（物理电子学专业论文）ⅢⅤ族半导体多量子阱平面波导谐振腔滤波器的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 光滤波器是i p w d m 光网络中节点和终端设备的关键器件。基于平面波导谐振腔的光滤 波器具有结构简单、性能好、集成性高、易于构成其他光器件等优点而备受关注。本文主要 进行半导体多量子阱平面波导谐振腔滤波器的研究，开展了四端口器件理论、数值分析方法、 滤波器优化设计、制作和测试等系列工作。 论文首先分别给出三种材料i n p 基i n g a a s p m q w 、g a a s 基l n g a a s i n a l a s m q w 和g a a s a i g a a s 的结构，深入分析了三种材料构成的脊波导中的光波模式和传输特性，获 得了单模工作条件和参数，为设计谐振腔滤波器奠定了基础。然后采用时域有限差分 ( f d t d ) 法，基于i n p i n g a a s p m q w 单模脊波导，优化设计了矩形和跑道形并联谐振腔 滤波器：优化设计了g a a s 基i n g a a s i n a i a sm q w 环形谐振腔光滤波器：获得单谐振腔和 谐振腔级联的仿真结果包括光场分布，滤波器的光谱特性等；对所得结果进行了讨论，证 实了所提方案的可行性。最后，基于国内先进的生产线，研制出l n p i n g a a s p 平面波导谐振 腔滤波器。建立了具有国际先进水平的8 1 9 1 0 a 光子全参数测试系统，实现了裸片与单模光 纤的高效耦合两类谐振腔滤波器裸片在实验室内通过了光学性能的测试，测试结果与仿真 结果基本相似输出端功率谱图显示该器件具有较明显的滤波特性。 关键词：集成光路( p i c s ) ，平面光波光路( p l c s ) ，i i i v 族半导体多量子阱( m q w ) ，谐 振腔滤波器，时域有限差分( f d t d ) 光子全参数测试系统 a b s 盯a c t a b s t r a c t 0 p 廿e a lf i l t e r sa l et h ek e yd e v i c e sf o rn o d e sa n dt e r m i n a le l e m e n t si ni p o v e v w d mo p t i c a l n e t w o r k s t h eo p t i c a lf i l t e r sb a s e do nr e s o n a t o ra t t r a c tg r e a ti n t e r e s t sd u et ot h e i rs i m p l es t r u c t u r e s ， l l i g l lp e r f o r m a n c ea n dc o m p a c t n e s s i nt h i sp a p e r t h ei i i vm u l t i p l eq u a n t u mw e l l ( m q w ) p l a n a r w a v e g u i d er e s o n a t o rf i l t e r sa r es t u d i e d ，i n c l u d i n gt h et h e o r e t i c a lm o d e lo f t h ef i l t e rw i t hf o u rp o r c s ， n u m e r i c a lt e c h n i q u e sf o ra n a l y s i so ft h ef i l t e r s ，a n dt h eo p t i m i z a t i o n ，f a b r i c a t i o na n dt e s to ft h e c o r r e s p o n d i n gf i l t e r s f i r s t l y , t h r e ek i n d so fm a t e r i a ls y s t e m ，i n g a a s p - m q wb a s e do ni n p , i n g a a s i n a i a sm q w b a s e do ng a a sa n dg a a s a i g a a s ，a r ep r e s e n t e d t h ec h a r a c t e r so fm o d e sa n dp r o p a g a t i o ni n o p t i c a lr i bw a v e g u i d e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs i n g l e m o d e w a v e g u i d ea r eo b t a i n e d t h e n , b yu s i n gt i m ed o m a i nf i n i t ed i f f e