用于微波光子移相器的SOI可调光衰减器的研究

作     者：李海斌 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈维友

授予年度：2012年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：微波光子移相器 矢量和 SOI 热光效应 可调光衰减器 

摘      要：可调光衰减器(VOA)是用于动态调节光信号传输能量的器件,在光通信系统特别是在波分复用(WDM)系统中被广泛应用。基于SOI材料的可调光衰减器可以方便地与其它的光电子器件集成,因而引起广泛关注。本文研制了用于微波光子移相器的SOI基热光可调光衰减器,其衰减范围大,对波长不敏感,尺寸小且结构简单,可以方便地嵌套在集成移相器的光波导延时线阵列中。 本文首先阐述了矢量和微波光子移相器原理,构建了分立器件组成的移相器测试系统,对10GHz的微波信号实现了350°的相位调谐。在系统中采用宽带光源作载波,能有效消除相干光干涉影响。运用M-Z电光强度调制器的反相特性,仅采用两个分支结构就可实现大范围的相位调节。VOA的衰减量直接决定了移相器相位调谐的范围。 本文研制的VOA主体部分由在SOI基片上制作的单模波导、多模波导以及多模波导上覆盖的热光调节薄膜电极组成。在衰减器的设计过程中,通过工艺容差分析选用顶层硅厚度为5.2μm的SOI材料,结合浅刻蚀的SOI脊形光波导单模传输条件给出了制作脊形波导的刻蚀深度为900nmo利用BPM仿真设计软件进行二维和三维仿真,设计了合适的波导尺寸并对VOA功能进行了验证,通过仿真和分析确定了多模波导的宽度20μm,长度600μm;并确定了热光调节区是由倾斜角为3°的平行四边形调节区和一段S-Bend Arc Taper状调节区组成。利用有限元分析软件对热调节时的热场分布情况进行分析模拟,分别选用200nm的钛和铂作为薄膜电极材料,模拟得到了钛电极和铂电极使得波导中心区升温35°时所需的功耗分别为2.1W和1.95W,对应的外加电压分别为15.4V和7.2V。 采用了光刻、刻蚀、溅射和剥离工艺完成了器件的制作,重点研究了便于剥离形成电极的反转胶光刻工艺,并对器件进行了性能测试。光功率的最大衰减为28dB,满足集成矢量和微波光子移相器对光衰减量的需求,光功率衰减拟合曲线的变化趋势与BPM仿真结果吻合较好。器件达到28dB衰减时的功耗为1.33W,其值与热学仿真计算结果在同一数量级。待优化工艺使衰减器的性能提高后,该器件应能广泛应用于光通信领域。