（微电子学与固体电子学专业论文）砷化镓载流子注入型光开关的研究.pdf

摘要 摘要 作为光纤通信网络的关键光器件之一，光开关及其阵列一直是研究与开发的重点，要 实现光分组交换层次上的高速全光通信，高速光开关及其阵列是必不可少的关键器件。基 于各种物理效应和原理- 9 技术，已经研制出了多种光开关，这些光开关在消光比、损耗、 偏振依赖等性能方面都已经部分达到相当好的水平。然而要实现纳秒乃至更高速率的光开 关，并且同时具备其它完善特性，却一直没有很好的解决方案。 g a a s 、i n p 等i i i v 族化合物半导体中的载流子注入效应所能够产生的折射率变化比 电光效应高两个数量级，而且与偏振无关。采用载流子注入效应的光开关，其开关速度主 要取决于载流子的寿命，可以达到1 0 0 皮秒( p s ) r 级。g a a s 材料具有相对低廉的成本优势， 而且器件制作兼容g a a s 微电子7 - _ 艺，因此g a a s 载流子注入型光开关有望成为实现纳秒 级高速光开关的重要途径之一。 框国家自然科学基金重点项目支持下，本课题主要研究1 5 5 1 t mg a a s 载流子注入型光 开关单元器件及其阵列。针对载流子注入型器件制作工艺特点，重点开展了g a a s 载流子 注入型光开关器件的制作工艺研究。通过对基本制作工艺的摸索，成功掌握g a a s 载流子 注入型器件的制作工艺并成功研制出两种2 x 2g a a s 载流子注入型光开关单元器件。本论 文具有创新性意义的工作主要体现在三个方面： 1 、针对芯层较厚的外延材料提出了两步腐蚀的制作方法，该方法具有工艺简单、对 设备要求低的特点。使用该工艺流程对载流子注入型器件的制作进行了初步探索，成功研 制出2 x 2 多模干涉( m m i ) 型光开关，开关工作电流为1 6 0 m a 。采用氧离子注入隔离的方法， 对控制载流子注入侧向扩散问题进行了研究。 2 、采用多模干涉马赫曾德尔( m m i m z ) 结构研制了o a a s 载流子注入型光开关，其制 作工艺避开了全内反射型等结构光开关制作工艺中的离子注入等技术难题。制作该结构器 件仅需三次光刻，有效降低了多次套刻误差对器件性能的影响。设计并成功制作了2 2 m m i m z 型光开关，电极长度仅为1 0 0 9 m ，在注入电流8 0 m a 时器件的消光比超过了2 5 d b ， 且在1 5 4 2 1 5 6 2 n m 波段具有平坦的偏振不敏感响应；初步测试判断开关的上升、下降沿均 在1 0 n s 以内。 3 、利用s 弯曲结构、多模干涉结构以及w 型五层平板波导分别设计分析了可变光衰 减器( v o a ) ，讨论了扩展锥形过渡波导对传输相位的影响；采用这些v o a 结构- 9 光开关 集成可以进一步提高光开关的消光比性能，已在聚合物材料热光开关器件上得到验证，并 基于g a a s 材料进行了v o a 与分束器功能集成的一些探索性试验。 i i i 浙江人学博l ：学位论文 在本课题研究中利用g a a s 中的自由载流子吸收效应在1 5 5 9 m 波段成功获得了高达 0 0 1 的折射率改变，为继续研究长波长g a a s 载流子注入型器件提供了重要的实验依据， 同时也表明了g a a s 载流子注入型器件的技术优势。通过改进器件结构以及改善制作工艺， g a a s 载流子注入型高速光开关将能达到更好的性能指标，以满足各类应用场合的需求。 关键词光开关、多模干涉、砷化镓、载流子注入、双异质结、集成光学 a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t a st h ek e vc o m p o n e n t so fo p t i c a lf i b e rn e t w o r k ，o p t i c a ls w i t c ha n d i t sa r r a y sh a v e b e e nt h e f o c u so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t h i g h s p e e do p t i c a ls w i t c ha n di t sa r r a y sa r et h ee s s e n t l a j d e v i c e sf o ro p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gb a s e da l l o p t i c a ln e t w o r k m a n yt y p e so fo p t i c a ls w i t c h h a y eb e e nd e v e l o p e d ，b a s e do nav a r i e t yo fp h y s i c a le f f e c t s ，p r i n c i p l e sa n dt e c