r e n c e ( f d t d ) m e t h o d ，t h e r e c t a n g u l a ra n dr a c e t r a c kr e s o n a t o rf i l t e r si ni n p i n g a a s p - m q w - a n dr i n gr e s o n a t o rf i l t e r s i n i n g a a s - i n a l a sm q wr e s o n a t o rf i l t e r sa r ed e s i g n e da n do p t i m i z e d t h eo p t i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o n s a n df i l t e rs p e c t r u ma r eg i v e n t h u s ，t h ef e a s i b i l i t yo fp r e s e n t e dp r o j e c ti se x a m i n e d f i n a l l y , t h e s a m p l e so fr e s o n a t o rf i l t e r sa r ef a b r i c a t e db yu s i n gd o m e s t i ct e c h n i q u e s ，a n dt e s t e db yu s i n gt h e 8 1 9 1 0 ap h o t o na l lp a r a m e t e r st e s ts y s t e m t h et e s t e dr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h e o r e t i c a lr e s u l t s ， k e yw o r d s ：p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p i c s ) ；p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t s ( p l c s ) ；i i i _ v s e m i c o n d u c t o rm u l t i p l eq u a n t u mw e l l ( m q w ) ；r e s o n a t o rf i l t e r ；t i m ed o m a i nf i n i t ed i f f e r e n c e ( f d t d ) ；p h o t o na l lp a r a m e t e r st e s ts y s t e m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，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， 也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： ! 汹日期：圳a 驴 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：细导师签名 孕 玄 日期：巡- p 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光滤波技术的应用 1 1 1 波分复用( w d m ) 系统中的光滤波技术 随着信息时代的来临，通信业务迅速增长为了适应通信网传输容量的不断增长和满足 两络的交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术：时分复用( t m d ) 、光时分复用 ( o t d m ) 、波分复用( w d m ) 、频分复用( f d m ) 以及微波副载波复用( s c m ) 这些 复用技术的出现，使通信网的传输效率得到了很大的提高 波分复用技术是在一个光纤中同时传输多波长信号的一项技术其基本原理是在发送端 将不同波长的多个光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收 端又将组合波长的信号分开。并做进一步的处理恢复出原信号后送入不同的终端。如图 1 2 圈1 2w d m 光纤点一点传输系统 端号懈号 图1 3 基本o a d m 结构示意图图1 4 基本o x c 结构 第一章绪论 在w d m 系统中，多个波长信号同时在一根光纤中传输。这增加了系统的通信容量，同 时也对系统中的器件提出了更高的要求。w d m 系统中的关键技术有f 1 i ：光源技术、光放大 技术、光滤波技术其中，光滤波是分离w d m 系统中各个波长通道的必不可少的技术。 显得尤为重要。 密集波分复用光网络的不断演进。