基于重构等效啁啾技术的DFB半导体激光器与光子集成器件研究

【摘要】互联网、无线通信的快速发展及各种数据业务的爆炸式增长,对网络带宽的需求急剧增加。光纤通信作为现代通信网的三大支柱之一,正向着高速、大容量、集成化的方向迅速发展。半导体激光器具有体积小、效率高、重量轻、价格低的优点,是光纤通信的主要光源。随着网络容量的不断增加,由分立器件构建的光纤通信网络系统在器件数量、体积、能耗、成本上面临很大压力。在单个芯片上集成多个功能的光电子器件的光子集成技术(PIC),被认为是最有可能解决这一问题的方案。2004年以后,光子集成器件进入快速发展阶段,目前市场上已有大规模光子集成芯片的商业产品。但是由于种种原因,我国的光电子核心芯片研究进展缓慢,中高端的激光器芯片仍然基本依赖进口,研发并生产出低成本高性能的激光器芯片是我国光通信产业的迫切需求。本论文围绕重构等效啁啾(REC)技术开展研究,介绍了REC技术的原理及基于REC技术半导体激光器的设计、仿真和制造工艺,论证了可以用特殊设计的取样结构等效的实现具有优秀性能的光栅结构,据此可以用简单成熟的工艺制作复杂结构高性能半导体激光器与阵列,实现大规模的生产。摸索了半导体激光器的加工工艺,为后续研究奠定了基础。设计并实现了高性能DFB半导体激光器,并在此基础上对光子集成芯片进行了初步研究。主要结论如下：1、研制了基于REC技术的等效节距调制CPM、分布耦合系数DCC、DCC-CPMDFB半导体激光器。CPM结构通过引入相移调节区(PAR)使得光场在谐振腔中的分布更加平缓,有助于削弱空间烧孔效应带来的单模特性减退。在DCC结构中,谐振腔中间区域的光栅耦合系数高于两侧,能够增加激光器主边模增益差,提升激光器的单模特性。DCC-CPM结合了以上两种结构的优势。尽管这些DFB激光器在沿谐振腔方向有复杂的光栅结构变化,但是利用REC技术,其制作方法和成本与结构相对简单的等效相移DFB半导体激光器是完全一致的。理论仿真结果显示,复杂光栅结构在提升激光器部分性能的同时也会带来一些负面作用,因此在设计结构时需要权衡不同参数的影响。实验结果表明,我们制作的这些激光器在大电流注入的情况下均能保持高边模抑制比,具有良好的单模特性。实验获得了8波长100GHz间隔的等效CPMDFB半导体激光器阵列,波长间隔控制精准,成品率高。2、研制了基于REC技术的双波长半导体激光器。在DFB光栅结构中引入不对称相移±θ,利用分离谐振腔机制实现双波长激射。提出了用PAR取代突变相移,这种结构的优点是：对于相移θ较大的结构,可以有效增加两个模式在谐振腔中光场的分离程度；对于相移0较小的结构,可以避免相移处光刻版线条过小的问题；此外还可以有效减少空间烧孔效应的影响,得到更稳定的双波长激射。实验获得了激射波长间隔约为0.5nm的双波长DFB半导体激光器,并通过拍频获得了较稳定的64GHz微波信号；利用不同大小的相移实现了不同波长间隔的双波长DFB半导体激光器阵列。3、研究了量子阱混杂(QWI)技术,并开展了基于该项技术的光子集成芯片的制作。采用改进的量子阱混杂技术,通过溅射镀膜的方法可以增加点缺陷数量,提升量子阱混杂的比例。实验结果显示,退火温度665℃时,溅射镀膜的样品与未退火的样品相比发生了170nm带隙蓝移,而仅用PECVD蒸镀SiO2保护的样品只发生了6nnm带隙蓝移,可见用溅射镀膜的方法可以在同一外延片上实现有源器件和无源器件所需的不同带隙；用Rsoft软件仿真得到了合波器件多模干涉耦合器MMI合适的多模干涉区长度;设计了4信道DFB激光器阵列与MMI合波器单片集成芯片并研究了器件的加工工艺。
【作者】李思敏；
【导师】陈向飞；
【作者基本信息】南京大学，材料物理与化学，2014，博士
【关键词】DFB半导体激光器；双波长激光器；重构等效啁啾技术；光子集成；量子阱混杂；

【参考文献】
[1]童自惠.一个数控飞锯系统的设计[J].冶金自动化,1990,03:33-37.
[2]张凌.天然气水合物钻进时井内温度分布模型研究[D].中国地质大学,地质工程,2003,硕士.
[3]谢剑鸣.现代的地震解释工作[J].石油地球物理勘探,1980,06:1-8.
[4]李科,尧德中,陈李容.信息技术在后基因组学研究中的应用[J].电子科技大学学报(社科版),2003,03:64-67.
[5]武轶,侯晓惠.以供销合作社为主体,构建我国一元化“三农”服务平台的思考[J].经济界,2015,03:36-41.
[6]苏航.转K6摇枕弹簧疲劳可靠性分析[D].北京交通大学,2014.
[7]宋永生.城乡居民养老保险信息系统的分析与设计[D].山东大学,计算机技术（专业学位）,2012,硕士.
[8]邓志东,孙增圻,刘建伟.神经网络异步自学习控制系统[J].自动化学报,1995,05:629-633.
[9]崔玉洁.Filamin A调控EGFR活化对三阴乳腺癌细胞生物学行为的影响[D].河北医科大学,肿瘤学,2014,硕士.
