面向片上光互连的面发射激光器及其集成技术研究

论文摘要

随着互联网时代的来临,大数据、云计算、人工智能等各种新型网络应用逐渐走入人们的生活。数据通信流量随之爆炸式增长。同时人们对网络的速率,带宽,时延和成本等的要求越来越高。传统的电互连方式,由于其无法逾越的“电子瓶颈”,限制了网络速率和带宽的进一步提高,已经无法满足当前网络大带宽,高速率的需求。以光互连技术为核心的信息交换方式以其大带宽,高速率,低时延的性能优势,能够克服传统电互连网络的速率和带宽局限性,成为人们追求的网络发展方向。其中最受关注的一项技术是片上集成全光互连技术。片上集成全光互连网络可以大大降低网络成本,功耗,提高可靠性等。特别是基于硅基光电子平台的片上光互连网络,其制作工艺与当前微电子半导体领域成熟的CMOS工艺兼容,前景尤为广阔,有望成为突破当前通信网络瓶颈的技术。然而,硅材料是一种间接带隙材料,基于硅材料的发光光源效率极低,约为1%。此外,如果大规模应用于通信网络中,片上光互连网络必将对组网成本非常敏感。因此,高效率,低成本的片上互连光源目前是制约硅基片上光互连网络的主要瓶颈。研制面向硅基片上光互连网络的高效率,低成本光源具有重大意义。目前发光效率最高并已商用化的光源是以三五族半导体材料为主导的激光光源。最接近商业实用化的硅基片上光互连网络是基于硅基三五族半导体混合集成光子芯片的网络。基于目前的片上光互连技术研究现状,本论文主要围绕面向片上光互连的可集成光源及集成光子芯片技术展开了一系列的研究工作,分别从面发射激光光源的设计与优化,实验制作方案;硅基波导光栅耦合器的设计优化;混合集成片上光互连芯片的实现三个方面进行了阐述。提出了易制作,低成本的表面高阶矩形光栅面发射半导体激光器;渐变脊波导型高阶光栅面发射激光器;提出了面发射激光器通过硅基波导光栅与硅基光子芯片的耦合结构,优化了激光器与硅基波导光栅的耦合效率;研究了混合集成光芯片的实现方案。全文的主要研究内容及成果总结如下:(1)提出了利用表面高阶光栅实现表面发射半导体激光器,并降低半导体激光器的制作难度,制作成本的原理方法。基于格林函数法深入分析了高阶光栅的面发射辐射特性。(2)分析了半导体激光器的工作原理。基于改进的时域行波模型,编写了仿真软件,深入分析了表面高阶光栅面发射激光器的激射性能,并优化了面发射激光器的输出性能。提出了表面高阶光栅面发射激光器的实验制作方案。(3)提出了利用硅基波导光栅与表面高阶光栅面发射激光器的耦合结构,研究了混合集成光子芯片的实现方案。并优化了其耦合效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 片上光互连技术的研究意义
•   1.2 集成光子芯片
•   1.3 用于集成光子芯片的光源及集成技术研究进展
•   1.4 本论文的主要研究内容及创新点
• 2 激光器设计原理与数值方法
•   2.1 半导体激光器的工作原理与基本结构
•   2.2 半导体激光器的仿真
•   2.3 激光器时域行波模型与数值求解方法
•   2.4 仿真软件编写与验证
•   2.5 本章小结
• 3 高阶光栅面发射半导体激光器研究
•   3.1 器件结构及原理
•   3.2 高阶光栅的傅里叶展开分析模型
•   3.3 高阶光栅面发射激光器的仿真模型
•   3.4 高阶光栅面发射激光器的仿真模型验证与结构优化研究
•   3.5 渐变脊波导型结构高阶光栅面发射激光器
•   3.6 器件简要制作方案
•   3.7 本章小结
• 4 光栅耦合面发射激光器集成技术研究
•   4.1 光栅耦合器的基本理论
•   4.2 波导光栅的数值仿真-时域有限差分法
•   4.3 面发射激光器与垂直光栅耦合器集成的设计与优化
•   4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文和申请专利目录
• 附录2 攻读博士学位期间参与的课题研究情况

文章来源

类型: 博士论文

作者: 敖应权

导师: 张敏明

关键词: 片上光互连,集成光子芯片,高阶光栅面发射激光器,时域行波模型,传输矩阵法,硅基光栅耦合器,混合集成

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

分类号: TN248

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004941

总页数: 107

文件大小: 4596k

下载量: 7