h n i q u e s l h e s e s w i t c h e sh a v eg o o dp e r f o r m a n c e si ne x t i n c t i o nr a t i o ，i n s e r t i o nl o s sa n dp o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c e ， e t c h o w e v e lt h e r eh a sn o tb e e nap e r f e c ts o l u t i o nf o rh i g h p e r f o r m a n c e ，h i g h s p e e do p t i c a l s w i t c h e sw i t hr e s p o n s et i m eo fn a n o s e c o n d sa n d e v e nh i g h e r t h er e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ei n d u c e db yt h e c a r r i e ri n j e c t i o ne f f e c ti nc o m p o u n d s e m i c o n d u c t o ri sa b o u tt w oo r d e r so fm a g n i t u d eg r e a t e rt h a nt h a tb yt h ee l e c t r o 。o p t i ce f f e c t ，a n d i ti si n s e n s i t i v et op o l a r i z a t i o n t h es w i t c h i n gs p e e do fc a r r i e ri n j e c t i o nt y p eo p t i c a ls w l t c h 1 s m a i n i yd e t e n n i n e db yt h ec o m b i n a t i o nl i f eo f c a r r i e r s ，w h i c hi sa b o u t10 0p i c o s e c o n d st y p i c a l l y g a a s b a s e dd e v i c e sa r ep o t e n t i a l l ya d v a n t a g e o u s i ns e v e r a la s p e c t s ，s u c ha st h eu s eo f l a r g e - a r e ah i g h q u a l i t yi n e x p e n s i v eg a a ss u b s t r a t ea n dc o m p a t i b i l i t y w i t ht h em a t u r eg a a s i n t e 卿l t e dc i r c u i t ( i c ) p r o c e s s i n g g a a s - b a s e dc a r r i e ri n j e c t i o nt y p eo p t i c a l s w i t c hl so n eo tt n e p r o m i s i n gs o l u t i o n sf o rh i g h s p e e do p t i c a ls w i t c hw i t hr e s p o n s e t i m eo fn a n o s e c o n d sa i l de v e n h i g h e r s u p p o r t e db yt h ek e yp r o g r a mo ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ，t h i s t h e s i si si n t e n d e dt oe x p l o r e1 55g mg a a s - b a s e dc a r r i e ri n je c t i o no p t i c a l s w i t c ha n di t sa r r a y t h em a i ne f f o r t sa r ec u r r e n t l yc o n c e n t r a t e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s ， a i m i n ga t 也e 氨如r i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a r r i e ri n je c t i o nd e v i c e s t h e f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e sa r es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e da n dt w ot y p e so f2 x 2g a a s - b a s e d c a r r i e ri n j e c t i o no p t i c a l s w i t c h e sa 1 es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d 。