带动了节点器件技术的飞速发展，光滤波技术作为其 中的关键技术之一已不仅仅是原来狭义的复用解复用器的概念，其涵盖的范畴越来越多。 包括： 1 光分叉复用器( o a d m ) 和光交叉连接( o x c ) 图1 3 和图1 4 分别给出了基本的 o a d m 和o x c 结构，其中的复用，解复用器都必须要由光滤波器来实现 2 增益平坦滤波器( o f f ) 由于w d m 系统的容量和速率不断增加，使得对e d f a 的增 益平坦要求越来越高光滤波器可以使德e d f a 的增益平坦化：圈1 5 【2 】给出了用长周期光 栅作增益平坦滤波器的e d f a 结构，图1 6 1 2 1 是长周期光栅的光谱图，并且与可作为理想增 益平坦滤波嚣的光谱傲了比较 蠹 一器撼芦黑 网。q - 同j 网n ，一纠一口掣纠 哂由 图1 5 e d f a 结构图 _ i ，二v ”又l 圈1 6 长周期光栅的光谱曲线和理想的光谱曲线 3 色度色散补偿( d c ) 为了保证在数据传输中的信号质量，在光纤网络中对于色度色散 2 已叠善zt基# 东南大学硕士学位论文 ( c d ) 的补偿变得越来越重要为了能够优化色散补偿以及能对随时间缓慢变化的色散抖 动进行补偿。非常需要一个可调色散滤波器。图1 7 ( a ) 是一种基于环形谐振腔的色教补偿 结构示意图f 3 】在图1 7 ( b ) 虚线之间的为- 4 1 5 p 如瑚的线性延迟，可以借此来进行可调的色 散补偿 4 波长锁定器( w a v el o c k e r ) 随着传输容量的增加，w d m 系统对光源的要求越来趣高， 稳定光源的波长是一个非常重要的方面图1 8 【4 】给出了波长锁定嚣的结构以及其外围设 备它的工作原理是基于一个有反馈的电路完成的。 图1 7 ( 曩) 基于环形谐振腔的色敷补偿结构示意图4 1 5 p 曲m 的线性延迟 图1 s 波长锁定器及外围设备 正是上述以及其他一些重要的应用使得光滤波嚣在d w d m 系统中不可或缺。 d w d m 系统对光滤波器的要求是1 1 ：1 ) 高选择性( 能分开相邻的的频道) ；2 ) 禁带的高 第一章绪论 抑制性( 保证频道间的低串扰) ；3 ) 通带的平坦性：4 ) 低的插入损耗目前主流的滤波技术 有：多层介质膜光滤波器，阵列波导光橱( a w g ) 、平面波导谐振腔滤波器、光纤布拉格光 栅( f b g ) 、声光可调谐滤波器( a o r r f ) 等这些滤波技术能够满足不同的性能追求目标 因而各有市场，互相补充，将长期共存 在光器件的集成化大趋势下，光滤波器也在追求自身及与其他器件的可集成性其中平 面光波导型的滤波罂由于其良好的集成性受到越来趣多的重视此多卜，可调滤波器能够在实 际运用中具有很大的灵活性，也是研究的热点之一。 1 1 2 光信息处理系统中的光滤波技术 1 i 2 1 光分组交换网中的光报头提取 在电信网的革命中，出现了作为未来有力竞争者的光分组交换网 6 1 近年来，发展了很 多光分组交换网的策略，但是有些是电和光的混会分组交换方法，其光报头是在电域中处理 的，净负荷则是在光域中处理的。而运用光滤波嚣，如可调的光纤布拉格光栅。可以实现全 光的报头信息处理例 在光副载波多标签交换技术中，光滤波器- j v a 用于分离报头和净负荷闱，见图1 9 光 频道( 波长) 通过副载波复用，同时传输基带和射频信号净负荷作为基带传输，而把报头 调制到副载波频道中光滤波器，如光纤布拉格光栅可以在光域中，不破坏和影响基带信号 及其他射频频道下，得到给定波长的一个或多个不同的射频频道。而且不会引入由光纤色散 引起的射频衰退效应 图1 9 用f b g 提取光标签。o c ：光环行器 1 1 2 2 光谱分析仪中的色散元件唧 光网络要处理大量的光频道和光接口。所以需要在光层中有性能监测和故障隔离等性 4 东南大学硕士学位论文 能。光谱分析仪可以用来监测波长和每个频道的功率，它的分辨率要小于频道间隔而且需 要性能稳定、价格低廉，能够监测每个频道的信噪比图1 1 0 给出了一种能够满足上述要 求的，用光栅滤波器作色散元件的频谱分析仪结构。 来自入射光纤的光进入单模平面波导，波导的另一端用紫外线刻了倾斜的啁啾光栅。这 样可以使得各波长的光在不同位置以不同的角度反射，然后聚焦被光栅反射的光进入波导 。上面的包层。经过包层左侧的镜面反射到右侧，以此来在一定的芯片尺寸上增大焦距焦点 附近的波长信号在包层右侧由线性探测矩阵接收这样，不同波长的光就分离开了 铀l 曲触 - 融 喇k 吐a 出喇 a 1 1 岫 圈1 - l o 基于光栅的平面波导频谱分析仪结构图 1 2 高折射率差波导和谐振腔滤波器 1 2 1 平面光波光路器件的集成 由平面光波光路回s ) 制作的光子器件( 条形激光器、调制嚣，开关、y 形分路器、a w ( 3 、 滤波器等) 是构成现代高速光网络的基本元器件，其优点是：体积小、功耗，损耗低、成本低， 高可靠性和高稳定性。易于翻成集成化的光集成器f l ：口i c ) 信息光器件的集成已成为实现 现代高速、大容量光互联网的关键单元按光集成器件所用衬底材料可分为单片集成功能器 件和混合集成功能器件，单片集成是在一种半导体材料或光学晶体衬底上只经过制作工艺。 