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密集波分复用(DWDM)技术已成为下一代光网络的基础,并将在宽带城域网(MAN)、局域网(LAN)及接入网(AN)中得到广泛应用.光开关/调制器(OS/M)是DWDM光网络中的核心器件,其性能的优劣成为决定光网络性能的关键.因此,需要研究新材料、提出新机理、开发新工艺,以进一步完善器件性能、降低成本、提高器件集成度.GaAs/GaAlAs半导体材料具有良好的电-光性能,更易于实现各种光子器件的单片集成,不易受直流(DC)漂移及光损伤的影响,是制作单片光子器件的理想材料.本文围绕GaAs/GaAlAs高速OS/M展开工作,以OS/M的理论分析、优化设计、样品制作及相关测试工作为主要研究内容.第一章首先简要回顾了DWDM光网络及其关键光子器件的发展历程,全面介绍了OS/M的工作机理、主要分类及国内外研究现状,描述了OS/M的主要性能指标,综述并评价了模拟分析OS/M光波特性的主要理论方法,总结了OS/M的主要制作工艺.第二章建立了模拟分析OS/M光波特性的数理模型.包括基于伽辽金法(GM)及变量变换GM(VTGM)光波导标量/矢量本征值分析数理模型,分析了矩形光波导、脊形光波导和耦合光波导的标量/矢量本征值问题,获得了本征模的模场分布及其有效折射率;基于VTGM的标量/矢量三维束传播法(3D-VGTM-BPM)数理模型,分析了直脊形光波导,劈形过渡器及定向耦合器的光波导传输特性.第三章建立了模拟分析模斑转换器(SSC)及S形弯曲光波导光波传输特性的三维有限差分束传播法(3D-FD-BPM)数理模型;提出了基于2D-FD-BPM及优化控制论的二维S形弯曲光波导分析模型.给出了基于浅刻蚀及深刻蚀脊形光波导的SSC及S形弯曲光波导的数值分析结果,确定了它们的最佳结构,很好地解决了光波导芯片与单模光纤间的高效连接耦合.在第二章及第三章的分析基础上,第四章设计了1.55μm工作波长下基于双异质结GaAs/GaAlAs浅刻蚀脊形光波导并带SSC的2×2定向耦合器型、四端口同边定向耦合器型及Mach-Zehnder型OS/M结构.根据理论优化分析结果及我国目前半导体加工工艺水平,确定了器件的材料结构、光波导结构、几何结构及电极结构.采用模合模理论(CMT)及传输线理论讨论了器件的开关及调制特性,为器件的研制提供了参考.第五章提出了一种多功能2×2 GaAs/GaAlAs多模干涉(MMI)型光开关结构.运用VTGM及3D-FD-BPM对其进行模拟分析与优化设计,结合第二章及第三章的分析结果,确定了器件的最佳结构,成功地实现了交叉态、直通态及3dB耦合器的功能.采用深刻蚀GaAs/GaAlAs脊形光波导结构,满足了MMI型器件的精确自镜像要求.在南京电子器件研究所的通力合作下,第六章完成OS/M器件的制作及相关测试工作.总结并探索了OS/M制作的各道加工艺,并分析了产生实验误差的主要原因,提出进一步实验的改进方法,为今后的研制工作奠定了基础.最后给出本文的研究结论和主要创新点.