（微电子学与固体电子学专业论文）全内反射型光波导开关的研究.pdf

摘要 光开关是光交换等系统中的关键器件，长期以来人们提出了很多种设计方案，但到目 前为止还没有哪一种方案各方面的性能都能满足商用要求，因此研制高性能的光开关也就 成了工程界急待解决和最有挑战性的课题之一。采用金内反射结构的光波导开关，因其相 对于传统机械式和微机械型( m e m s ) 光开关天然的速度优势，以及数字式响应、结构紧 凑、波长偏振不敏感等优点，有望成为能满足光交换系统要求的一种开关结构。 对金内反射型光波导开关的研究已有3 0 年，在多种材料上都设计和制作过这种结构 的光开关，但其性能一直不理想。这其中的一个重要原因就是人们对全内反射型光开关的 工作机制缺乏深刻的认识，关于它的理解一直停留在自由空间中常规的光束反射问题。事 实上，由于全内反射型光波导开关中光束的反射存在以下特殊性：1 入射光为窄光束；2 。 入射角接近9 0 0 ；3 被反射同时光束还受到波导的限制；4 反射区的折射率变化常为二维梯 度分布。因此它的工作机制远比自由空间中的常规光束反射问题复杂，也不能简单地由目 前普遍采用的角谱展开法进行分析。 本论文的目的是为提高全内反射型光波导开关性能，系统地建立能描述其工作机制的 分析方法并指导器件设计和制作，在理论和实验二方面都对全内反射型光波导开关进行深 入研究。本论文主要在以下三个方面做出了有创新意义的理论工作： 1 本文提出了广义的平面波反射与透射的研究思想，并给出了严格的电磁场理论证明， 解决了长期以来关于掠入射极限情况下的古斯汉欣位移的争论，此外还具体分析了窄 光束掠入射时的频谱叠加效应。这一工作不仅可以帮助理解全内反射型光开关的工作 机制，它对于处理劳埃德镜等类似的光学问题也具有指导意义。 2 本文提出利用模式展开法来分析受限空间中光束的反射，指出了全内反射型光开关中 反射的本质是奇阶模和偶阶模之间的简并。并针对全内反射型光开关功耗较大这一弊 端，提出在设计时通过控制模式激励来降低其工作对折射率下降的要求。 3 本文具体结合聚合物热光效应分析光在折射率二维梯度下降场中的反射。在推导热场 分布解析表达式的基础上，本文利用射线法来计算光在热场中的反射轨迹。指出由于 折射率在竖直方向的不均匀，不同水平面上的光线反射轨迹不同，最终导致光束在反 射后被展宽。根据该展宽规律，全内反射型光开关的结构必须做出相应的调整。大部 分实际的反射问题中反射区的折射率都是二维梯度变化的，本文给出的分析思路对研 究这些问题都是有借鉴意义的，如本文提出的一种基于全内反射机理的2 x 3 光开关新 结构。 基于以上三个理论模型，实验方面本文分别利用热光效应和载流子注入效应进行了工 作波长为1 5 5 p m 的全内反射型光波导开关的制作和测试。首先，本文成功地在有机聚合 物( 丙烯酸氟化树脂) 材料上制作了2 x 2 的热光全内反射型光开关单元。测试结果表明， 功耗在8 0 m w 时，开关的消光比高于3 5 d b ，同时开关的速度在5 m s 左右。此外，本文对 传统的2 x 2 结构做了改进，通过设置分段工作的电极实现了利用全内反射原理完成光在三 个端口间的切换，成功制作了2 x 3 的光开关单元。另一方面，本文还进行了化合物半导体 材料上的高速全内反射型光开关的初步制作。本文设计并生长了g a a s g a a l a s 双异质结 材料，摸索了化合物半导体材料上的光波导器件制作工艺，并与北京半导体所合作，进行 了一次完整的流片。流片结果中观察到了初步的光路切换现象，并且器件的响应时间在 7 0 n s 以下，初步实现了高速的目标。 最后，本文基于w 型五层波导的零阶t e 模截止特性，提出了一种能用作门开关或可 变光衰减器的具有可调滤波特性的调截止型调制器方案。相较于已报道的其它类型的调截 止型调制器，它具有尺寸小、工艺简单、适宜于高密度集成等优点。 关键词光开关、金内反射、频谱展开法、模式展开法、热光效应、载流子注入效应、双 异质结、集成光学 i v a b s t r a c t t h eo p t i c a ls w i t c hi st h ek e yc o m p o n e n ti no p t i c a ls w i t c h i n gs y s t e m s al o to fs w i t c h i n g s c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e di nt h ep a s t h o w e v e r , n o n eo ft h e mc a ns a t i s f ya l lr e q u i r e m e n t so f c o m m e r c i a la p p l i c a t i o n su pt on o w , s od e v e l o p i n gt h eo p t i c a ls w i t c ho fh i g hp e r f o r m a n c eh a s b e c o m eo n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n gp r o b l e m si nt h ea r e ao fo p t o e l e c t r