把所有的元器件集成在一起的形式；混合集成是用不同的制作工艺制作一部分元器件后，装 在半导体村底或光学晶体衬底的集成形式，混合集成广义上也包括把小的单个光学部件用光 学黏接剂固定在一起的光器件，电路( 光电集成，o e x c ) 典型的单片集成功能器件是- v 族 多量子阱半导体激光器与多量子阱调制器的集成。另外将半导体激光器、光电探测器、分波 器，厶波器集成在一起的光信号收发器目构成了另一类缀重要的光电集成功能器件。单片集 成由生产工艺决定。所以生产工艺确定后可以大幅度地降低成本且易于小型化；混合集成 可构成无源光器件与有源器件的自由组合可使器件的功能得到最优化表i 错误i 文档 中没有指定样式的文字1 【1o i 给出了单片集成与混合集成的比较 5 第一章绪论 比较单片集成混合集成 优点 易小型化 材料选择范围宽 可降低成本 可优化器件的性能 主要技术 材料生长 光刻技术 光刻技术 芯片组装技术 主要材辩 半导体芯片 石英波导 电光晶体芯片 主要光集成器件 激光光源调制器集成化光存取用收发信号器件 多波长激光光源 矩阵式光开关 其它光电集成器件 待解决的闯愿 提高成品率 降低组装成本 进一步提高可靠性 组装自动化 表l 。错误l 文档中搜有指定样式的文字1 单片集成和混合集成的比较 1 2 2 高折射率差波导 光通信的迅速发展，需要功能齐全、成本低廉的光子器件作为支持在众多的制作光子 器件的方法中，基于平面波导的方法可以获得性能良好的器件，此外，它有着实现集成所有 光处理功能的前景芯层与包层之间的折射率相对差定义为折射率差4 气h ，h _ 。d h 这 是个控制波导光特性的一个非常重要的参数折射率差决定了模式的大小也即决定了单 模工作的最小尺寸并且与波导允许的最小弯曲半径有关。小于最小值就会出现光辐射损耗 对于a = 0 3 ，可以在弯曲半径大予2 0 r a m 而不出现辐射损耗，光纤也差不多是这样的弯曲 程度所以，对于低折射率差的波导一个芯片只能集成一两个有弯曲波导的功能元件这 样的话，芯片与光纤的对准成本就成了最后成本的主要部分如果提高折射率差，比如提高 到3 3 。那么允许波导的弯曲半径最小为0 8 r a m ，这样就可以提高集成度许多的功能元 件集成在一个芯片上。那么对准成本就相对减小了 目前研究较多的是一v 族化合物半导体平面光波光路，其中又可分为双异质结和多量 子阱两种结构 g a a s g a a i a s 双异质结脊形波导结构i ”l ，见囤1 1 l ( a ) g a a s 为村底材料，上下包层的 组分为g a o g a l oi a s ，波导芯层为i - g a a s a i 组分z 选择为o i ，这样光波导对本征模场有较 强的限制。而包层的模场分布较弱，工作波长为1 5 5 1 l m 时包层与芯层折射率分别为3 3 3 与 3 3 7 。其中单模波导的横截面场图见图1 1k b ) 6 东南大学硕士学位论文 导引i ：伽 1 i 幻 ：五3 l t o j k j a t矗 sr6 s 讯时h l 船 (丑)(” 图1 1l ( a ) c - r a a s g a a i a s 脊形波导示意图渤单模场图 m q w 结构对于光的限制作用更加好，可以使得器件尺寸更加小，而且损耗也低本文 采用的是i n p i n g a a s p m q w ，材料结构如图1 1 2 所示m q w 层由i n c r a a s p 张应变阱层和 亚应变垒层组成此结构在波长1 5 5 1 1 m 附近处有很好的光限制作用 p - 丑毋 矗删孑w 两霉 j 圈1 1 2i n p i n g a a s p m q w 结构示意图 1 2 3 平面波导谐振腔滤波器 光器件的发展趋势是小型化，集成化。要实现像集成电路一样的集成光路( p i e ) ，对所 有的信号都只需在光域中进行处理，首先必须要那些完成基本功能的平面光波光路( p l c ) 作为单元器件基于平面波导的谐振腔光滤波器就是重要的平面光波光路器件之一 其实早在1 9 6 9 年，m a r c a t i l l i 就提出了基于谐振腔结构的滤波器，并且分析了其弯曲损 耗l 近年来，基于波导谐振腔的光滤波由于箕尺寸小，结构简单，具有极高的可集成性 以及性能良好而得到广泛的重视 1 9 9 7 年，第一次在s i - s i 0 2 、a i g a a s c r a a s 材科结构上实现了光谐振环频道下路滤波器 剐”q 。有报道的，在高折射率差材料上实现的谐振环最小半径可达3 微米o “。见图1 1 3 。 7 第一章绪论 掺铒光纤放大器支持的d w d m 光通信窗口宽度为3 0 r i m 。