论文部分内容阅读
随着照明技术和无线通信技术的迅猛发展,可见光通信将是下一代光通信的主流方向,但是光通信器件自身的限制是制约其发展的一个重要问题。目前市场上常用的光通信器件为LED器件以及可见光探测器,并不能很好地适用于高速可见光通信系统:市面上白光LED的设计初衷是照明而非通信,其非常有限的调制带宽严重影响了可见光通信系统容量的提升;当前普遍采用的可见光探测器为Si基探测器,对红外波段敏感,与承载信号的发光波段不能完美匹配,受背景噪声影响严重。此外,当前可见光通信系统的集成度不高,驱动电路、光源和探测器相互独立。光集成技术凭借其体积小、低能耗、大带宽等优点,在光互连、光通信等领域获得越来越多的青睐。新型微纳器件与集成系统将引领信息产业的多元化,是应对后摩尔时代的必由之路。高速光电子器件的研究需重点解决制备工艺兼容性、模场匹配、光模式交叉耦合等关键科学和技术。本论文将从光通信器件出发,研究针对可见光通信的高响应速度、低功耗、可集成的高性能InGaN/GaN多量子阱LED。同时探索InGaN/GaN多量子阱的光探测功能,实现器件光谱响应波段与发射波段完美匹配。利用氮化镓材料可发光、传输及探测的光学性能,开展硅基氮化镓薄膜的光子集成研究,将光源、波导和探测器单片集成,研究基于集成芯片的可见光高速通信系统。首先探索了InGaN/GaN多量子阱二极管器件的多功能应用。通过双面加工工艺在Si基氮化物晶元上成功制备了具有反射镜且薄膜厚度可控的悬空二极管器件。与普通Si衬底LED相比,背后有反射镜的悬空薄膜LED性能得到巨大提升:同等电压偏置下,电流密度从383.08mA/mm2上升到641.03 mA/mm2;同等电流注入条件下,电致发光强度提升了330%。基于此性能优异的InGaN/GaN悬空薄膜二极管器,分别结合商用探测器以及商用LED,成功实现了空间音频的高质量实时传输。实验证明,InGaN/GaN悬空薄膜二极管器件既可以工作在LED模式,应用于可见光通信系统的发射端;也可以工作在探测器模式,应用于可见光通信系统的接收端。其次,基于InGaN/GaN多量子阱二极管器件在LED和探测器方面的双重功能,通过波导将两个分别作为LED和探测器的二极管器件集成起来,实现片内高速可见光通信系统。提出了两种波导结构,一种为定向耦合器,利用刻蚀窗口大小的差异,通过一步刻蚀工艺自然实现耦合区域。基于光束传播法理论验证了高阶模主导的波导耦合机制;实验验证了50 Mbps的片内可见光通信系统,提供了实现1×2N路通信通道与2N×1路光子计算的原始模型。另一种为直波导结构,波导基模完全限制在有源层内,支持高质量低损耗的光传输;利用SiO2隔离工艺,减小二极管器件有源区的有效尺寸,降低了器件电容以及系统的RC常数,实验验证了200 Mbps的片内通信系统,以及片外自由空间传输系统。最后,探索InGaN/GaN多量子阱二极管器件在开启状态下作为探测器的性能,实现基于单片GaN光子集成电路的面内全双工可见光通信系统。两个结构相同的悬空InGaN/GaN多量子阱二极管器件通过波导以及环形谐振器相连,环形谐振器可以用作光调制器来操控光的耦合及传输,是现实复杂GaN基光子电路的理想光学器件。本文基于有限差分时域算法分析了环形谐振器的光传输特性,在硅基氮化物晶元上成功集成光源、波导、调制器以及探测器于一体的面向可见光通信的光子集成芯片。当两个InGaN/GaN多量子阱二极管器件分别作为发射端与接收端时,实现了平面内30Mbps的可见光单向传输系统;且验证了接收端的InGaN/GaN多量子阱二极管器件分别处于0 V与3 V偏置电压条件下时,其接收信号的能力。数据表明,接收端的二极管器件在开启状态下的光探测能力增强,为基于InGaN/GaN多量子阱二极管器件实现全双工通信打下基础。进一步地,当两个InGaN/GaN多量子阱二极管器件同时均作为发射端和接收端时,实现了平面内30 Mbps的全双工可见光通信系统。