o n i c s c o m p a r e dw i t ht h e m e c h a n i c a la n dt h em i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l ( m e m s ) s w i t c h e s ，t h eo p t i c a lw a v e g u i d es w i t c h u t i l i z i n gt h et o t a l - i n t e r n a l r e f l e c t i o n ( t i r ) s t r u c t u r eh a sa ni n t r i n s i ca d v a n t a g ea tt h eo p e r a t i o n s p e e d i na d d i t i o n ，i th a sm e r i t ss u c ha st h ec o m p a c ts i z e ，t h ed i g i t a lr e s p o n s et ot h ed r i v i n g s i g n a l ，t h en o n s e n s i t i v i t yt ow a v e l e n g t ha n dp o l a r i z a t i o n ，s ot h et i rs w i t c hi s ap r o m i s i n g s t r u c t u r et om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h eo p t i c a ls w i t c h i n gs y s t e m t h et i rs w i t c hh a sb e e ns t u d i e df o r3 0y e a r s ，i ti sd e s i g n e da n df a b r i c a t e di nal o to f m a t e r i a ls y s t e m s h o w e v e li t sp e r f o r m a n c ei sn o ts a t i s f y i n ga l la l o n g ，a ni m p o r t a n tr e a s o nf o r t h a ti sp e o p l e su n d e r s t a n d i n ga b o u ti t so p e r a t i o nm e c h a n i s mi sn o te x a c t ：i ti sw i d e l yt h o u g h t t h a tt h eb e a mr e f l e c t i o ni nt h et i rs w i t c hi st h es a m ea st h eo r d i n a r yr e f l e c t i o ni nt h ef r e es p a c e i nf a c t ，t h eb e a mr e f l e c t i o ni nt h et i rs w i t c hh a st h ef o l l o w i n gf o u rp a r t i c u l a r i t i e s ：1 t h ew i d t h o ft h ei n c i d e n tb e a mi sn a r r o w ；2 t h ei n c i d e n ta n g l ea p p r o a c h e s9 0 。；3 t h eb e a mi sc o n f i n e db y t h ew a v e g u i d ew h i l ei ti sb e i n gr e f l e c t e d ；4 t h er e f r a c t i v ei n d e xi nt h er e f l e c t i o nr e g i o nv a r i e si n t w od i m e n s i o n s i nt h i st h e s i s ，a n a l y t i c a lm o d e l sa r ed e v e l o p e dt od e s c r i b et h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h e t i rs w i t c h ，a n dt h e nt h er e s u l t so ft h ea n a l y t i c a ls t u d ya r eu s e dt og u i d et h ep r a c t i c a ld e s i g na n d f a b r i c a t i o n t h i st h e s i sm a k e si n n o v a t i v et h e o r e t i c a lw o r k sm a i n l yi nt h ef o l l o w i n gt h r e e a s p e c t s ： 1 t h ed e f i n