而谐振环的半径小于5 微米的光 滤波器自由光谱范围( f s r ) 可以大于3 0 r i m 所以这种光潞波器能够在d d m 系统中把 所需要的波长信号单独取出来而不影响其他的波长信号 图1 1 3 半径为3 微米的谐振腔滤波器扫描电镜图像，波导宽度0 5 微米，厚度0 工徽米 随着工艺水平的不断提高，宣波导和谐振腔的耦合不再仅仅限于局一个平面的侧向耩 合直波导和谐振环可以在不同的平面内，实现了垂直方向的耦合( 2 l l ，见图1 1 4 图1 1 4 垂直耦合结 勾横截面示意图 垂直耦合较侧向耦合有以下有点：1 ) 垂直方向上的隔离是通过良好控制的沉积形成的。 而不是通过腐蚀的缝隙得来的这样可以比较好韵控铜谐振环和直波导的相互作用。2 ) 掩 埋的波导受的散射损耗小，提供更好的输入输出耦台3 ) 如果波导正好在环的正下方那 么即便波导有略微的不平直，波导与环的相互作用强度也不会受到影响 单环谐振腔光滤波器的f s r 受到环半径大小的制约。环径太小的话损耗就会很大。通过 谐振腔的串联可以解决这个问题几个不同半径的谐振环，箕f s r 也不相同，串联之后， 下路端的波长信号必须在不同的谐振环中都能谐振这样得到的组合谐振腔滤波器的f s r 有很大的增加。捌，见图1 1 5 矗 东南大学硕士学位论文 a 结构示意图b 光谖测量结果 图1 1 5 三环级联谐振腔滤波器 谐振腔的级联方式有串联和并联鲫：串联是信号依次通过各个谐振环，并联是信号分别 通过每个谐振环到达另一端见图1 1 6 串联耦合的谐振腔需要各环的谐振波长精确一系， 这样就需要更高的工艺，但是性能会更好而并联耦合则允许谐振环的冗差较大，工艺简单 d r o pb u s ( 矗) 型2 坚 - d r o pb u s ( b ) 图1 1 6 谐振腔级联示意图( a ) 串联( b ) 并联 在d w d m 系统中，波长频道阔隔小于l n m 但是对于典型的半径为1 0 微米的谐振环， 如果半径改变5 0 日l q z ( 制作工艺的精度限制在几十纳米) ，那么谐振波长会偏移8 蛐t 这远 远不能够满足要求虽然温度控制可以实现这种波长的徽调，但是温度的变化会影响到相邻 器件的性能，不能够独立的进行选择性的调解基于谐振腔的滤波器也可以通过其他途径实 现滤出相邻波长频道的信号目前报道过有两种可行的方法：l 俐用光敏材料对谐振波长进 行微调之后固化f 卅2 ) 通过有源区自由载流子注入调节谐振波长0 2 ” 第一种方法的结构示意图见图1 1 7 。谐振环阵列中的环半径都是一样的，在最上方覆盖 一层光敏材料( 聚合硅烷) 经过紫外光照射后。包层的折射率下降，使得谐振波长减小 时问照射得越久，折射率下降得越多。对各谐振环的照射时间不一样就可以得到不同谐振 9 f-5i-od鼍叠6 第一章绪论 波长的一组滤波器。 a d dp o r t s l ，撕 - _ l p u t gcgcucc ut h r o u g h r ，r 2氏 r 气r l r 。 l li 圈1 1 7 谐振环阵列示意圈 第二种方法的结构示意图见图1 1 8 。通过改变注入电流来改变载流子的注入浓度，以此 来改变折射率，调节滤波波长圈1 1 9 显示下路光功率谱随着注入电流的变化会有所偏移 图1 培可以实现自由竣渲子注入的垂直耦合谐振腔示意图 w w _ 叼瞒p 州 圈1 1 9 不同注入电流条件下的下路光功率蕾 _j1；=t考古 壅南大学硕士学位论文 1 3 其他光滤波器 1 3 1 阵列波导光栅a w g ( a )( b ) 圈1 2 0a w g 器件照片i ) 整体秭局部 集成阵列波导光栅( a w g ) 滤波器( 如图1 2 0 1 2 j ) 是以光集成技术为基础的平面波导 型器件。具有双向操作能力，可以实现光网络的诸多功能，如复用，解复用器、光波长路由 嚣多波长光源、光开关、色教补偿等目前用于制作a w g 的材料主要是硅，其制作过程 是在硅晶片上沉积一层薄的二氧化桂，利用光刻技术形成所需的图形，再进行腐蚀成型该 种器件适于批量生产。可以将a w g 作成矩阵结构，以实现光信道的上下分插( o a d m ) ，在 未来的接入网中有较大的应用潜力，是光传输网中用于光交换的优选器件a w g 的优点是 插入损耗小、串音低，可靠性高、工艺要求低、器件尺寸小此外a w g 也可以与光放大 器、半导体激光器等有源器件以及p 1 , c 型i n t e r “v e f 等无源器件结合，实现单片集成 目前国外( 尤其是日本) 对a w g 的研究主要集中在四个方面：1 ) 多通道a w g 的研制1 封i 2 ) 平顶频谱相应的研究f 1 4 1 ；3 ) 消除偏振相关性1 1 6 ；4 ) 有机聚合物a w g 的研究 1 6 1 1 3 2 光栅型 在玻璃衬底上沉积苯并环丁烯( b c b ) ，然后将b c b 刻成脊波导再在上面覆盖一层环 氧树脂( e p o x y ) 作为包层，构成透射型平面波导光栅。图1 2 11 ”1 给出了一种长周期波导光 栅的结构图和扫描电镜图这种结构具有组强的热光效应，在温度变化1 0 c 的情况下有 1 5 2 0 - 1 6 1 0 n m 的波长调节范围。不同温度下测得的1 m 模光谱曲线见图1 2 2 f ”协。