InP基量子阱电吸收行波光调制器的研制

论文题目: InP基量子阱电吸收行波光调制器的研制

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子与固体电子学

作者: 周剑英

导师: 王明华

关键词: 光调制器,电吸收,量子阶,光波导,直线法

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本论文对InP基量子阱电吸收行波光调制器进行研究。光调制器是光纤通信系统中的关键器件,随着高速通信系统的发展,在过去的近二十年中,Ⅲ-Ⅴ族半导体调制器的研制逐渐从GaAs基拓展过渡到InP基,从薄膜材料到量子阱材料。 本论文主要做了以下工作: 首先对InP基的InGaAsP材料参数应用晶格匹配材料进行了修正,并在论文中应用这些参数进行分析;计算得到InGaAsP量子阱中轻、重空穴激子束缚能分别约为5meV和2.7meV,并就GaAs基和InP基的结果进行了对比,证明所得结果正确。晶格匹配材料光吸收明显偏振相关,在阱和壁引入相反的应变构成应变补偿量子阱,使得轻、重空穴的激子跃迁能随电场变化都比较相近,分析了其吸收曲线,证明采用应变量子阱结构其偏振相关性下降,对1565nm的入射光,TE和TM模的偏振相关度小于2.5dB,调制峰峰电压为3.2V左右。 对电吸收调制器的光波导进行研究,基于一个性能评价函数对光波导多个参数进行分析,以使调制器实现偏振无关操作。在综合考虑消光比和微波特性,确定器件长度在200μm左右;为减小器件电容,采用芯层厚度大于吸收层厚度的方法提高带宽;降低插入损耗方面,发现光纤模场聚焦为2μm后,脊宽减小,耦合效率变化较小。为消除金属电极对不同模式光吸收的影响,选择较大的p包层厚度(1.4μm)。评价函数曲线表明,设计场诱吸收系数变化较大的量子阱材料非常重要。设计得到器件的插入损耗小于10dB,消光比在20dB以上。同时由于吸收层采用了应变补偿量子阱材料,器件在较高的输入光强下才饱和。 采用直线法对器件的微波特性进行了分析。指出共面波导电极比共面微带更适合40GHz以上的高速行波调制器,PIN结构具有比Schottky结构更低的漏电流,本论文中器件采用PIN结构。对于脊形波导上的共面电极的设计,在各层分析加入了描述材料非均匀特性的附加矩阵,并且电极厚度也加以考虑,尽可能在接近真实器件的基础上进行模拟。为了减小模拟机时,首先在较大的范围内模拟50GHz信号下参数对微波特性的影响,接着在较小的范围内进行宽频率范围信号下参数对微波特性的影响,最后在适当的近似下,采用低阻抗匹配模拟了器件的频率响应,得到器件带宽大于70GHz。 最后对电吸收调制器的制作工艺进行了研究,基本解决了器件实验研究方面的问题;制作了Mach-Zehnder调制器并用网络分析仪测试其S参数,得到调制器电极的微波响应在2.5GHz～20GHz波动不超过3dB,并分析讨论了测试结果。在两种调制器研究制作的基础上,对电吸收和Mach-Zehner调制器进行了深入比较,明确指出了二者各自的特点和优缺点。

论文目录:

摘要

Abstract

目录

图目录

第一章 绪论

1.1 引言—光通信及其市场

1.2 光调制器的研究概况

1.2.1 光调制的实现方式

1.2.2 光调制器的分类

1.2.3 调制器的应用

1.3 光调制器研究的国际国内研究现状

1.3.1 光调制器研究的国际现状

1.3.2 光调制器研究的国内现状

1.3.3 器件性能的比较

1.4 本研究的目的

1.5 本论文的内容

参考文献

第二章 电场下量子阱的光学特性分析

2.1 引言

2.2 调制器的研究概况

2.2.1 基于量子限制 Stark效应(QCSE)的调制器

2.2.2 超晶格Wannier-Stark效应调制器

2.2.3 体材料 Franz-Keldysh效应调制器

2.2.4 势垒槽和量子阱电子转移结构的调制器

2.2.5 带内跃迁调制带间光的量子阱器件

2.2.6 非线性谐振量子阱调制器

2.2.7 量子线与量子点调制器

2.3 量子阱结构电光特性分析的基本理论

2.3.1 材料参数拟合

2.3.2 本征能级、波函数的确定

2.3.3 束缚能的确定

2.3.4 吸收谱的确定(吸收系数变化理论)

2.4 晶格匹配的 InGaAsP量子阱光吸收特性分析

2.5 应变补偿量子阱电光特性分析

2.6 小结

参考文献

第三章 电吸收调制器光波导设计

3.1 调制器性能评价与光波导设计目标

3.2 光波导设计

3.3 小结

参考文献

第四章 半导体行波调制器的微波特性分析

4.1 引言

4.2 行波调制的基本理论

4.3 本实验室已有的工作成果总结

4.4 背景掺杂的影响

4.5 直线法的基本理论

4.6 数值分析结果

4.7 小结

参考文献

第五章 电吸收调制器制作工艺研究

5.1 电吸收调制器用量子阱材料

5.1.1 电吸收调制器用量子阱材料生长

5.1.2 量子阱材料 X射线衍射测量

5.1.3 吸收光电流谱测量

5.2 电吸收调制器的的制作工艺研究

5.2.1 器件版图

5.2.2 器件制作基本工艺原理

5.2.3 器件制作流程

5.3 小结

参考文献

第六章 GaAs量子阱材料 Mach-Zehnder调制器制作测试与比较

6.1 Mach-Zehnder调制器的制作与测试结果

6.1.1 材料生长和特性测量

6.1.2 Mach-Zehnder干涉型调制器的制作和特性测试

6.1.3 讨论

6.2 调制器尚待进行的详细测试

6.2.1 调制器直流特性的测试

6.2.2 调制器动态特性的测试

6.3 Mach-Zehnder调制器与电吸收调制器的比较

6.4 小结

参考文献

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

附录 攻读博士学位期间发表的论文

发布时间: 2006-07-19

参考文献

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• [3].超高速、射频与微波单片集成电路设计关键技术研究[D]. 黄颋.东南大学2005
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• [5].新型低驱动电压硅基光调制器的研究[D]. 黄强盛.浙江大学2016
• [6].基于二维材料的光调制器的研究[D]. 陈兴.湖南大学2017
• [7].基于MOEMS技术的光栅平动式光调制器阵列若干关键技术研究[D]. 张智海.重庆大学2008
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