双波导布拉格光栅的设计、制作及其应用研究

论文摘要

波导布拉格光栅是集成光子学器件中的一个重要结构,具有设计灵活、结构紧凑、功能多样等优点,被广泛应用于电光调制器、色散补偿器、耦合器和半导体激光器等光器件。为了实现一些特定的功能,这些光栅一般都具有纳米尺度的相移、切趾或啁啾等。然而使用电子束刻蚀（Electron-beamlithography,EBL）制作这些具有特殊结构的光栅存在耗时长、成本高等问题。所以如何提高波导布拉格光栅的制作精度和降低制作成本,对于实现波导布拉格光栅的商业化非常重要。另外,自从Reid等人在1990年提出并将莫尔光栅（moire grating,MG）应用到D型光纤以来,由于其同时具有π相移和余弦切趾的特性,已经在光纤光栅上取得了长足的进步和发展。但是迄今为止,MG只是被制作在光纤和光致热敏折射率玻璃等光敏性材料上。究其原因,主要是双重曝光制作的均匀光栅的周期差大约只有0.1 nm,并且这种制作方法与传统的CMOS（Complementary Mental-Oxide Semiconductor）工艺不兼容。为了克服这个问题,我们提出了一种新型的波导MG结构,它是由位于波导两侧的周期具有微小差异的双波导布拉格光栅构成。这种双波导布拉格光栅结构可以在光子集成器件中实现MG效应。本论文的主要工作是通过设计双波导布拉格光栅结构来实现特定的光学性能。其中一部分工作是研究纳米压印和传统微米级光刻相结合来制作等效π相移（Equivalent π phase shift,π-EPS）光栅的工艺流程,并且通过将由交错的π-EPS光栅组成的双波导布拉格光栅制作在波导的两个侧壁,得到了具有交错光栅（Anti-symmetric sampled Bragg grating,ASBG）的四通道窄带滤波器阵列,实验证明了ASBG可以在保持+1级谐振峰不变的同时抑制0级谐振峰;另一部分工作是提出了由双波导布拉格光栅构成的波导MG和取样MG（Sampled MG,SMG）结构,并且将SMG结构应用于单模大功率半导体激光器的制作,有效提高了激光器的单模成品率和饱和功率。本文取得的主要研究成果和创新点如下:1、首次提出了将纳米压印和传统微米级光刻相结合来实现π-EPS光栅的制作方法,降低了制作成本,并实验制作得到了波导表面光栅。另外,将由交错的π-EPS光栅组成的双波导布拉格光栅制作在单模波导的两个侧壁形成ASBG结构,实验验证了含π-EPS的ASBG可以在保持取样的+1级子光栅的透射峰不变的同时抑制取样的0级子光栅的反射,并且得到了间隔为6.184 nm的四通道窄带滤波器阵列。通过改变ASBG结构中的取样光栅的周期可以实现不同的+1级透射峰,所以这种ASBG结构可以用于制作DFB半导体激光器阵列、传感器阵列和电光调制器阵列等。2、首次提出了通过在集成光子器件的波导两侧制作周期具有微小差异的双波导布拉格光栅实现MG效应。计算得到了波导MG的等效折射率调制与传统的莫尔光纤光栅结构相同,是一种具有缓变包络的快变结构。论文详细讨论了如何通过改变MG中双波导布拉格光栅的周期、初相位差或长度来改变π相移和余弦切趾特性。为了降低制造难度,首次提出了利用取样的方式来等效实现MG,即,取样莫尔光栅（sampled moire grating,SMG）。最后仿真说明了波导MG结构应用于DFB激光器时可以有效抑制空间烧孔效应（Spatial hole burning,SHB）,提高出光功率。3、实验制作得到了 SMG结构的单模大功率DFB半导体激光器。与均匀取样光栅的激光器相比,单模成品率和饱和功率都得到了提高。激光器的长度和脊波导宽度分别是1.0 mm和2.0μm。当激光器的工作温度是25℃时,阈值电流和斜效率分别是30.0 mA和0.36 mW/mA。注入电流是800.0 mA时,可以实现最大183.0 mW的出光功率。并且通过改变SMG中双波导取样光栅的周期制作得到了四通道的激光器阵列。SMG结构的单模大功率DFB半导体激光器及其阵列制作成本低,对于大规模光子集成及其商业化非常有益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 光通信与光子集成芯片中波导布拉格光栅的发展概况