3 f _ 膜和t m 模的谐振波长与温度的关系如图1 2 2 彻所示 第一章绪论 ( a )( b ) 圈1 2 l ( a ) 长周期波导光栅结构图( b ) 扫描电镜图 上- 一_ p _ i - 屯 图i 2 2 ( a ) 不同温度下t m 模的光谱彻1 e 模和刑模的谐振波长与温度的关系 1 3 3 干涉滤波型( 轴向对准型) 介质薄膜型滤波器属于干涉型滤波器，是由介质薄膜构成的一类芯区交互型器件 d t f 干涉滤波器由几十层不同材辩、不同折射率和不同厚度的介质膜，按照设计要求组合 在一起：每层的厚度为l ，4 波长，一层为高折射率材料，一层为低折射率材料，交替叠合而 成介质薄膜干涉型滤波器的优点是：( 1 ) 信号通带乎坦，( 2 ) 对偏振不敏感，( 3 埽道隔离度 好；缺点是：滤波信道数不多，薄膜材料易受潮而改变滤波器的滤波稳定性，不能与平面波 导器件集成等 1 3 4 耦合型光纤滤波器 光纤熔锥型滤波器是将两根或多根光纤靠贴在一起经适度熔合而成的一种表面交互式 的器件，通过控制熔合段的长度和光纤之间的问距，实现不同波长的滤波。目前在用的 1 3 l o n m 1 5 5 0 n m 波分复用系统中多采用两纤的熔锥型滤波器。熔锥型滤波器插入损耗小( 单 级最大小于0 5 d b ，典型值为0 2 d b ) ，制作工艺简单，适于批量生产；缺点是信道隔离度差 ( 2 0 d b ) ，外型尺寸较大采用多个熔融式耦合器级联的方法可以改善信道的隔离度( 提高 到3 0 - 4 0 d b ) 噜、咤-t-暑 壅塑奎兰塑主量垡丝塞 1 4 本文工作简介 1 4 一目前存在的问题 量子阱材料结构对模式的限制作用很强，降低了损耗，使得器件的尺寸比较小，有利于 提高集成度因为光电子集成( o e i c ) 是未来高速，大容量光通信的发展方向。而v 族化 合物半导体材料是能把光和电两种器件集成在一起的比较理想的材料 在国际上，已经深入开展了对i i i - v 族化合物半导体p l c 器件的研究，取得了很多喜人 的成果可以达到实际应用的水乎但是，国内在这方面的工作还很不够，p i c 器件设计 方法的研究，新型器件的设想论证，以及实际器件的制作和测试等都远远落后于田际水平 1 4 2研究意义 光器件由于没有电子瓶颈，所以无论是在未来的全光网中，还是在其他信息处理系统中， 都有很大的优势集成光路会是光器件的发展趋势，而平面光波光路则是集成光路的基础 作为平面光波光路的基本单元之一光滤波器有着重要的地位，是很多的光信息处理系统和 设备，集成光子芯片中的关键单元而谐振腔光滤波器有着结构简单、易于集成、性能优良 等优点，能够在未来的集成光路中扮演重要角色所以，对平面光波光路谐振腔滤波器的研 究很有价值 1 4 。3主要内容 本文主要对v 族半导体m q w 材科结构进行了参考分析，用时域有限差分法模拟了 平面光波光路中的谐振腔滤波器并且在i n l a n o a a s p 材辩上设计、制作了多量子肼结梅脊 波导光滤波器，包括：( a ) 矩形谐振腔滤波器( b ) 联跑道形谐振腔滤波器最后运用a g i l e n t 公司的光子全参数测试仪对实际器件的裸片进行了测试分析 第一章主要是对光滤波器及光谐振腔滤波器的调研是论文的研究背景和意义第二章 讨论了分析谐振腔滤波器的基本理论和数值方法，给出了研究方法在第三章中设计了几种 材料结构的单模脊形波导，并且用数值方法模拟优化了多种谐振腔滤波器结构。第四章是实 际制作的谐振腔滤波嚣的裸片测试结果和分析。第五章中给出了谐振腔滤波器的应用 本文旨在建立一套p l c 器件的设计、制作和测试方法和路线，为继续研究其他的实际平 面光波器件具有重要的指导作用 参考文献 【1 1 t a k a s h io n e ，y t t t a k ay a m , k 爿t e c h n o l o g i e sf o rl e r a b i t s e e e n dw d ms y s t e m sw i t hh i g h 印咖ie m c i e l c y 第一章绪论 o f o v e r ib i t s h z , 口既旭j o u m a l o f q u a a t u m e l e c t r o n i c s , n o v e m b e r l 9 9 8 , v o l 3 4 ( i i x p p 2 0 8 0 - 2 0 8 9 2 1 p a u lfw j c l dj u s t i nbj l - d i d n r o l a n d ope s p m d o ke ta l , b r o a d - b e a de r b i u m - 1 ) 0 1 0 e df i b e ra m p l i f i e r f l a t t e n e db e y o n d 柏n mu s i n gl o n g - p c r i n dg r 嘣鹪f i l t e r , i e e e 帕砷m 蛔t e c d u m , l e t t e r s , 1 9 9 7 , v 0 1 9 0o ) p p 1 3 4 3 - 1 3 4 5 3 1 q - l e o n a , h l c i 删0 i 越c a ip l a a m w a v c g u i d cc o m p o n 旭l v l i c r o s y 北mt e c h n o l o g i e s ：m i c m - m d n e n o s y s t e m s - l n f o r m a t i o n s t o n g e m l d p r o c e s s i n g s y s t e m s , 却帕i 鲈f i 略2 0 0 3 ，v o ! 