i t i o no ft h eg e n e r a l i z e dr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fp l a n ew a v ei sp r o p o s e da n d r i g o r o u s l yp r o v e di nt h i st h e s i s w i t ht h ed e f i n i t i o n o ft h eg e n e r a l i z e dr e f l e c t i o n ，t h e c o n t r o v e r s ya b o u tt h eg o o s - h e n c h e ns h i f ti nt h el i m i to fg r a z i n gi n c i d e n c ei ss o l v e d ，a n d t h e nt h es p e c t r u ms u p e r p o s i t i o ne f f e c ti ss t u d i e df o rt h ei n c i d e n c ec i r c u m s t a n c et h a tt h e b e a ms p r e a da n g l ee x c e e d st h ec o m p l e m e n t a r ya n g l eo ft h ei n c i d e n ta n g l e t h i sw o r ki s h e l p f u lf o ru n d e r s t a n d i n gt h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h et i r s w i t c h ，a n df o ri n v e s t i g a t i n g a n a l o g i c a lp r o b l e m si no p t i c ss u c ha st h el l o y d sm i r r o r v 2 t h em o d a le x p a n s i o nm e t h o di su t i l i z e dt oi n v e s t i g a t et h er e f l e c t i o ni nt h eb o u n d e ds p a c e t h et h e s i sp o i n t so u tt h a tt h ee s s e n c eo ft h er e f l e c t i o ni nt h ep r a c t i c a lt i rs w i t c hi st h e m o d ed e g e n e r a c yb e t w e e ne v e na n do d dm o d e s s i n c ed i f f e r e n tm o d e sr e q u i r ed i f f e r e n t r e f r a c t i v ei n d e xd e c r e a s e st oa c h i e v et h ed e g e n e r a c ys t a t e ，t h et h e s i se x p l o r e st or e d u c et h e p o w e rc o n s u m p t i o no f t h et i rs w i t c hb yc o n t r o l l i n gt h em o d ee x c i t a t i o n 3 t h el i g h tr e f l e c t i o ni nt h er e f l e c t i o nr e g i o nw i t hat w o d i m e n s i o n a lg r a d i e n tr e f r a c t i v ei n d e x d i s t r i b u t i o ni ss t u d i e dp a r t i c u l a r l yf o rt h et h e r m o o p t i c a le f f e c to fp o l y m e r b a s e do nt h e a n a l y t i c a le x p r e s s i o no ft h et h e r m a lf i e l dd i s t r i b u t i o n ，t h et h e s i su t i l i z e st h em e t h o do fr a y o p t i c st o c a l c u l a t et h el i g h tr e f l e c t i o nt r a c e t h ec a l c u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h er e f l e c t i o n t r a c ev a r i e sw i t hd i f f e r e n th o r i z o n t a lp l a n