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量，極大地降低了最終器件的閾值，達到商用標準。
　　對金屬有機物氣相沉淀（MOCVD）對接生長工藝進行了系統(tǒng)地研究。討論了介質膜刻蝕以及InP刻蝕方法對最終對接生長質量的影響。改

6、進了濕法腐蝕策略，并調整干法刻蝕參數(shù)，最終完成了高質量的對接材料生長。結合前述納米壓印工藝，提出了前置光柵制作而后對接生長的新工藝順序，解決了對接生長工藝后，有源區(qū)表面相對無源區(qū)表面凹陷，納米壓印工藝難以實施在有源區(qū)的問題。采用新工藝，完成了高質量內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量子阱混雜方法，實現(xiàn)了同一外延片上多個帶隙及連續(xù)帶隙的橫向集成。詳細研究

7、討論了掩膜版占空比及條紋寬度對等離子誘導量子阱混雜程度的影響。
　　研究了單片集成器件中多種波導結構橫向單片集成問題。提出了新型自對準光刻工藝。利用光刻膠上生長二氧化硅，并進一步使用lift-off工藝剝離二氧化硅的方式，實現(xiàn)了多種去除方式的多掩膜自對準套刻，完成了多種波導結構橫向單片集成的高質量制作。
　　在前述理論設計及相關配套工藝研究的支持下，實際制作了用于集成的各種分立器件包括16通道1550nm波段密集波分復用（D

8、WDM）陣列激光器、4通道1310nm波段粗波分復用（CWDM）陣列激光器、4通道InP基MMI耦合器、16通道InP基AWG器件。對陣列器件熱調諧串擾進行了測試與分析。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量子阱外延片的影響，研究了納米壓印光柵工藝對DFB半導體激光器壽命的影響。
　　在前述理論設計，相關配套工藝研究及分立器件制作的基礎上，完成了4通道DFB陣列激光器單片集成MMI耦合器的單片