9 p p 3 2 3 - 3 2 8 4 1 日本株式会杜应用光电研究室，a 删n 龇柚i 趣姗m l 掣山l o c k e r t f ，技术报告 嘲s a it c h u , w u g e ap a n , s h u i c h is u z u k i , l k e n te l i u t e , s h i n y as a t es m dy a s u ok o l u b e n , t e m p m m n i n s e m i f i v e v e r t i c a l l y c o u p l e d m 啊啦r e s o n a t o r a d d d r o p v d t e r s b y m e e m o f a p o l y m e r o v e r l a y 脚 p l 删c s t e c h n o l o g y l 咖1 9 9 9 , v o l1 1p p 1 1 3 8 - 1 1 4 0 嘲h j ，s d 昕mm 工碰也y l i n , n c a i n t , r a 饥a s r i v a t m , e 乩m 嵇d 蛳写t l d 。w a m - d t e n d g d k b o c ，o p d 叫 p a c k e ts w i t c h i n ga n db u f f e r i n g 蚵u 菇坞 l i - 0 p i i 埘s i g n a lp r e c e s s i n gm a h o d xi e e ej 删o f 酗印t e c l m o l o g y , 2 舯3 v o l 2 t ( 1 xp p 2 - 1 2 7 1 m c c , m d a k 垃s l e e , a e w m u e r , v c , m b s k y , d s t a m d u b o v , a n dj f e i n b e r 量鼬皿【到m 耙o p e a ap a c k e t 喇肯托曲掣i i t i e n d 协i 吐i 雌u s i n gt l m e - t o - w a v e l e n g t hm a p p i n ga u dt u n a b l ef i b e rb m g g 删n 嗣f a r c e n - e i n t i o nd e c o d i n g , i e e ep h o t o n t e e , h n o ll e u , m a y 2 0 0 0 。y o u l 2 , p p 5 5 2 - 5 5 4 嘲z u q m g7 h u , v j h e m m ：i n z , m i ny o n gj e o n , j i n sc a o ，z b 嗥p e a , s j b e u , r fp h 咖妇s i g n a li m , c e s s j l i g i n 铆b 币贯m u l t i p l e x e do p t i c a l - l a b e ls w i t c h i n g m 肌“翻虹s y s t e m s , 瑾现j o u m a lo fl i g h t w a v e t e d m o l o 岛, d e c e m b e r 2 0 0 3 ，v 0 1 2 1 ( 1 2 ) 1 9 】c k m a d s e n , j w a g m e r , t a s t m s s e r , d m u e h h m , m a m i l b m d t , e j l a s k o w s k it a x ij d e m m , m ：o , p l m w a v e g u i a eo p t i c a ls p e , x r u m n 噼u s i n gau v - l n d u c e do n u m g , i e e ej o e m a lo fs e l e c t e dt o p i c s 缸 锄u g t u ne l e c 咖i c s , n o v e m b e r 黼1 9 9 8 , v o l 4 ( 6 ) 【i o 】蔡纯。一v 族半导体多量子阱平面波导光器件的研究伽t 博士学位论文南京：东南大学，电子工 程系。