t h ei n n o v a t i v ew o r k so ft h i st h e s i sc a l lb es u m m a r i z e da s f o l l o w ： 1 t w o s t e pe t c h i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e df o rd e v i c ef a b r i c a t i o n o ne p i t a x i a lm a t e r i a lw i t h t h i c kc o r e t h i sm e t h o di sv e r ys i m p l ea n dh a sl o w e rr e q u i r e m e n tf o rt h ee q u i p m e n t s a 2 x 2 m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c eo p t i c a ls w i t c hi ss u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d ，a n dt h es w i t c h i n gc u r r e n t i s a b o u t16 0 m a t h ec o n f i n e m e n tf o rt h el a t e r a ld i f f u s i o no ft h ei n je c t e d c a r r i e ri ss t u d i e db y o x y g e ni o ni m p l a n t a t i o nt e c h n i q u e 2 m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e m a c hz e h n d e r ( m m i - m z ) s t r u c t u r ei se m p l o y e dt o s t u d yt h e c a 玎i e ri 玛e c t i o no p t i c a ls w i t c h 。t h ef a b r i c a t i o na v o i d st h ec o m m o n l yu s e dd o p i n gt e c h n i q u e s s u c ha sz nd i f f u s i o no ri o ni m p l a n t a t i o n ，w h i c hi sr a t h e rd i f f i c u l t t h ef a b r i c a t i o no n l yn e e d s t 1 1 r e et i m e so fp h o t o l i t h o g r a p h yt h e r e f o r ee f f e c t i v e l yr e d u c e dt h ee r r o ri np h o t o l i t h o g r a p h y a v 浙江人学博l ：学位论文 2 x 2c a r r i e ri n j e c t i o nm m i m zo p t i c a ls w i t c hi ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，a n di t s e l e c t r o d ei so n l y10 0 - p ml o n g a ta ni n j e c t i o nc u r r e n to f8 0 m a ，t h ee x t i n c t i o nr a t i o ne x c e e d s 2 5 d ba t1 5 5 i ，t m t h es w i t c hh a saf l a ta n dp o l a r i z a t i o n - i n s e n s i t i v er e s p o n s es p e c t r u m t h r o u g h o u t15 4 2 15 6 2 n m t h ef a l