光互连中光开关与光探测器件的研究

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光互连和光交换以其传输容量大、速率高、无干扰、低功耗、I/O 功能强大等优点,必将取代电互连与交换已成为人们的共识。同时,光互连与光交换能通过集成接收模块、光发射模块、空间光调制器等很好地与电系统连接,充分利用电系统提供的强大的逻辑处理能力,实现复杂的系统功能。光互连与交换技术包括两方面的技术,一是器件技术,二是网络构成技术。器件技术包含光源列阵技术、列阵光调制与探测技术、光逻辑开关列阵技术、平面微光学器件技术等。网络系统构成技术则包含网络拓扑设计与光学实现等技术。光互连与光交换系统的发展史实际上是光电子器件的发展史。光互连与光交换系统的实现有赖于光开关,光探测器,激光器等光电子器件的进展。本文将就其中的光开关和光探测器等器件进行设计与研究。本文首先提出了一种与偏振无关的双向光纤光开关,他通过对入射光进行偏振调制,使信号光以线偏光形式在光路中传播,同时在输出端将线偏光还原成初始信号光,这将大大减小了自由空间光开关中由于各元器件的偏振累加,而使光路中存在的偏振相关损耗。本文将阐述光开关的原理与矩阵分析,论证这种自由空间光开关的等程性,讨论新型光开关结构与性能(插入损耗与偏振相关损耗)。接着,本文将就光开关的安装调试中遇到的问题与解决方法做简要陈述。在探测器设计方面,由于硅资源丰富,以及硅基探测器能够很好地与硅IC 电路兼容,但因为硅是间接带隙材料,使得硅基探测器在性能方面存在很大的缺陷。本文将从工艺与结构两个方面就提高硅基光电探测器。从工艺上,本文将探讨几种传统的集成工艺(双极性工艺、CMOS 工艺、BiCMOS 工艺),然后我们将对这些工艺进行修改,使制作的硅基探测器在性能方面得到较明显的提高。从结构上,本文将提出了一种共振腔增强性(RCE)结构的探测器,它通过在两端生长的布拉格反射器(DBR)构成了一个法布里-珀罗(Fabry-Perot)光学谐振腔,由于腔的共振增强效应,将极大地增强了腔内的光场强度,从而使器件可以在较薄的吸收层的情况下获得较高的量子效率-带宽积,从而大大提高了光电探测器的性能。本文将就这种新型结构的探测器与传统的探测器从性能参数上进行分析比较,最后将探讨一种简单的RCE 结构的制作。
摘要第4-5页
Abstract第5页
1 绪论第10-15页
    1.1 引言第10-11页
    1.2 课题研究的意义第11-14页
        1.2.1 研究光开关的意义第11-13页
        1.2.2 研究单片高速硅基光电探测器的意义第13-14页
    1.3 本课题研究的内容与论文结构安排第14页
    1.4 本章小结第14-15页
2 与偏振无关光开关第15-40页
    2.1 引言第15-16页
    2.2 2×2 光开关原理与矩阵分析第16-21页
        2.2.1 2×2 光开关原理第16-17页
        2.2.2 2×2 光开关矩阵分析第17-18页
        2.2.3 等光程性分析第18-19页
        2.2.4 与国外技术比较第19-21页
    2.3 4×4 光开关原理与矩阵分析第21-27页
        2.3.1 4×4 光开关原理第21-23页
        2.3.2 4×4 光开关矩阵分析第23-24页
        2.3.3 等光程性分析第24-25页
        2.3.4 4×4 光开关路由控制第25-27页
    2.4 光互连与光交换系统中偏振相关损耗对偏振态的影响第27-31页
        2.4.1 PDL 的定义第27页
        2.4.2 具有PDL 器件的Stokes 模型第27-29页
        2.4.3 PDL 对出射光偏振度的影响第29-30页
        2.4.4 PDL 对出射光强度的影响第30-31页
        2.4.5 PDL 对信号光偏振态的影响第31页
    2.5 与偏振无关光开关的偏振相关损耗分析第31-37页
        2.5.1 2×2 光开关偏振相关损耗分析第32-34页
        2.5.2 4×4 光开关偏振相关损耗分析第34-37页
    2.6 偏振相关损耗的测量第37-38页
    2.7 光开关的装配与调试第38页
    2.8 本章小结第38-40页
3 硅基集成光电探测器第40-59页
    3.1 引言第40页
    3.2 光电探测器基础第40-44页
        3.2.1 光电探测器工作原理第40-42页
        3.2.2 光电探测器性能参数第42-44页
    3.3 硅基集成光电探测器的种类与发展第44-49页
        3.3.1 用于光电集成的探测器种类第44-45页
        3.3.2 硅基集成光电探测器的发展第45-49页
    3.4 基于标准集成电路工艺的硅基光电探测器第49-57页
        3.4.1 与标准双极工艺兼容的集成光探测器第50-52页
        3.4.2 基于CMOS 工艺的集成光电探测器第52-55页
        3.4.3 BiCMOS 工艺下集成光电探测器集成第55-57页
    3.5 本章小结第57-59页
4 共振腔增强型硅探测器的原理及特性分析第59-69页
    4.1 引言第59页
    4.2 RCE 探测器原理第59-60页
    4.3 RCE 光电探测器的量子效率第60-62页
    4.4 RCE 光电探测器的带宽特性第62-65页
    4.5 RCE 光电探测器的波长选择性第65页
    4.6 一种简单的 RCE 探测器的制作技术第65-67页
    4.7 Fabry-Perot 光学谐振腔及在光电器件中的应用第67-68页
        4.7.1 Fabry-Perot 光学谐振腔第67页
        4.7.2 Fabry-Perot 光学谐振腔在光电器件中的应用第67-68页
    4.8 本章小结第68-69页
5 全文总结第69-71页
致谢第71-72页
参考文献第72-76页
附录 1 攻读学位期间发表论文目录第76-77页
附录 2 术语表第77-78页
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