2 0 0 6 【i l 】肖金标孙小菡，张明德，丁东，基于g i 9 i g a l 摹条形光波导的定向耦合嚣分析，电子学报。2 0 e 2 3 0 ( n ：7 0 5 - - 7 0 7 【1 2 】yb a r b a r i n , x j m l c 吐溉l s e a j m b e m e , e ta t , d 嘶鼬d ys m a l la w gd e m u l f i p l e x e rf a b r i c a t e d 彻l n p 时u s i n gad o u b l e - e t c hn o 峨删旺p h o t e u 妇t e c t m o u 堰yl e u e l q o v e m b 甘2 0 0 4 , 州1 “k p p 2 4 7 5 - ) 4 8 0 1 t 3 k t a t m d a , m a b e , t s h i b a t a , e ta l , l 叫3 l = 匦删1 0 1 0 - c h a n n c l 恤妇na w g f i l t e rc o n s i s t i a go f c 1 4 东南大学硕士学位论文 p f i m m y a n d t e ns e c o n d m y a w g s , i e e e p h o t o n k s t c c l m o l o g y l e a e r s , 2 0 0 1 ，v 0 1 1 3 甄i 警5 7 7 0 5 7 8 【i 锥l l l ( a 曲m ，y j n o u e mx m i i , c y c l i ca n df 卿虹肄曲do p d c a ib m d p a s s 勋唾a w gp 嘲 e l e c t r o n i c sl e u m , 2 1 ) 0 3 ，v o i 3 9 ( i 旗印9 1 0 - 9 1 1 【t s k s c h i m a g c k c k o w , l l e c h 柚矗乩w 融可t u n a b l ep o l y m e rl o n g - p e r i o dw a v q l u i d co n m n sw i t h p o l 封i 鼹虹m “珊3 铂v c r 嘲n 劬c c w a v e l e n g t h , e l e c u o n i c s i * - t t m , a p r i l 2 0 0 4 , v o l 4 0 ( 7 ) 【l o q s t o y o d a , a k m e k o , n o o b a , da t , p o l m i z m i o n - i n a e p m m = ti o w - c r o s s m l kp o t y m e r ka w g - b a s e dt u n a b l e f i l t e r o p e r m i n g a m u a d l 5 5 吼嘲p h o t o 日d c s t c d m o l o g y k 嵇戢1 9 9 9 , v o l l l ( 9 ) 【1 7 1 e a - m m 口u i f i , b e n d s i n o p 蝴d i c l e c a - i c w a v e g u i d e t b s t j 。1 9 6 9 , v o l 4 8 , p p , 2 1 0 3 - 2 1 3 2 f l 羽d 凰如斌电l e t j ”& s c 。蜘c 鹞a t a u o v e ，g s u d r , s t h o , a n dk c r i b e d o , y 镏l i 如瞄酣 a i g a a d g a a sm i d 呻f i i 喀a n d 戤坤n 蝴s 啪h i 曲矗l 嚣辩a e d2 1 6 r i mf r e es p e m _ a lr a r , g e , 帮目蛳c d , e c l f 论 9 7 , & l l i m a 呜m d 1 9 9 7 ,c p d - z ，；a s oi no p t 觚，1 9 9 7 , v o l 2 2 , p p 1 2 4 4 - 1 2 4 6 【1 9 1 j , s f o m , b e l i r i e , g 鼬抽蛳婀e 1 l l o 叽h h m m , e i p p c a , s o m , l k i 雠d 咄s a dw 0 f 嗡s 诲1 m i c r o - d n g r c s o n s t o r o p 6 c s l , d d d m p 觚p i i 础酣越9 7 , b a l d m o m i v l d , 1 9 9 7 , p a p 口c p d - 2 z e 2 川b e l i t l 把j s f o m d , g s t c i n m c y c ce k n n ，s t o m , i 队i m e 卫i p p m , l c k i m a l i