基于GaN的全內(nèi)反射型光開關(guān)的研究.pdf

1、光開關(guān)是光通信系統(tǒng)的光交換節(jié)點中必不可少的一部分，此外光開關(guān)也是作為基本器件以組成各種光邏輯門。光開關(guān)有多種類型，其中電光開關(guān)相較于MEMS光開關(guān)、熱光開關(guān)、聲光開關(guān)等具有速度快、控制方便等特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前制作的高性能電光開關(guān)中，采用LiNbO3基底制作的光開關(guān)不適合集成；SOI基底制作的光開關(guān)響應(yīng)速度不夠快，散熱性能差。需要實現(xiàn)更高響應(yīng)速度、適合規(guī)模集成的高性能的電光開關(guān)，亟需尋找新的基底制作電光開關(guān)。
　　GaN

2、材料具有高載流子遷移率、高導(dǎo)熱系數(shù)，具備實現(xiàn)高速電光開關(guān)的潛力。隨著GaN材料的研究的深入和生長工藝的成熟，基于GaN材料的器件的研究和制作取得了很大的進展。與SOI結(jié)構(gòu)相比，GaN波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的散熱性能更好。GaN的載流子注入效率很高，適合制作基于載流子注入效應(yīng)的全內(nèi)反射型光開關(guān)。本論文試圖設(shè)計一種高速、高消光比、高性能的基于GaN的全內(nèi)反射型電光開關(guān)。
　　本論文主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)研究了向半導(dǎo)體中注入載流子對Ga

3、N的折射率的影響，分析了由于載流子注入帶來的溫度升高對折射率的影響，對用于計算折射率變化的電導(dǎo)有效質(zhì)量進行了分析；在理論的分析基礎(chǔ)上，在ATLAS中對光開關(guān)的有源部分，即基于GaN的pn結(jié)進行了仿真，設(shè)定電極寬度為1μm，在p區(qū)和n區(qū)的摻雜濃度都為8.5×1017cm-3、所加電壓為4V的情況下，得到的折射率下降可以達到0.0097的水平。
　　(2)對光在全內(nèi)反射型光開關(guān)的反射模型進行了研究，研究了基于 GaN的脊形波導(dǎo)的單模條

4、件，在GaN波導(dǎo)的芯層和包層折射率差為0.02166、脊寬為3μm、脊形波導(dǎo)的總高度為3μm、刻蝕深度為2.8μm的情況下可以實現(xiàn)單模傳輸。
　　(3)采用BeamPROP建立了全內(nèi)反射型光開關(guān)的模型，分析了全內(nèi)反射型光開關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對消光比、損耗的影響。通過BPM仿真，在光開關(guān)的半角度為α=2°、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的長度都約為58μm、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間的會合區(qū)的長度為60μm的情況下，光開關(guān)的直通態(tài)消光比達到10dB，損耗為