l - a n dr i s e t i m eo ft h es w i t c hi sn om o r et h a n10 n s 3 t h r e et y p e so fv a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r s ( v o a ) a r es t u d i e db ye m p l o y i n gt h es - b e n d s t r u c t u r e ，m m is t r u c t u r ea n df i v e l a y e rwt y p ew a v e g u i d e t h ea d d i t i o n a lp h a s ec h a n g ei n t a p e r e dw a v e g u i d e si sd i s c u s s e d t h ee x t i n c t i o nr a t i oo ft h eo p t i c a ls w i t c hc a nb ei m p r o v e db y i n t e g r a t i n gw i t ht h e s ev o a s ，w h i c hi sv e r i f i e db yt h ep o l y m e r - b a s e dt h e r m o o p t i c a ld e v i c e s s o m ee x p l o r i n ga t t e m p t sa r ea l s op e r f o r m e do ng a a sm a t e r i a lb yu t i l i z i n gt h ec a r r i e ri n j e c t i o n e f f e c t i nc o n c l u s i o n ，ar e f r a c t i v ei n d e xc h a n g eu pt o 0 01a t1 5 5p mi ss u c c e s s f u l l yo b t a i n e db y e m p l o y i n gt h ef r e ec a r r i e ra b s o r p t i o ne f f e c ti n g a a s i tp r o v i d e sa ni m p o r t a n te x p e r i m e n t a l b a s i sf o rt h er e s e a r c ho fl o n gw a v e l e n g t hg a a s b a s e dd e v i c e se m p l o y i n gt h ec a r r i e ri n j e c t i o n e f f e c t m e a n w h i l e ，i td e m o n s t r a t e st h et e c h n o l o g ya d v a n t a g eo fg a a s - b a s e dd e v i c e w i t ht h e h e l po fo p t i m i z e dd e s i g n sa n di m p r o v e dp r o c e s s e s ，m o r ep e r f e c tp e r f o r m a n c e sc a n b eo b t a i n e d t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fv a r i o u sa p p l i c a t i o n s k e y w o r d so p t i c a ls w i t c h ，m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ，g a l l i u ma r s e n i d e ，c a r r i e ri n j e c t i o n ， d o u b l eh e t e r o j u n c t i o n ，i n t e g r a t e do p t i c s 图目录 图目录 图1 1 光纤通信网络1 图1 2 光交换系统2 图1 3 机械型光开关3 图1 4 微机械型光开关3 图1 5 气泡型光开关4 图1 68 8l i n b 0 3 光开关阵列4 图1 716 x1 6 热光开关阵列5 图1 8 早期的光调制器结构7 图1 98 x 8g a a s a 1 g a a s 定向耦合型光开关阵列7 图1 1 04 x 4i n p i n g a a s p 光开关阵列及其单元8 图1 11g a a s a 1 g a a s 金内反射型光开关8 图1 1 2g a a s a i g a a s 载流子注入型y 分支数字光开关8 