基于AlInGaAs多量子阱的同质集成光子芯片的特性研究

作     者：倪曙煜 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王永进;Peter Grünberg

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：同质集成 AlInGaAs多量子阱 光子芯片 红外通信 

摘      要：面对集成电路中愈加明显的元器件数量剧增与排布困难问题,光子集成技术为芯片制造提供了新的方向。相较于使用异质集成技术制造的光子芯片,同质集成光子芯片具有制作步骤简单、材料与加工成本较低等巨大优势。基于量子阱二极管具有光发射和探测共存的能力,同质集成光子芯片已经在可见光波段和紫外波段取得了巨大进展。本文提出了一种在红外波段内具有多功能光发射和探测性能的同质集成光子芯片,并在In P衬底的Al In Ga As多量子阱材料上成功实现了该芯片的制作,同时研究了其光电特性与片内通信性能,主要工作如下:本文首先设计了该多功能发射和探测芯片里的光子器件结构,设计了结构相同的Al In Ga As多量子阱二极管分别用作光发射器与光电探测器。随后在二者之间设计了一个直波导结构传递光信号。通过RSOFT仿真软件的模拟与反复调整,最后设定的波导参数可以使光子损耗降至4%。在利用光刻、刻蚀与镀膜等工艺在In P基底的Al In Ga As多量子阱材料上成功制作出该芯片后,本文使用光学显微镜、原子力显微镜对芯片外貌进行了细致的表征,其中光子器件形貌完整,侧壁光滑且陡直性优秀。本文还针对芯片内二极管器件进行了光电性能测试,主要包括电流-电压特性、电容-电压特性、电致发光特性和光致发光特性等。测试结果显示该二极管器件开启电压低、电流响应快,同时有良好的光电转换特性。特别的,在外部红外激光作用下,用于检测的二极管的光谱响应度随负偏压的增加而呈现蓝移。最后本文以不同的速率测试了收发两端间的单向信号传输功能,结果证明该同质集成芯片能够实现片内通信传输。本文针对红外波段的同质集成光子芯片的研究表明,该光子芯片的二极管器件不但可以独立的用作发射或者探测装置,同时还可以结合In P光波导实现片内的通信功能。另一方面,考虑到制作精度以及二极管波导结构等因素的影响,在进行更进一步的研究和优化后,相信片内红外通信速率可以得到更进一步的提高。本文所做研究表明,基于Al In Ga As多量子阱的同质集成光子芯片在红外波段内具有包含传输光信号在内的各种潜在应用等待发掘。