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研究生:張百瑩
研究生(外文):Pai-ying Chang
論文名稱:環形共振腔半導體雷射與濾波器之研製
論文名稱(外文):The Design and Fabrication of Ring Cavity Semiconductor Laser and Filter
指導教授:賴聰賢張道源張道源引用關係
指導教授(外文):Tsong-sheng LayTao-yuan Chang
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:光電工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:環形共振腔多模干涉耦合器
外文關鍵詞:Ring Cavity ResonatorMulti-Mode Interference
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本論文的研究目的為研製製程簡易且容易積體化的環型共振腔半導體雷射及光濾波器。材料方面,我們使用1.55�慆對稱型結構之砷化鋁鎵銦(InGaAlAs)多重量子井結構之磊晶片。元件設計方面,我們藉由調整多模干涉耦合器(Multi-Mode interference,MMI)之分光比(K=0.85,0.5及0.15),配合雙環或三環串接,得不同的傳輸光譜。單環方面,我們藉由搭配K0=0.15及K1=0.5之MMI來研製半導體雷射,雙環方面,我們計算出,當搭配K0=0.5、K1=0.15、K2=0.5之MMI可以達成方型濾波功能之光濾波器。三環方面,當搭配K0=0.85、K1=0.5、K2=0.5、K3=0.85之MMI可達成更寬方型濾波功能之光濾波器。
我們在此設計了不同寬度的3dB之MMI,且藉由兩段或多段驟變寬度波導MMI之設計,以達到縮減原本K=0.15之MMI長度過長之問題,且經3D的Beam-Prop模擬驗證後發現在K=0.15之MMI中,可有效縮減25.4%的長度,在K=0之MMI中,可有效縮減55.3%的長度。故我們應用這些MMI作為環型共振腔中之輸出/入之耦合器,藉此來設計出單模操作之半導體雷射或光濾波器。
元件製程方面,先利用濕蝕刻技術將波導蝕刻至深度約1.35�慆後,然後利用HBr修飾脊狀波導之側邊,再利用選擇性化學蝕刻溶液精準地控制蝕刻至蝕刻終止層,且再對彎曲波導外圍作深蝕刻至基板,以減少彎曲損耗。然後我們藉由量子井混合技術,使增益區以外之能隙增大,藉以降低光波導因半導體吸收所造成之損耗。最後,以
高分子材料把波導兩邊平坦化,並將訊號電極蒸鍍在高分子材料上。
This paper presents design and fabrication of ring cavity semiconductor lasers and optical filters with simple fabrication process. A 1.55�慆 symmetric quantum well InGaAlAs epitaxial wafer is used to fabricate the devices. In the device design, we obtain different transmission spectrum by adjusting the splitting ratio of Multi-Mode Interference (MMI) couplers (K=0.85, 0.5, and 0.15) and cascading double or tripple rings. In single rings, we apply K0=0.15 and K1=0.5 MMIs to design and fabricate single mode semiconductor lasers. In double rings, we apply K0=0.5, K1=0.15 and K2=0.5 MMIs to design and fabricate optical filters with square transmission spectrum. In tripple rings, we apply K0=0.85, K1=0.5, K2=0.5, K3=0.85 MMIs to achieve optical filters with wider square transmission spectrum.
We design different width 3dB MMIs, and improve the problem of the length of original K=0.15 MMI by stepped-width waveguide. We can apply this solution in the MMI of K=0.15 and K=0, and is verified by 3D BPM simulation. When in the MMI of K=0.15, we can effective reduce the length of 25.4%. In the MMI of K=0, we can effective reduce the length of 55.3%. Therefore, we apply these MMIs to the input/output couplers of the ring cavity, and to design single mode semiconductor lasers and optical filters.
In fabrication process, firstly, we etch the waveguide to the depth of about 1.35�慆 by wet etching. Then, we polish the sidewall of the ridge waveguides with HBr. This is followed by a selective chemical wet etch down to etching stop layer. In order to reduce bending loss, we make deep etching for the outside of curve waveguide. Except the gain region, the wafer was processed by quantum well intermixing to increase the energy gap. By this way, we can reduce the absorption loss of optical ridge waveguide. Finally, we use polyimide to smooth out the sides of the ridge waveguides and evaporate metal pad over the polyimide.
第一章 簡介 1
1-1 前言 1
1-2 應用具特殊分光比例且對稱式之2X2 MMI 於環型共振腔 2
1-3 應用環型共振腔製作半導體雷射及光濾波器之特點及其應用 3
1-4 論文架構 3

第二章 多模干涉耦合器(Multi-Mode Interference) 4
2-1 MMI之原理 4
2-2 MMI之理論計算結果 8
2-3 3dB MMI之設計與模擬結果 10
2-4 K=0.15 MMI之設計與模擬結果 13
2-5 K=0之驟變寬度波導MMI之設計與模擬結果 16
第三章 S型波導 18
3-1 S-Bend之簡介 18
3-2 S-Bend之降低損耗設計與模擬結果 21
第四章 環型共振腔(Ring Resonator) 24
4-1 環型共振腔之簡介 24
4-2 環型共振腔之分析方法 27
4-2-1 方向性耦合器 27
4-2-2 2X2MMI耦合器 28
4-2-3 環型波導部份 29
4-2-4 單環環型共振腔之傳輸方程式 30
4-2-5  雙環環型共振腔之傳輸方程式 31
4-3 單環環型共振腔之計算結果 32
4-4 應用環型共振腔於光濾波器之計算結果 35
4-5 應用環型共振腔於半導體雷射之計算結果 39
第五章 光罩之設計內容 42
第六章 元件製程步驟及製程結果 48
6-1 磊晶片之資料 44
6-2 製程流程圖 47
6-3 製程示意圖 48
6-4 製程步驟及結果 52
第七章 結論 66
參考資料 67


附錄:
附錄A 電子束蒸鍍ITO於光通訊波長之研究 69
A-1 ITO之簡介 69
A-2 研究動機 71
A-3 實驗模擬結果 71
A-4 實驗方法 72
A-5 結果與討論 74
A-6 結論 81
參考資料 82
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[2] Optotech June 2001.
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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