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光通信系统中新型亚波长光栅与半导体光探测器集成的研究

房文敬

  高速光通信系统和光网络的飞速发展对光电子器件性能提出了更高的要求,与新型微纳结构多功能集成的接收器件已经成为光通信发展的必然需求之一。亚波长光栅作为一种新型微纳结构,已经广泛地应用在高性能光电子器件中,尤其是亚波长光栅采用纳米级的尺寸、新颖的结构,甚至非周期结构时,会产生光束会聚、光束偏转及新的光学特性。因此,将新型亚波长光栅与半导体光探测器集成可以显著地拓展器件的功能。本论文以亚波长光栅为主要研究对象,在探讨新结构、新性能的基础之上,将其与半导体光探测器集成,以提高传统半导体光探测器的各项性能。重点研究新型亚波长光栅的理论模型,结构设计、仿真计算及与半导体光探测器的集成工艺与测试。主要的创新点和研究成果如下:1.研究了具有大角度光束偏转功能的一维非周期亚波长光栅,设计并成功制备了光束偏转角度接近20°的一维非周期亚波长高折射率差光栅反射镜。在TM偏振光下,该反射镜在1550nm波长处获得了 17.2°的偏转角,与仿真结果17.35°基本一致。此外,测试了 1530-1570nm波长范围内的反射光的功率谱,其峰值功率均在17.2°。与其他文献中提出的接近6°的小角度光束偏转相比,该光栅反射镜在1550 nm波长附近的40 nm范围内具有良好的反射和光束偏转能力。2.研究了具有光束会聚功能的一维非周期亚波长光栅。设计并成功制备了焦距为15mm的条形亚波长高折射率差光栅反射镜。在1550 nm波长的TM偏振光垂直入射时,测试得到反射率为0.832,焦距为11.86 mm,与设计值15 mm接近。与入射光相比,光栅结构在焦点处的光斑尺寸明显减小,半高宽(FWHM)从235 μm降到120μm,峰值光强增加了 1.18倍。且在1530-1580 nm波长范围内的焦距在11.81 mm到12 mm之间,总的反射率大于56%。文献中提出了焦距为17.2 mm的亚波长光栅反射镜,其反射率为80%-90%,光斑半径约为150μm。与其相比,作者设计的反射镜在50 nm的带宽内具有良好的光束会聚能力和高反射率。3.在光束会聚型条形光栅的基础上,提出了具有光束会聚特性的非周期同心环亚波长光栅结构。首次设计并制备了焦距为15mm的同心环亚波长高折射率差光栅反射镜。在1550nm波长的径向偏振光垂直入射下,测试得到的反射率超过80%,焦距为10.87 mm。同心环亚波长高折射率差光栅的会聚平面反射光的FWHM从400 μm减小到 260 μm。与输入光束强度相比,强度增加1.26倍。4.首次提出了具有会聚功能的一维亚波长光栅偏振分束器。该结构由两层光栅组成。在1550nm波长的TE和TM混合光入射下,该器件可将两种偏振光分离开,并使两束输出光各自实现会聚。理论计算得到TE和TM偏振光的总透射率分别为78.3%和93%,偏振消光比分别为13.8 dB和10.3 dB,且实现较好的会聚效果。5.分析二维亚波长光栅的波前相位控制原理,并首次设计并制备了尺寸为250×250 μm2、焦距为200 μm的二维非周期块状亚波长高折射率差光栅功分器,该器件对1550 nm波长的TE与TM混合波可实现偏振不敏感透射和功率均分。远距离测试得出两束输出光在光栅透射面以下600μm处的光强比为1:0.9,两个光斑之间的距离相距约500 μ。近距离测试得出在两个焦点的光强之比为1:0.85,距离大约为 210μm。6.实现了具有光束会聚特性的亚波长高折射率差光栅与半导体光探测器的集成。利用BCB键合工艺,将99%的反射镜、条形亚波长光栅、同心环亚波长光栅分别与InGaAs/InP PIN光探测器结构集成。测试了直径为180 μm到40 μm等不同直径的光探测器分别在无反射元件、与99%反射镜集成、与条形亚波长光栅集成、与环形亚波长光栅集成的四种光探测器时的性能,给出了不同光功率下的输出光电流及对应的响应度,结果显示具有会聚特性亚波长光栅与直径为40μm集成的光探测器响应度提升最大。7.首次提出了一种与亚波长分束光栅混合集成的光探测器阵列,与他人合作成功制备了混合集成的PIN光探测器阵列。测试结果表明,混合集成的PIN光探测器阵列具有大功率、高饱和特性,其饱和电流为64 mA,RF功率为3.0 dBm。……   
[关键词]:光通信系统;光子集成;亚波长光栅;光探测器
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:北京邮电大学2017年