•   1.2 波导布拉格光栅的简介
•     1.2.1 波导布拉格光栅的结构
•     1.2.2 波导布拉格光栅的工作原理及分析方法
•   1.3 波导布拉格光栅在光子集成芯片中的的应用
•     1.3.1 半导体激光器
•     1.3.2 光栅耦合器
•     1.3.3 光栅滤波器
•   1.4 纳米压印技术
•     1.4.1 纳米压印制备单模大功率DFB半导体激光器
•     1.4.2 纳米压印制备光栅传感器
•   1.5 本文的研究目的和主要内容
•   1.6 本章小结
• 第二章 波导布拉格光栅的设计与工艺制作
•   2.1 引言
•   2.2 等效π相移光栅的设计与仿真
•     2.2.1 等效π相移（π-EPS）光栅的设计原理
•     2.2.2 π-EPS表面光栅的仿真
•   2.3 含π-EPS光栅的波导滤波器的制作
•     2.3.1 纳米压印制作均匀的种子光栅
•     2.3.2 传统微米级光刻制作取样光栅结构
•     2.3.3 单模波导及其两端光栅耦合器的制作
•   2.4 交错取样布拉格光栅（ASBG）的实验验证
•     2.4.1 ASBG的耦合系数计算
•     2.4.2 ASBG结构滤波器的设计与仿真
•     2.4.3 ASBG结构滤波器的制作与测试
•   2.5 本章小结
• 第三章 波导莫尔光栅（MG）的设计与应用研究
•   3.1 引言
•   3.2 波导MG的结构及数学计算
•   3.3 波导MG的仿真分析
•     3.3.1 波导MG与传统莫尔光纤光栅的比较
• 1泄漏模的形成'>    3.3.2 TE₁泄漏模的形成
• 1泄漏模对MG工作带宽的限制'>    3.3.3₁泄漏模对MG工作带宽的限制
•     3.3.4 不同MG结构的反射谱和透射谱
•   3.4 采用取样莫尔光栅（SMG）等效实现波导MG
•   3.5 MG在DFB半导体激光器中的应用
•   3.6 波导MG的制作误差分析
•   3.7 本章小结
• 第四章 取样莫尔光栅（SMG）在单模大功率半导体激光器上的应用
•   4.1 引言
•   4.2 SMG结构的单模大功率半导体激光器的设计
•     4.2.1 SMG结构的半导体激光器的数学计算
•     4.2.2 基于SMG结构的半导体激光器的仿真分析
•   4.3 SMG结构的单模大功率半导体激光器的制作
•     4.3.1 大功率半导体激光器的一次外延片设计
•     4.3.2 大功率半导体激光器的二次外延片设计
•     4.3.3 大功率半导体激光器的后续工艺
•   4.4 SMG结构的单模大功率半导体激光器的测试
•     4.4.1 SMG与均匀取样光栅结构的大功率半导体激光器对比
•     4.4.2 SMG结构的大功率半导体激光器阵列
•     4.4.3 大功率半导体激光器的打线与测试
•   4.5 本章小结
• 第五章 本文工作总结与展望
•   5.1 本文工作总结
•   5.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 博士期间发表成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘胜平

导师: 陈向飞,施跃春,Guo L.Jay

关键词: 光子集成,双波导布拉格光栅,分布反馈半导体激光器,莫尔光栅,取样光栅

来源: 南京大学

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: 南京大学

分类号: TN256

总页数: 130

文件大小: 13752K

下载量: 245