可调谐半导体激光器与光子集成器件研究

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光纤通信是现代通信网络的主要传输手段之一,近年来随着云计算、云存储、“互联网+”等网络服务的不断兴起,人们对信息传输速度的要求越来越高。高速率、大容量、低成本是目前光纤通信技术的主要目标,然而以分立器件构成的传统光纤通信系统已经越来越不能满足需求,成本和速率瓶颈日显,因此光子集成技术成为了光纤通信器件发展的必然趋势。特别是进入21世纪后,大规模光子集成芯片进入了蓬勃发展时期。集成化可调谐半导体激光器是相干光通信系统和下一代无源光网络接入系统的主要光源,其市场应用潜力巨大。然而由于种种原因,目前我国光通信系统中使用的可调谐激光器芯片还基本依赖于美国和日本进口,芯片的数量和价格受制于人。所以自主研制可调谐激光器芯片具有较大的经济和社会意义。  本论文针对光纤通信系统的需求,对可调谐激光器进行了深入的理论和实验研究。铟磷(Indium phosphide,InP)基单片集成和硅基混合集成是实现光子集成芯片的两种主流技术。论文围绕可调谐分布反馈(Distributed feedback, DFB)半导体激光器,研究了利用单片集成和混合集成两种技术实现可调谐激光器的工艺和技术方案。研究内容包括两种可调谐激光器芯片的设计、工艺制作以及相关的测试和分析。通过本研究课题积累的经验以及取得的成果对后续的研究和优化工作具有重要的参考价值。  论文取得的主要成果如下:  1、研制了InP可调谐DFB半导体激光器。论文将串联激光器阵列技术和等效-重构啁啾(Reconstruction equivalent chirp,REC)技术相结合,实现了八段串联的可调谐激光器,通过温度调谐实现了100GHz间隔的32个波分复用(Wavelength divisionmultiplexing,WDM)信道输出,波长调谐范围达25.6nm。该方案利用REC技术精确控制激光器的波长间隔,采用全息曝光技术结合普通微米级光刻技术来制作相移光栅。串联方式的引入降低了多波长激光器阵列的合波难度,无需利用有源无源集成技术,进一步降低了器件的制造难度和成本。论文详细讨论了REC技术的基本原理;串联结构可调谐激光器的设计细节,这包括如何通过合理的设计来减少串联激光器中相邻光栅之间的影响,以及如何实现串联可调谐激光器的信号调制等。此外,论文详细探索了激光器的制作流程,为后续研究奠定了基础。  2、研制了基于REC技术的啁啾单相移激光器。啁啾光栅的反射谱带宽较大,有望用于制作可调谐激光器。论文采用等效啁啾结构来简化制作工艺,尝试实现可调谐功能,虽然最终没有观察到预期的效果,但通过仿真和实验对啁啾单相移激光器具有了更深入的了解。例如啁啾单相移激光器内的光场分布比普通单相移激光器平坦,并且长波长与短波长的光场分布是不同的,这就决定了该激光器两个端面的光谱形状不同,这一点在实验上得到了验证。此外在逐渐增加啁啾单相移激光器的工作电流时,其啁啾系数也会变化,这会导致激光器的光谱展宽,甚至出现多模。  3、研制了硅基混合集成的可调谐DFB半导体激光器。论文通过基于有机物苯并环丁烯(Benzocyclobutene,DVS-BCB)的键合工艺将InP外延片与绝缘衬底上的硅(Silicon on insulator,SOI)芯片结合在一起,其中SOI芯片上有波导、波分复用器等无源器件,而InP材料产生的激光通过特殊设计的模式变换结构可以耦合进硅波导中。与普通的混合集成激光器相比,该可调谐激光器的特点是在InP材料上采用pnp结构设计来实现电流调谐,而在SOI上采用采样周期不同的两段光栅之间的游标效应来实现大范围的波长调谐。论文详细讨论了激光器波导模式的限制因子和损耗、光栅结构以及模式变换器的设计、串联电阻和阂值电流估算、热学性能的评估与改善等方面;并重点探索了可调谐激光器的制作工艺,包括波导刻蚀、量子阱处理、平坦化、电极制作等过程中可能出现的问题;最终得到了光泵浦的激光器以及脉冲电流下的激光输出。  论文的主要创新点在于:  1、首次将REC技术与串联激光器结构相结合,实现可调谐DFB激光器芯片。REC技术可以精确控制激光器波长,串联结构避免了合波器的使用,二者结合简化了可调谐激光器的制作工艺,降低了其成本。  2、首次将垂直耦合的双波导结构与芯片键合技术相结合,制作电流调谐的可调谐激光器,它的调谐速度比热调谐激光器快很多,可以使用在快速光交换系统中。
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