面向光子集成应用的有源半导体器件的设计和研究

发布时间：2020-10-28 05:25

　　 光通讯技术是现代信息化社会的技术基石,随着人工智能技术的发展和大数据时代的降临,整个社会对高速度、大容量、低延迟的信息交流需求正与日俱增。基于光子集成技术的光纤通讯技术方案在提高现有的信息交互速度和通讯容量方面有着巨大的潜力并已经被逐步应用在高速数据中心等光纤通讯核心系统当中。基于光子集成的光纤信号收发器是光纤通讯中的核心器件,然而它的制备存在制造工艺复杂、芯片制造成本高,不利于大规模生产等方面的问题。多模干涉波导结构是光子集成中一种常用的无源器件,它的结构简单、紧凑,非常利于加工,被大量的应用于功分器件、波分复用、光开关,光耦合器等领域。本文通过改进现有的III-V族激光芯片结构,在结构中引入有源的多模干涉波导结构作为分束器、耦合器和放大器的方式,提出一种在III-V族衬底上同样无需二次外延即可制作的光收发器结构,简化了现有的光子集成光纤收发器的工艺方案。本文主要研究基于III-V族多量子阱有源衬底的,无需二次生长的光子集成技术。通过在有源衬底上集成980nm波段的单模DFB半导体激光器和后端的片上光学放大器件,实现对激光器光束质量的优化,抑制腔面灾变效应和提高激光器输出功率;具体研究内容如下:(1)分析并利用多种仿真方法对多模干涉波导结构进行仿真,通过对有源多模干涉波导(Active MMI)的工作方式的分析,提出了一种改进的有限时域差分算法,这种算法可对光场在Active MMI器件的中分布的动态特性进行跟踪和仿真,相较于传统的类似的算法,概算法消耗的计算资源很少,有利于进行大规模高精度的仿真计算。(2)设计并制作了一种以多模干涉波导作为激光谐振腔的半导体激光芯片;提出了DFB激光器加有源MMI共同作为激光器谐振腔的激光芯片结构,对这种结构进行的建模和仿真;采用Lastip软件计算横向光场分布图,PICS3D软件计算器件中载流子分布情况。并利用自行开发的FDTD算法对器件进行了仿真模拟;制备了相应的器件,对比相同长度和尺寸的脊型半导体激光器,激光器的输出功率和电光转换效率得到了一定程度的提高。(3)提出了一种新型的基于聚合物平面光路混合集成平台的热光调制结构,通过引入石墨烯作为微加热丝,该结构有效的降低了传统热光调制结构的功耗,同时提升了传统热光调制结构的响应速度。在通过仿真模拟与传统器件进行性能对比的同时,还提出了具体制作工艺流程,分析并验证了这种结构与通用电源的兼容性和设计的容差范围。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN248.4;TN929.11
【部分图文】：

图 1.1 早期光子集成的激光芯片结构：a)集成了 HBT 和激光二极管的芯片结构[14](b)集成了 EAM 的 DFB 激光芯片结构[15](c)三段式的 DBR 激光芯片结构[15]Fig 1.1 Structure of early age Photonic Integration Laser Diode在完成了激光光源器件的开发之后，光子集成研究的下一个重点是阵列波导(Array Waveguide Grating, AWG)或者相控阵列(Phased Array, PHASAR)构成的通道。这种通道与增益区域和 EAM 集成，即可构成多通道输出的可调制光与光探测器(PDs)集成即可构成多通道的光接收系统。到上个世纪结束，有的最复杂的光子集成系统是一个集成了两路 AWG 的四通道互联光网络，每 AWG 上带有十六个马赫泽德干涉(Mace-Zehnder Interferometer, MZI)光开关]。到这个阶段，实验室里能制作的最复杂的芯片仍然没有超过二十个组件。在低层次上进行集成的研究方式一直持续到了二十一世纪初。

图 1.2 光子集成的阵列波导光栅[17]：(a)AWG 与 SOA 和 WDM 集成 (b)AWG 与 SOA 和 EAM 集成(c)AWG 与 PD 集成Fig 1.2 Photonic Integrated Array Waveguide Grating[17]直到 2003 年，才有了迈向大规模光子集成电路(Large-scale Phonic IntegratedCircuit, LS-PIC)的第一步的相关报道，三五光子(ThreeFive PhonticsTM)报道了他们制作的有四十四个通道的波分复用多路器(Wavelength Division Multiplexer, WDM)构成的功率监视芯片[18,19]。第一款成功的商用大规模光子集成芯片由英飞朗(InfineraTM)于 2004 年推出，这款芯片由十通道的发射器组成，每一路通道都可以工作在 10Gb/s 的调制速度下[20]。这款芯片已经集成了超过五十个部件，也是第一款可以用来处理实际光网络工作的大规模光子集成芯片。这部分的研究很快被跟进，2006 年,已经有报道开发出了由四十个通道组成的单片 InP 发射器，每

图 1.3 三五光子报道的四十四通道功率监视芯片[18]结构 (b)芯片截面结构示意 (c)在 Echelle Grating 区域深刻蚀的 SEMig 1.3 Three-Five Photonics Reported 44-Channel Power Monitor Chip 1.4 英飞朗制造的第一款商用的大规模光子集成的信号发射芯片[20]
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本文编号：2859655