基于SOI材料的集成可调谐光衰减器的研究

【摘要】：可调谐光衰减器是光网络中最基本的光器件之一，本文提出了一种新型基于SOI材料的电注入的集成可调谐光衰减器，介绍了可调谐光衰减器的设计原理和器件结构，提出了器件的近似分析模型，分析和优化了影响器件衰减特性的结构和工艺参数，分析了器件的注入载流子分布、插入损耗和响应时间，介绍了器件的制作工艺，最后给出器件的测试结果。具体内容包括： 介绍了硅(SOI)材料的性质，分析了基于SOI材料实现可调谐光衰减器的技术方案的选择。直波导结构的可调谐光衰减器具有结构简单、插入损耗小、工艺容差大、有利于降低成本和提高成品率等优势，因此我们在设计中采用了直波导结构。 详细介绍了PIN结载流子注入理论，总结和分析了广泛应用的脊型波导横向PIN结构的性质，在此基础上提出了新型的双脊波导横向PIN结构。双脊波导横向PIN结构可以进一步增大载流子的注入面积，提高载流子的利用率。为了减小单模脊型波导和双脊波导的模式耦合损耗，根据模斑转换器的思想，在器件中设计了渐变双脊波导区。整个器件包含输入／输出波导、渐变双脊波导区和调制区三个部分。 通过近似处理，提出了双脊波导横向PIN结构的分析模型，并根据分析模型优化了影响可调谐光衰减器衰减特性的掺杂深度、掺杂浓度、本征区半长等参数，给出了优化后的参数值。分析了器件的注入载流子分布、插入损耗和响应时间。 给出了器件制作的完整的工艺流程，重点介绍了光刻、热扩散、刻蚀光波导、端面抛光等器件制作的关键工艺，并根据可调谐光衰减器制作的特殊要求确定了相应的工艺参数，最后给出器件的制作结果。 介绍了器件的电学特性、衰减特性、插入损耗、响应时间、偏振相关损耗等主要测试参数，给出了相应的测试结果，并对测试结果进行了分析。该可调谐光衰减器衰减量可达20dB，对应最大功耗约为650mW，器件的芯片上插入损耗约为4dB，响应时间小于800μs，偏振相关损耗小于0.4dB，可以通过改进设计和工艺进一步降低器件的电功耗和插入损耗。