e sd u et ot h en o n u n i f o r m i t yo ft h er e f r a c t i v ei n d e x i nt h ep e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n ad i r e c t r e s u l to ft h a ti st h eb e a mi se x p a n d e da f t e rt h e r e f l e c t i o n a c c o r d i n gt ot h eb e a me x p a n s i o nr u l e ，t h es t r u c t u r eo ft h et i rs w i t c hs h o u l db e a d j u s t e da c c o r d i n g l y s i n c et h et w o d i m e n s i o n a lg r a d i e n td i s t r i b u t i o no ft h er e f r a c t i v ei n d e x i s p r e v a l e n ti np r a c t i c a lr e f l e c t i o n s ，t h ea n a l y t i c a lm e t h o dp r e s e n t e di nt h i st h e s i s i s c o n s t r u c t i v ef o rs t u d y i n gt h e s ep r o b l e m s b a s e do nt h et h r e et h e o r e t i c a lm o d e l sa b o v e ，t h et h e s i sf a b r i c a t e st h ep r a c t i c a lt i rs w i t c h w h i c ho p e r a t e sa tt h eo p t i c a lw a v e l e n g t ho f1 5 5 t r nb yu t i l i z i n gt h et h e r m o - o p t i c a le f f e c ta n d t h ec a r t i e ri n j e c t i o ne f f e c t a2 x 2t i rs w i t c hi s d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l ye m p l o y i n gt h e t h e r m o o p t i c a le f f e c to fp o l y m e r t h et e s t i n gr e s u l ts h o w s t h a ti t se x t i n c t i o nr a t i oe x c e e d s3 5 d b a tap o w e rc o n s u m p t i o no f8 0m w , a n dt h es w i t c h i n gs p e e di sa b o u t5m s h 1a d d i t i o n a n i m p r o v e m e n ti sm a d eo nt h et r a d i t i o n a l2x 2s t r u c t u r e b ys e t t i n gas e c t i o n a le l e c t r o d e ，t h et h e s i s s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e sa2 x3s w i t c hw h i c hc a nr o u t et h el i g h tb e t w e e n3o u t p u tp o a s o nt h e o t h e rh a n d ，b yc o l l a b o r a t i n gw i t ht h eb e i ji n gs e m i c o n d u c t o ri n s t i t u t e ，t h et h e s i se x p l o r e st o f a b r i c a t et h eh i g h s p e e dt i rs w i t c ho ng a a s g a a i a sd o u b l eh e t e r o j u n c t i o n t h el i g h t s w i t c h i n gp h e n o m e n o ni so b s e r v e di nt h ep r i m a r yr e s u l t ，a n dt h er e s p o n s et i m ei sf a s t e rt h a n7 0 n s a tl a s t ，b a s e do nt h ec u t o f fc h a r a c t e r i s t i co ft h ez e r o o r d e rt