用于全光信号处理的InP基单片集成器件

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【摘要】：21世纪是信息大爆炸的时代,迅猛发展的英特网对通信网络的通信容量的要求越来越高。全光信号处理技术有望在光网络节点克服传统光-电-光交换模式对速率的制约而被广泛地研究。而集成化可以大大降低成本和功耗,并提高可靠性,为全光信号处理技术真正用于光通信网络提供了可能。光子集成是未来光通信技术的发展趋势之一。 由于InGaAsP的带隙波长为1μm-1.65μm,覆盖通信波段且可调,是制作单片集成器件的理想材料。本文首先研究了InP基单片集成方法,接着设计了InP基无源器件、有源器件和半导体光放大器(SOA)与延时干涉仪(DI)单片集成器件,开发了InP基集成器件的制作工艺,并对这些InP基器件进行了制作和性能测试,最后将它们用于全光信号处理。概括全文的研究和贡献,可以总结为以下几个方面： (1)详细研究了量子阱混合(QWI)和非对称双波导(ATG)这两种InP基单片集成方法。首先介绍了QWI集成方法的机理及几种典型的实现技术；并依据Ⅲ-Ⅴ族材料的扩散理论对氩等离子体增强量子阱混合技术(Ar-PEQWI)进行详细分析和理论建模；同时利用该技术实验实现了110nm的带隙蓝移。接着,分析了ATG集成方法的基本原理。对ATG结构的核心部件——锥形耦合器进行了分析和设计；提出了一种制作工艺简单的单斜锥形耦合器;然后利用变换光学设计了一种用于ATG集成方法的超短垂直耦合器,耦合效率为94.9%,而长度仅3t.μm。最后设计了采用QWI和ATG集成方法实现SOA与DI单片集成器件的工艺流程。 (2)设计了SOA与DI单片集成器件和掩膜版图。首先设计了多量子阱外延片的结构和SOA的尺寸。接着基于有限元方法分析并设计了InP基无源直波导和弯曲波导；介绍了多模干涉(MMI)耦合器的基本原理,并设计了1×2和2x2MMI耦合器；然后,依据工作带宽等要求设计了DI的尺寸。最后,设计并绘制了用于工艺开发和器件制作的无源、有源和集成器件掩膜版图。 (3)研究了InP基单片集成器件的关键加工工艺。分别开发了紫外光刻、缓冲氢氟酸(BOE)湿法刻蚀Si02、磁增强的反应离子刻蚀(MERIE)和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀ICP干法刻蚀InP/InGaAsP、电极的制作(包括负胶光刻、金属沉积和剥离、衬底减薄和热退火等)以及InP基器件的后处理等工艺的流程和参数。为实现用于全光信号处理的InP基单片集成器件提供了工艺支持。 (4)制作并测试了InP基无源、有源和单片集成器件。首先制作了无源单模和多模脊波导。接着介绍了法布里帕罗半导体光放大器(FP-SOA)的详细制作流程,并成功制作了性能优良的FP-SOA,其自发辐射梳状谱的消光比高达30dB。最后测试了SOA与DI单片集成器件,其中2000μm长的SOA的饱和输出功率高于3dBm,DI的消光比约为16dB、且峰值波长可以通过调节相移器进行调节,AWG消光比高于20dB,这些测试结果显示单片集成器件性能良好。 (5)研究基于InP基器件的全光信号处理技术。首先,提出并实验验证了一种基于FP-SOA对微分方程进行全光求解的方案。级联多个FP-SOA可以求解高阶微分方程,而改变FP-SOA的注入电流可以调节被求解微分方程的系数,1阶微分方程的系数的调谐范围为0.0026/ps到0.085/ps,而2阶微分方程的两个系数的调谐范围分别为0.0216/ps到0.158/ps和0.0000494/ps2到0.006205/ps2。接着,基于SOA与DI单片集成器件,利用四波混频效应从实验上实现了10Gbit/s的全光波长转换；利用交叉增益调制结合DI多信道滤波特性实现了10Gbit/s的全光波长转换和波长广播。

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