图1 1 3i n p i n g a a s p 载流子注入型y 分支数字光开关9 图1 1 44 x 4i n p i n g a a s p 门控光开关阵列9 图1 1 54 x 4 多模干涉m a c h z e h n d e r 光开关阵列9 图1 1 6l 3 光束控制型光开关1 0 图1 1 7 垂直耦合型光开关1 0 图1 1 8 输出波导重构型y 分支数字光开关l o 图1 1 92 x 2 多模干涉m a c h z e h n d e r 光开关1 l 图1 2 0 使用了阵列相移器的l x 5 光关开关阵列1 1 图2 1g a a s 折射率与波长的色散关系2 2 图2 2g a a s 中自由载流子吸收效应所引起的折射率变化2 3 图2 3a 1 g a a s g a a s a 1 g a a s 双异质结2 4 图2 4 电极制作工艺3 2 图3 11 5 5 i t m 波长a i g a a s 材料折射率与a 1 组分的关系。3 6 图3 2 材料结构一3 6 图3 3 波导结构一3 7 图3 4 注入电流密度一定时，等效折射率的变化与芯层厚度的关系3 8 图3 5 波导结构二3 8 i x 浙江人学博f ：学位论义 图3 6 载流子横向扩散示意图3 9 图3 7 载流子注入型光开关的工艺方案3 9 图3 8 多模干涉自映像效应4 3 图3 9 多模波导折射率分布示意图4 4 图3 1 0 成对干涉示意图4 6 图3 1 12 x 2m m i m z 型光开关的结构示意图4 6 图3 1 2 成对干涉2 x k 耦合器4 7 图3 1 32 x 2m m i m z 型光开关的输出与调制相位的关系4 8 图3 1 4 载流子注入伴随的吸收损耗对器件串扰特性的影响4 8 图3 1 52 x 2m m i 型光开关结构示意图4 9 图3 1 6 基于外延材料一的多模干涉型光开关的基本波导结构4 9 图3 1 7 外延材料一的单模波导结构5 0 图3 1 8 多模波导的成对干涉5 1 图3 1 9 不同多模波导长度下开关的端口输出，w = 3 6 t m 5 1 图3 2 0 增加了锥形过渡波导后的开关结构示意图5 2 图3 2 1 锥形波导的输出宽度对器件性能的影响5 2 图3 2 2 增加了锥形波导以后多模波导长度对器件性能的影响：5 3 图3 2 3 芯层不同折射率下降时，光开关直通态和交叉态的输出5 3 图3 2 4 芯层折射率下降0 0 0 9 2 时，光开关切换到直通态5 4 图3 2 52 x 2m m i m z 型光开关的设计5 6 图3 2 6 不同长度下，3 d bm m i 耦合器的输出5 6 图3 2 7 芯层不同折射率下降时，光开关直通端口和交叉端口的输出5 7 图3 2 8 芯层折射率下降o 0 0 1 2 时，开关由交叉态切换到直通态5 7 图3 2 9 外延材料二的器件设计之2 x 2m m i 型光开关的版图展宽示意图6 0 图3 3 0 外延材料二的器件设计之2 x 2m m i m z 型光开关的版图设计6 0 图3 3 1 外延材料二的器件设计之版图全貌6 1 图3 3 24 x 4 光开关阵列结构6 2 图3 3 3 各种过渡边界的锥形波导6 3 图3 3 4 用于阶梯过渡分析连续锥形波导的阶梯状锥形平板波导模型6 3 图3 3 5 附加相位改变的近似计算6 5 图目录 图3 3 6 附加相位改变与波导几何尺寸的关系6 6 图3 3 7 锥形波导进行相位补偿的波长敏感性6 7 图3 3 8 各种相位补偿方法的波长敏感性对比6 8 图4 1 光刻工艺基本流程7 0 图4 2 旋转涂胶示意图7 1 图4 3 光刻图形的观察7 3 图4 4 光刻问题汇总7 4 图4 5 湿法腐蚀制作的光波导以及解理后的端面7 5 图4 6 湿法腐蚀g a a s 时污染引起的问题7 5 图4 7 铬金电极的腐蚀7 6 图4 8a z 5 2 1 4 光刻胶反转工艺流程7 7 图4 9 a z 5 2 1 4 光刻胶的反转效果图7 8 图4 1 0 成功剥离出的电极图形7 9 图4 1 l 电极的合金化试验7 9 图4 1 2p i n 结特性测量7 9 图4 1 3 注氧试验一8 1 图4 1 4 注氧试验二。