可調(diào)控半導體光子集成器件的熱效應(yīng)研究.pdf

1、在高度信息化背景下，光通信正在不斷地向前高速發(fā)展，這同時對光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸功能性、動態(tài)靈活性都提出了更高的要求。隨著光子集成技術(shù)的誕生與長足發(fā)展，光子集成器件方面也發(fā)生了日新月異的變化，以滿足人們?nèi)找嬖黾拥亩鄻踊ㄐ判枨?。其中，具有可調(diào)諧性的半導體光子集成器件在諸如波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）光通信網(wǎng)絡(luò)和下一代動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中正在發(fā)揮著愈來愈重要的作用。
　　然而，半導體材

2、料對溫度非常敏感，這導致可調(diào)諧半導體光子集成器件的工作性能以及實際應(yīng)用效果都將在不同程度上受到器件中熱效應(yīng)的影響。本論文從半導體光子集成器件的生熱機理出發(fā)，圍繞可調(diào)控典型器件中的熱效應(yīng)展開分析與研究，涉及有集成了半導體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）的取樣光柵-分布式布拉格反射器（Sampled Grating-Distributed Bragg Reflector，SG-DBR）激光器

3、（SOA-SG-DBR）集成模塊、多模干涉（Multimode Interference，MMI）型功分器等；根據(jù)實際應(yīng)用情況提出具體器件的熱管理和熱設(shè)計的優(yōu)化方案，從而根據(jù)實際需要對器件中的熱效應(yīng)進行有效地抑制或利用。具體工作內(nèi)容如下：
　　（1）研究了SOA-SG-DBR激光器集成模塊中的電致熱效應(yīng)以及相關(guān)的建模問題。運用有限元方法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）建立了SOA-SG-DBR激光器集成模塊的

4、熱學模型。運用該模型對模塊內(nèi)部的溫度分布、單元間的熱串擾以及動態(tài)溫度變化情況進行了模擬計算與分析；基于與溫度相關(guān)的動態(tài)傳輸矩陣方法（Dynamic Transfer Matrix Method，DTMM）建立了SOA-SG-DBR激光器集成模塊的光學模型，運用該模型對器件內(nèi)的動態(tài)熱效應(yīng)對器件性能參數(shù)以及動態(tài)輸出特性的影響進行了模擬計算與分析。
　?。?）研究了抑制、補償SG-DBR激光器及其相關(guān)集成模塊中熱效應(yīng)的有效方法以及具體的

5、實施方案。首先針對SOA-SG-DBR激光器集成模塊中的輸出波長熱漂移現(xiàn)象，在課題組前期工作的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計了一種波長補償方案，并利用現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）加以了實現(xiàn)。其次，進一步將分析對象由SOA-SG-DBR激光器集成模塊拓展至陣列，運用FEM建立了相應(yīng)的熱學模型，并借助該模型對陣列的溫度場進行了模擬計算。根據(jù)計算所得溫度分布結(jié)果，得到了不加溫度控制器時的陣列中子

6、模塊間距所允許的最小值，從而為保證各相鄰子模塊間不受彼此熱串擾的影響提供了優(yōu)化設(shè)計方案與思路。最后，對集成了半導體熱電致冷器（Thermoelectric Cooler，TEC）的SOA-SG-DBR激光器陣列模塊進行了研究，完善了其熱學模型，并借助該模型模擬計算了TEC的功耗隨環(huán)境溫度變化的情況，且進一步對模塊基底材料以及TEC層級進行了優(yōu)選。
　　（3）研究了熱調(diào)諧SG-DBR激光器的熱致波長調(diào)諧機理、相關(guān)建模以及優(yōu)化熱設(shè)計的

7、問題。基于FEM建立了熱調(diào)諧SG-DBR激光器的熱學模型，包括熱傳導溫度模型以及熱彈性力學模型。首先運用熱傳導溫度模型模擬計算了采用熱絕緣結(jié)構(gòu)（空氣隙）設(shè)計的激光器內(nèi)部的溫度分布，并從器件設(shè)計以及熱調(diào)功耗的角度討論了熱調(diào)諧SG-DBR激光器的熱調(diào)諧效率問題。其次，運用熱彈性力學模型，模擬計算了不同空氣隙尺寸對激光器熱應(yīng)力場的影響，分析了熱應(yīng)力與熱形變對器件的可靠性所造成的影響。進一步，結(jié)合溫度場與應(yīng)力場分析結(jié)果，優(yōu)化了空氣隙的尺寸，有效

8、提高了熱調(diào)諧效率。最后，基于與溫度相關(guān)的靜態(tài)傳輸矩陣方法（Transfer Matrix Method，TMM）建立了熱調(diào)諧SG-DBR激光器的靜態(tài)光學模型，運用該模型模擬計算了優(yōu)化后的熱調(diào)諧SG-DBR激光器的靜態(tài)輸出波長和線寬等輸出特性，其模擬結(jié)果與相關(guān)實驗結(jié)果相一致，進一步佐證了該優(yōu)化設(shè)計的有效性。
　?。?）研究了基于熱調(diào)MMI的可重構(gòu)光功分器的優(yōu)化設(shè)計問題?；诠馐鴤鬏敺ǎ˙eam Propagation Method，

9、BPM）建立了熱調(diào)MMI功分器的光學模型。利用該模型并結(jié)合傳統(tǒng)矩陣方法，計算并討論了要實現(xiàn)可重構(gòu)功能時所需的折射率變化和相移量?；贔EM建立了熱調(diào)MMI功分器的熱學模型。利用該模型計算了加熱功率不同時MMI功分器內(nèi)的溫度分布。為進一步提高熱調(diào)效率，在MMI多模波導的特殊位置設(shè)計了熱絕緣結(jié)構(gòu)。通過對比各熱調(diào)區(qū)域的溫度分布情況，詳細研究了熱絕緣結(jié)構(gòu)的尺寸對MMI功分器中熱串擾的影響。最后運用熱調(diào)MMI功分器的熱-光耦合模型，平衡熱調(diào)效率和