[10]张成中.东北炼化工程有限公司精益维修战略的选择及实施研究[D].天津大学,EMBA,2013,硕士.
[11]王建军.射频装定系统编解码模块的研究与设计[D].中北大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[12]张帆.钻井风险管理知识集成与智能决策研究[D].西安石油大学,油气井工程,2012,硕士.
[13]曾龙飞.铝合金FSW构件时效成形的微观组织及力学性能[D].南昌航空大学,航空宇航制造工程,2013,硕士.
[14]崔红云.转C_4基因（PEPC&PPDK）水稻光合生理及耐光抑制特性的研究[D].南京师范大学,植物学,2012,硕士.
[15]田美玲.我国中产阶层发展问题研究[D].山西财经大学,马克思主义中国化,2013,硕士.
[16]魏宗梅.失地农民养老保障问题的研究[D].沈阳师范大学,社会工作,2013,硕士.
[17]李春宇.基于LTCC技术的微波滤波器设计[D].西安电子科技大学,电力电子与电力传动,2012,硕士.
[18]赵莉娜.三通道宽电压开关式大功率LED驱动电路的研究与设计[D].西安电子科技大学,控制理论与控制工程,2012,硕士.
[19]宋希亮,张秋生,初宜红.我国上市公司换股并购绩效的实证研究[J].中国工业经济,2008,07:111-120.
[20]陈蓓.汉语新词隐喻的认知研究[D].华中师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[21]程瑜,安甦.主动负荷互动响应行为分析[J].电力系统自动化,2013,20:63-70.
[22]张晓辉.为人与为学：王阳明致良知教的提出[D].兰州大学,中国哲学,2014,硕士.
[23]毛宇,王广奇.用数据挖掘的方法构建可扩展的入侵检测系统[J].华中科技大学学报(自然科学版),2003,S1:144-146.
[24]张勇.面向移动视频的分布式实时转码机制研究[D].华中科技大学,计算机技术,2013,硕士.
[25]王庆伟.工伤行政确认程序问题研究[D].烟台大学,法律,2014,硕士.
[26]韩其涛.虚拟试验平台硬件接入网关设计[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[27]庄逸慧.汉语初级口语课堂的会话分析[D].华中科技大学,语言学及应用语言学,2012,硕士.
[28]尹壮威.电晕处理机电源控制系统的研究与设计[D].沈阳师范大学,粒子物理与原子核物理,2013,硕士.
[29]王耀南.一类动态递归神经网络的智能控制器[J].控制与决策,1995,06:508-513+524.
[30]王军.产品伤害危机后负面网络评论对消费者品牌态度的影响[D].华中农业大学,企业管理,2014,硕士.
[31]蔡江川.腹腔镜和开腹手术治疗子宫内膜癌的meta分析[D].广西医科大学,妇产科学（专业学位）,2013,硕士.
[32]石磊.现代远程教育校外学习中心日常工作质量评估体系研究[D].华东理工大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[33]张吉.基于VBox与元胞仿真的车辆交通冲突分析[D].吉林大学,交通环境与安全技术,2013,硕士.
[34]石军,陈凯,张沛.关注网络与信息安全[J].世界电信.2002(06)
[35]MuhammadNaseemKhan.Isolation,Selection and Identification of Antagonistic Marine Bacteria and Safety Assessment for Their Potential Application as Probiotics[D].中国海洋大学,食品科学,2014,博士.
[36]李敏智.补肾化瘀调周法治疗肾虚血瘀型月经过少的临床研究[D].北京中医药大学,中医临床,2013,硕士.
[37]刘文杰,唐建维,白坤甲.西双版纳片断化望天树林小气候边缘效应比较研究[J].植物生态学报,2001,05:616-622.
[38]杨洵杰.Ⅱ导联QRS波第一波峰达峰时限对体表宽QRS心动过速的诊断价值[D].福建医科大学,内科学（专业学位）,2014,硕士.
[39]瞿继合.基于Web的数据挖掘技术研究[D].东北财经大学,2005.
[40]阎妮.菱铁矿催化过氧化氢—过硫酸钠修复地下水中三氯乙烯污染研究[D].中国地质大学（北京）,环境工程,2013,硕士.
[41]姚正华.深圳“设计之都”品牌建设研究[D].北京交通大学,2014.
[42]黄明亚.基于ADAMS的周边桁架式卫星天线仿真研究[D].中北大学,模式识别与智能系统,2014,硕士.
[43]记者王功海.双方就合作发展石墨烯产业达成共识[N].鹤岗日报,2015-04-01001.
[44]周末.论怀斯绘画中的用光[D].中国艺术研究院,美术学,2013,硕士.
[45]张伟.视网膜静脉阻塞激光光凝时机选择的临床研究[D].吉林大学,眼科学,2014,硕士.
[46]曹丽萍.SIG公司员工的组织公民行为及影响因素研究[D].浙江理工大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[47]鲍习峰.麦秸与奶牛场废水混合厌氧发酵技术研究[D].南京农业大学,环境工程,2012,硕士.
[48]侯晨萌.异议股东股份回购请求权制度研究[D].北方工业大学,法律,2013,硕士.
[49]冯诗明.劳务派遣员工双重组织认同的成因和后效研究[D].华东理工大学,企业管理,2014,硕士.
[50]鞠志慧.语篇分析在英语专业听力教学中的应用研究[D].山东师范大学,课程与教学论,2012,硕士.