GaAs-GaAlAs高速光開關-調(diào)制器研究.pdf

1、密集波分復用(DWDM)技術已成為下一代光網(wǎng)絡的基礎,并將在寬帶城域網(wǎng)(MAN)、局域網(wǎng)(LAN)及接入網(wǎng)(AN)中得到廣泛應用.光開關/調(diào)制器(OS/M)是DWDM光網(wǎng)絡中的核心器件,其性能的優(yōu)劣成為決定光網(wǎng)絡性能的關鍵.因此,需要研究新材料、提出新機理、開發(fā)新工藝,以進一步完善器件性能、降低成本、提高器件集成度.GaAs/GaAlAs半導體材料具有良好的電-光性能,更易于實現(xiàn)各種光子器件的單片集成,不易受直流(DC)漂移及光損傷的影

2、響,是制作單片光子器件的理想材料.本文圍繞GaAs/GaAlAs高速OS/M展開工作,以OS/M的理論分析、優(yōu)化設計、樣品制作及相關測試工作為主要研究內(nèi)容.第一章首先簡要回顧了DWDM光網(wǎng)絡及其關鍵光子器件的發(fā)展歷程,全面介紹了OS/M的工作機理、主要分類及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,描述了OS/M的主要性能指標,綜述并評價了模擬分析OS/M光波特性的主要理論方法,總結(jié)了OS/M的主要制作工藝.第二章建立了模擬分析OS/M光波特性的數(shù)理模型.包括基

3、于伽遼金法(GM)及變量變換GM(VTGM)光波導標量/矢量本征值分析數(shù)理模型,分析了矩形光波導、脊形光波導和耦合光波導的標量/矢量本征值問題,獲得了本征模的模場分布及其有效折射率;基于VTGM的標量/矢量三維束傳播法(3D-VGTM-BPM)數(shù)理模型,分析了直脊形光波導,劈形過渡器及定向耦合器的光波導傳輸特性.第三章建立了模擬分析模斑轉(zhuǎn)換器(SSC)及S形彎曲光波導光波傳輸特性的三維有限差分束傳播法(3D-FD-BPM)數(shù)理模型;提出

4、了基于2D-FD-BPM及優(yōu)化控制論的二維S形彎曲光波導分析模型.給出了基于淺刻蝕及深刻蝕脊形光波導的SSC及S形彎曲光波導的數(shù)值分析結(jié)果,確定了它們的最佳結(jié)構(gòu),很好地解決了光波導芯片與單模光纖間的高效連接耦合.在第二章及第三章的分析基礎上,第四章設計了1.55μm工作波長下基于雙異質(zhì)結(jié)GaAs/GaAlAs淺刻蝕脊形光波導并帶SSC的2×2定向耦合器型、四端口同邊定向耦合器型及Mach-Zehnder型OS/M結(jié)構(gòu).根據(jù)理論優(yōu)化分析結(jié)

5、果及我國目前半導體加工工藝水平,確定了器件的材料結(jié)構(gòu)、光波導結(jié)構(gòu)、幾何結(jié)構(gòu)及電極結(jié)構(gòu).采用模合模理論(CMT)及傳輸線理論討論了器件的開關及調(diào)制特性,為器件的研制提供了參考.第五章提出了一種多功能2×2 GaAs/GaAlAs多模干涉(MMI)型光開關結(jié)構(gòu).運用VTGM及3D-FD-BPM對其進行模擬分析與優(yōu)化設計,結(jié)合第二章及第三章的分析結(jié)果,確定了器件的最佳結(jié)構(gòu),成功地實現(xiàn)了交叉態(tài)、直通態(tài)及3dB耦合器的功能.采用深刻蝕GaAs/G