8l 图4 1 5 光波导定性测试系统8 4 图4 16a s e 宽带光源的光谱8 4 图4 1 7 外延材料一的平板波导模式8 4 图4 18 外延材料一的器件制作一次腐蚀后的波导图形8 6 图4 1 9 外延材料一的器件制作二次腐蚀后的波导图形8 6 图4 2 0 外延材料一的器件制作电极光刻8 6 图4 2 1 外延材料一的器件制作剥离工艺制作的p 型电极8 6 图4 2 2 基于外延材料一的2 x 2m m i 型光开关不同注入电流下的近场输出光斑8 7 图4 2 3 外延材料二的平板通光测试8 8 图4 2 42 x 2m m i 型光开关一次腐蚀后的通光测试9 0 图4 2 52 x 2m m i m z 型光开关一次腐蚀后的通光测试9 0 图4 2 62 x 2m m i m z 型光开关的波导结构9 0 图4 2 72 2m m i m z 型光开关的电极剥离及合金化9 l x i 浙江人学博l ：学位论文 图4 2 82 x 2m m i 型光开关的发光现象表面观察9 1 图4 2 92 x 2m m i 型光开关的发光现象端面观察9 1 图4 3 02 x 2m m i 型光开关发光光谱的测量9 2 图4 3 1 制作完成后的2 英寸外延片9 3 图4 3 2 外延材料二制作的器件9 3 图4 3 32 英寸外延片的解理9 4 图4 3 4 外延材料二完整流片后器件的静态通光测试9 4 图4 3 5 外延材料二完整流片后器件性能的定性测试2 x 2m m i m z 型光开关9 5 图4 3 6 光波导定量测试系统9 5 图4 3 72 x 2m m i m z 型光开关的性能测试9 6 图4 3 82 x 2m m i m z 型光开关的波长以及偏振特性9 6 图4 3 9 注入电流密度一定时，折射率及有效折射率改变对波长的依赖性9 7 图4 4 02 x 2m m i m z 型光开关的速度特性9 8 图4 4 1 波导刻蚀深度的测量9 9 图4 4 2 四种光开关结构9 9 图4 4 3 几种光开关电极结构的剖面图1 0 0 图4 4 4 注氧掩膜的脱落10 0 图4 4 5 氧离子注入区腐蚀坑的观察1 0 1 图4 4 6 氧离子注入以后的光刻胶1 0 1 图4 4 7 使用了s i 0 2 保护膜的器件1 0 2 图4 4 8 去除s i 0 2 保护膜前后器件通光效果对比1 0 2 图4 4 9 合金化失败的电极1 0 3 图5 1 弯曲波导的折射率分布1 0 4 图5 21 2 热光光开关的结构示意图1 0 5 图5 3s 弯曲的模拟：衰减量随加热功率的变化1 0 6 图5 4 开关特性模拟：单边电极工作时的端口输出1 0 6 图5 5 开关特性的测试，不同加热功率下的两端口输出1 0 6 图5 6 不同加热功率下器件的波长依赖性1 0 7 图5 7g a a s 载流子注入型s 弯曲衰减器的结构示意图1 0 7 图5 8o a a s 载流子注入型s 弯曲衰减器的波导结构及其二维等效结构。1 0 8 x i l 图日录 图5 9g a a s 载流子注入型s 弯曲衰减器的设计1 0 8 图5 1 0 集成s 弯曲衰减器的1 x 4m m i 型光分柬器1 0 9 图5 1 1m m i 型可变光衰减器的结构示意图1 0 9 图5 1 2m m i 型可变光衰减器的衰减效果与芯层折射率改变的关系1 1 0 图5 1 3 芯层折射率下降0 0 1 2 时，m m i 型可变光衰减器的衰减效果1 1 0 图5 1 4w 型五层平板波导的折射率分布1 1 l 图5 1 5 基于w 型五层平板波导的可变光衰减器1 1 2 图5 1 6w 型五层波导光衰减器的模拟1 1 2 图5 1 7 实际外延材料的截止波长与设计值对比1 1 3 浙江火学博l ：学位论文 表目录 表2 1a i g a a s 折射率计算公式中的各参数2 4 表2 2 氧离子在g a a s 、s i 3 n 4 和s i 0 2 中的r p 和唧2 9 表3 1 外延材料的最终结构4 0 表3 2 外延材料一的器件制作工艺4 l 表3 3 外延材料二的器件制作工艺4 2 表3 4 外延材料一的器件版图设计m m i 型光开关5 5 表3 5 外延材料二的器件版图设计m m i 型光开关5 9 表3 6 各种过渡波导沿传播方向的宽度变化函数6 3 表4 1 注氧实验二的条件8 2 表4 2 外延材料一的结构参数8 3 表4 3 外延材料二的结构参数8 8 表4 4 外延材料二器件制作的工艺流程8 9 表5 1 各结构参数对零阶t e 模截止频率的影响1 1 3 表5 2w 型五层平板波导的材料结构1 1 3 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：7 氐牛 签字日期： 沙7 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：参1 年占月7 日 翩橼m 讳导师签名：6 h 飙计月7 日 致谢 致谢 自2 0 0 0 年走进美丽的之江校区，我在浙江大学度过了人生中最美好的九年，一路走 来，有许多老师和朋友一直在关心着我、帮助着我。 本论文是在导师江晓清教授的悉心指导下完成的。从本科毕业设计到攻读博士学位， 能得到江老师五年多的指导是我莫大的荣幸。在五年多的时间里，江老师不仅为我提供了 研究思路和方向，而且不断在科研上督促、鼓励我，悉心指导我修改每一篇论文，我所取 得的所有成绩都离不开江老师的帮助，从江老师身上所学到的东西将使我受益终身，在此 向江老师表达我最衷心的感谢。 感谢王明华教授。王老师渊博的学识、严谨的治学态度以及孜孜不倦的科研精神使我 深受教育。感谢王老师对我不断的鼓励和在论文修改上提供的帮助。 