em o d eo ft h ew - t y p e w a v e g u i d e ，t h et h e s i sp r o p o s e sac u t o f f m o d u l a t o rw i t ht u n a b l ef i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i cw h i c hc a n b eu s e da sag a t es w i t c ho rav a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r c o m p a r e dw i t ho t h e rs c h e m e so ft h e c u t o f fm o d u l a t o r , i th a st h ea d v a n t a g e so fam o r ec o m p a c ts i z e ，as i m p l e rs t r u c t u r ea n dt h e v i p o t e n t i a lf o r t h eh i g hi n t e n s i t yi n t e g r a t i o n k e y w o r d so p t i c a ls w i t c h ，t o t a l i n t e r n a l r e f l e c t i o n ，a n g u l a re x p a n s i o nm e t h o d ，m o d a l e x p a n s i o nm e t h o d ，t h e r m o o p t i c a le f f e c t ，c a r r i e ri n je c t i o ne f f e c t ，d o u b l eh e t e r o j u n c t i o n ， i n t e r a t e do p t i c s v i l 图目录 图1 1 光通信网络结构图1 图1 2 频域、时域、空域和码域的光交换2 图1 3 采用m e m s 技术的光开关方案：( a ) 二维数字式m e m s 光开关；( b ) 三维模拟型 m e m s 光开关4 图1 4 二维数字型m e m s 光开关：( a ) 反射镜单元示意图；( b ) 有2 5 6 个微反射镜的1 6 x 1 6 路m e m s 光开关的照片5 图1 5 定向耦合型光波导开关结构图6 图1 6m z 型开关调制器示意图6 图1 72 x 2 、3 x 3 和4 x 4 的像点调制型m m i 光开关结构图7 图1 8b o a 型光开关结构图8 图1 9 y 分支数字型光开关示意图8 图1 1 0 由s o a 构成的各种光开关矩阵：( a ) 2 x 2 ，( b ) 2 x 2 ，( c ) 4 x 4 。图中，三角形，矩形 和椭圆型分别表示s o a 、y 分支耦合器和x 结耦合器9 图1 1 1 全内反射型光波导开关的两种基本结构1 0 图2 1 窄光束的掠入射示意图1 7 图2 2 平面波与分层媒质作用的两种模式1 9 图2 3 广义的反射系数尺g ( 尼，) 的幅度和相位分布。计算中的参数为：玎。= 行，= 3 3 7 ， n 2 = 3 3 5 ，d = 4 a , n ，允= 1 5 5 u r n 。一2 1 图2 4 可组成完全正交基的空间电磁场模式2 2 图2 5 模式展开时的三个积分区间2 5 图2 6 不同入射角时的场分布的理论计算值与软件模拟值的比较。计算中的参数为 n l = n 3 = 3 3 7 ，n 2 = 3 3 5 ，d = 4 , u m 力= 1 5 5 , , m ，w = 2 p m ，h = 1 5 w t a n ( t g o ) ，z = 5 0 0 a n ，臼= 4 1 8 。 ：；1 图2 7 介质膜折射率下降取不同值时场分布的理论计算值与软件模拟值的比较。 a n = ，z 。一刀：，计算中的其它参数为o o = 1 。，h = 2 0 01 a m 。其它参数与图2 6 中相同。一3 2 图2 8 窄光束掠入射时的古斯一汉欣位移和角度偏移随入射高斯光束腰宽度的变化。计 x i 算中的参数为：刀l = 玎3 - - 3 3 7 ，n 2 = 3 3 5 ，d = 4 p r n ，旯= 1 5 5 p m ， ：1 3 w t a n ( 8 0 ) ，z ：5 0 0 0 a n 。 3 3 图2 9 出射峰位置随传输距离的变化。o o = 1 。，其它参数与图2 8 中一致。一3 4 图2 1 0 实际的全内反射型光波导开关结构图3 5 图2 1 1 反射态和直通态时，波导2 中的光场在出射面z ，= h 上的分布。计算中的参数为： n 2 = 3 3 7 n 3 = 3 3 5 五= 1 5 5 t m ，w = 1 6 a r m a = 2 z m ，口= 4 。，b = a + w c o s o ，a n = n 2 一n l 。 z 1 1 图2 1 2 波导3 和4 中的基模功率随电极区折射率下降的变化关系。计算中的参数与图2 1 1 中相同4 1 图2 1 3 变量“随c 的变化。