感谢杨建义教授。杨老师在器件设计方面所提供的帮助以及在实验方案上的讨论使我 受益匪浅。感谢周强副教授不厌其烦的为我溅射电极。感谢李锡华副教授、郝寅雷副教授、 朱月莲师傅、张国荣老师在工艺上给我的帮助。 感谢余辉博士在研究工作中的配合。有幸与余辉师兄共同承担了国家自然科学基金重 点项目，正是与他的默契合作，本课题才得以顺利进行。同时感谢他在科研以及论文修改 上对我的帮助。感谢王帆、郑旭东、黄正亮、张晨、王和包等各位兄弟，正是有他们的陪 伴，才使得我在这九年里没那么孤单。感谢王帆博士在测试系统搭建上所提供的帮助。感 谢周海峰博士，同窗五年里他以扎实的理论功底为我解决了很多理论方面的困扰。此外还 要感谢本实验室周剑英博士后、李宇波博士后、肖司淼博士、赵勇博士以及其他诸位师弟 师妹的支持和帮助。 感谢中国科学院半导体研究所余金中、马骁字老师在器件设计制作和外延材料生长方 面提供的帮助。感谢中国科学院半导体研究所集成技术中心的樊中朝、季安，白云霞、王 莉等老师在工艺上提供的大力支持。 特别感谢我的父母和弟弟，他们永远是我最坚定的支持者和最坚强的后盾。 感谢国家自然科学基金委对本论文研究所给予的资助。 最后感谢参加论文评审和答辩的诸位专家! 威伟 2 0 0 9 年6 月 1 绪论 1 1 引言 近年束常看到用“爆炸的”或者“指数的”等词汇柬形客互联网业务量的增长速度 【。随着人类向信息社会的推进，数据业务将逐渐超过语音业务，传统电话阿将不可避 免的要过渡到以数据业务特别是以i p 业务为中心，并且可| ；【承载着语音图像视频等 业务的综合性阿络随着i n t ) e r n e t 应用的不断普及，可以预见人们对带宽的需求将会持续 高速增长 a c c c s s m m l 呲h = i l l l m c t r l , a c c c x l 田1 l 光纤通信网络 光纤通信的诞生是通信史上的一个里程碑，光纤通信系统凭借其巨大的带宽资_ 碌以及 相对低廉的制造成本，已经超越同轴电缆成为远距高遵信的首选，光纤传送阿已经成为世 界各国的主导传送网络9 0 年代初光密集波分复用技( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l l l p l e x i n g ，d w d m ) 引发了光纤通信新一转的革命，d w d m 的应用极大的提高了对光 纤带宽的利用率使得单纤的传输速度已经超过1 0 t b s 5 ”，有效的提高了网络的传输速 度随着光纤到小区，光纤到户工程的推进，光纤的使用范围也从主干网拓展到城域网甚 至局域网 由于光子器件发展相对滞后，当前尚无法对光信号进行直接赴理，光纤仅仅起着“导 线”的作用，而对光信号的处理不得不经过光，电、电，光转换过程图1 2 ( a ) 是目前所使用 的光交换系统，当光信号到达节点后，首先通过光，电转换将光信号转化为电信号，然后 浙江人学博i j 学位论文 使用电子设备进行处理，之后再经电光转换将电信号转化回光信号，交换速度不可避免的 要受到电子瓶颈的限制。人类对带宽的需求每6 个月翻一番，为满足需求只得不断扩容电 子交换设备。有调查表明，i n t e m e t 通信所消耗掉的能源占总能源消耗的十分之一，这里 面就有频繁光电、电光转换的“功劳”。电子设备往往设备庞大，在住房、能源紧缺的今 天，矛盾会变得越来越突出。传输带宽的增加导致信息的传输成本不断下降，在通信过程 中信息交换所花费成本所占据的比例越来越高，这些都给交换系统的发展带来的巨大的压 力和动力。如果有一种设备可以在光域里直接对信号进行处理，将可以有效缓解这些矛盾， 光开关及其阵列正是这种设备的核心器件。 1 2 光开关概述 ti- 彰oe oe ，o 彭o 毒 - ( a )( b ) 图1 2 光交换系统 ( a ) 当前所用系统( b ) 未来发展趋势 岭 一 作为构建全光网路的核心器件之一，光开关及其阵列一直是研究与开发的重点。长期 以来，各国研究者在多种材料上利用各种效应对光开关进行了研究。按照光束在开关中传 输的媒质来分类，主要可分为自由空间型和波导型光开关。 空间型光开关 自由空间型光开关主要是利用各种透射镜、反射镜和折射镜的移动或旋转来进行开关 动作，主要代表有机械型0 1 、微机械型【lj - z 6 、气泡型【1 7 ，1 8 1 等。 机械型光开关技术较为成熟，主要通过移动光纤、移动管套或者移动棱镜来完成光路 的切换，结构如图1 3 所示【9 1 。机械型光开关主要缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量 r 名 盎 ( 卜 0 0 0 o 鼢 踯 啪 啪 e e e e 吖 刚 凹 刚 岭 霹隧黧黔孙 敷，同时还存在着回姥抖动等间题。此外由于其体积庞大，不易做成太规模阵列 。咖u tf 们 图i3 机械型光开关 微机械型光开关( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s