图内数字标注表示的是导模阶数。计算中的参数与图2 1 1 中 相同4 2 图2 1 4 简并前后的模场分布。a n = 7 2 2 一n l ，其它参数与图2 1 1 中一致。4 3 图2 1 5 电极区折射率下降取不同值时反射区中各导模的激励系数，计算中的参数同图 2 1l 。4 5 图2 1 6 对应于图2 1 5 中电极区折射率下降取不同值时的光传输效果。( a ) ：a n = 0 ，( b ) ： a n = 0 0 1 ，( c ) ：a n = 0 2 5 。4 5 图2 1 7 波导2 中所有的导模均达到简并所需的最小c 值与参数b a 的关系图。图中标注 的数值为不同的简并条件。计算中，v = 2 9 7 ，其它参数与图2 1 1 中一致。一4 6 图2 1 8 波导2 中所有导模的总功率随角度口的变化示意图。计算中的参数为：，z ：= 3 3 7 ， ，z l = n 3 = 3 3 5 ，允= 1 5 5 , u m ，a = 2 t m ，b = a + w c o s o 。4 7 图2 1 9 控制波导2 中模式激励的效果。计算中的参数为：( a ) 秒= 5 。，w = 4 n ，( b ) 口= 5 。，w = 2 0 , u r n ，( c ) 秒= 6 。，w = 2 0 工t m 。 其它参数为：玎2 = 3 3 7 ，刀3 = 3 3 5 ，五= 1 5 5 卢z m ， a = 2 m ，b = a + w c o s o ，a n = n 2 一啊= 0 0 2 。4 7 图2 2 0 所有导模均满足简并条件甜2 时w 2 同v 的关系。4 8 图2 2 1 直通态时波导4 中的基模功率，计算中的参数为：以。= 胛：= 3 3 7 ，甩，：3 3 5 ， x i i 2 = 1 5 5 t m ，a = 2 t m ，b = a + w c o s o 。4 9 图3 1 聚合物热光型器件的热学模型5 1 图3 2 不同计算窗口宽度，对o ( o ，办) 的影响。计算中的参数为：l = 3 6 0 0 a n ，q ：o 1 2 w ， k = o 1 7 7 w m k ，a = 5 w m 2 k ，p = 1 2 0 0 k g m 3 ，c = 1 3 0 0 j k g k ，h = 3 7 a m ，w = 5 a m 。 6 ( ) 图3 3 温度分布的幅度图。计算中的参数同图3 2 6 0 图3 4 温度分布的等高线分布。计算中的参数同3 2 。6 0 图3 5 不同器件厚度下的时间响应，相关参数与图3 2 中相同6 1 图3 6 不同电极宽度下的时间响应，相关参数与图3 2 中相同6 1 图3 7 不同子午面上的温度场分布。计算中的参数同图3 3 6 2 图3 8 折射率梯度下降场中光束的反射和展宽示意图6 3 图3 9 不同子物面的焦散点位置，计算中的参数同图3 3 6 4 图3 1 0 实际的聚合物热光型t i r 光开关结构图6 5 图3 1 1 光场在整个展宽波导中的分布6 6 图3 1 2 反射态时不同展宽波导宽度形下的归一化输出一6 7 图3 1 3 反射态时不同的扩大的反射区宽度d 下的归一化输出6 7 图3 1 4 反射态时不同掩埋深度下的归一化输出6 8 图3 1 5 开关的工作特性6 8 图3 1 6 聚合物波导的工艺制作流程7 0 图3 1 7 旋涂速度与膜厚的关系( z e np h o t o n i c s 公司提供) 7 1 图3 1 8 聚合物表面电极图形7 2 图3 1 9 完整流片后的照片7 2 图3 2 0 测试系统框图7 3 图3 2 1 测试系统实物图7 3 图3 2 2 器件的开关特性曲线7 5 图3 2 3 示波器观察到的器件时间响应7 5 图3 2 42 x 3 光开关的工作原理图7 6 图3 2 52 x 3 光开关的结构示意图7 7 x 1 1 1 图3 2 6 半反态和反射态时的输出光斑7 7 图3 2 7 半反态时分别从1 和2 两个端口输入时的测试结果7 8 图3 2 8 反射态时分别从1 和2 两个端口输入时的测试结果7 8 图4 1 理想的p g a a s n a l x g a l x a s 异质结能带图8 1 图4 2 正向偏压下的p g a a s n a l x g a l x a s 能带图8 2 图4 - 3 正向偏压下n a l x g a l x a s p g a a s p a l x g a l x a s 的双异质结能带图8 2 图4 4 综合考虑三种效应对g a a s 折射率变化的影响。( a ) n = p = 1 0 1 7 c m 3 ； ( b ) n = p = 5 x 1 0 1 7 c m 3 ；( c ) n = p = 1 0 1 8 c m 3 ；( d ) n = p = 3 x 1 0 1 8 c m 3 。( 摘自尹锐博士学位论文“全 内反射型光开关阵列与多模光干涉器的集成化研究”) 8 6 图4 。5 不同光子能量和注入载流子浓度下g a a s 折射率下降的等高线图。( 摘自尹锐博士 学位论文“全内反射型光开关阵列与多模光干涉器的集成化研究”) 8 7 图4 6 注入电流密度一定时，等效折射率下降有源层厚度的关系。计算中： a n d ：0 0 2 0 5 l o n ，上下限制层的a l 浓度均为3 0 ，波长1 5 5 p r o 。8 8 图4 7 注入电流密度一定时，等效折射率下降与上下限制层中a 1 浓度的关系。计算中： a n = 0 0 2 ，d = o 5 p m ，波长1 5 5 p m 。8 8 图4 8 波导结构图和b e a m p r o p 模拟得到的基模光场分布8 9 图4 9 平板波导( a ) 和直波导( b ) 的通光效果图。9 0 图4 1 0 载流子分布计算模型9 l 图4 1 1 不同条宽和上限制层厚度时注入有源区的电流密度分布9 2 图4 1 2 化合物半导体材料上的工艺流程图9 4 图4 1 3 流片完成后的器件。( a ) ：俯视图；( b ) ：端面图。1 0 0 图4 1 4x 结的通光效果图：( a ) 仅完成第一步干法刻蚀形成波导；( b ) 完整流片后。1 0 1 图4 1 5 干法刻蚀s i 0 2 注氧掩模时在g a a l a s 表面形成腐蚀坑的俯视图( 左) 和剖面图( 右) 。 1 ( ) 1 图4 1 6x 结型全内反射光开关的输出随注入电流的变化，圈出端口为直通端。左图和右 图分别表示从x 结的两个入射端口入射。1 0 2 图4 1 7 化合物半导体载流子注入型器件的时间响应。上半部分是示波器的直接输出。红 色是驱动型号，绿色是探测器输出。下半部分是数据导入m a t l a b 所绘得的探测器输出。 。1 0 2 x l v 图5 1w 型对称五层平板波导的折射率分布示意图。其中，n ，、n 2 和n 3 分别为芯层、限 制层和包层的折射率。芯层的厚度为2 以，芯层加限制层的总厚度为2 b 1 0 5 图5 2 函数f ( v ) 与横座标轴的交点：( a ) b a = 2 ；( b ) c = 2 。1 0 6 图5 3w 型g a a s g a a l a s 外延层材料中，零阶t e 模的截止波长分别随限制层和包层中 a l 含量变化的关系图。( a ) ：截止波长随包层中a 1 含量的变化，计算中，限制层中a 1 含 量为0 4 ，b a = 2 ；( b ) ：截止波长随限制层中a i 含量的变化，计算中，包层中a 1 含量为 o 1 ，2 a = 0 8 t m 1 0 7 图5 4w 型g a a s g a a l a s 外延层中零阶t e 模的截止波长与芯区折射率下降刀的关系。 图中标注的参数为包层中a l 的浓度。计算中，限制层中的a 1 浓度为o 3 5 ，b a = 2 ， 2 a = 0 7 b a n 。1 0 8 图5 5 调截止型门开关的波导截面1 0 9 图5 6 芯区折射率下降咒取不同值时，调截止型调制器的波长响应。图中标注的，z 均为 波长1 3 1 比m 时的折射率下降。1 0 9 图5 7 波长为1 3 1 m 和1 5 5 比m 时开关的工作特性。在同等注入电流的情况下，波长 1 5 5 t m 时的折射率下降是波长1 3 1 t m 时的1 4 4 倍。图中横坐标表示的是波长1 3 1 t m 时 的a n 值。11 0 图5 8 不同波导宽度下器件的波长响应。计算中芯区折射率下降取波长1 3 1 ：m 时0 0 1 。 】【1 0 图5 9 波长为1 5 5 ：m 时调制器中光场的传输情况。x ，y ，z 分别表示水平方向，竖直方 向和纵向传输方向。从上到下，芯区的折射率下降a n 分别为0 ，o 0 0 5 和o 0 1 1 1 2 x v 表目录 表1 1 目前公开报道的全内反射型光波导开关的性能参数1 0 表1 2 几种光波导开关结构的主要性能比较1 1 表3 1z p u l 2 一r i 系列聚合物材料的参数6 9 表3 2 从端口3 输入时的开关特性7 4 表3 3 从端口4 输入时的开关特性7 4 表4 1a 1 x g a l x a s 材料折射率经验公式中的系数8 3 表4 2 化合物半导体器件工艺制备流程表9 5 表5 1 调节w 型g a a s g a a i a s 外延层的各项参数对其零阶t e 模截止波长的影响。1 0 7 x v i i 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，也不包含为获得逝望盘鲎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：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄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。本人授权逝姿态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：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 致谢 从1 9 9 9 年进入浙江大学到现在，已经在美丽的求是园中度过了九个年头。总是觉得 毕业还遥遥无期，不知不觉却走到了学生时代的最后一个夏天。 九年的时间中有五年半是在王明华教授的指导下度过的。正是有王老师学术上的指导 和生活上的关心，才能取得今天的一点成绩。从王老师身上学到的不仅是知识，更有严谨 治学的态度和为人处事的道理。 感谢江晓清教授。江老师思维活跃，理论功底扎实，