[01668766]InP基多量子阱可调式多模干涉耦合器技术

1．任务来源东南大学光子学与光通信研究室于1996年起已开始与美国相关大学课题组开展平面光波光路（PLC）器件技术研究，2002年，我们正式提请江苏省科技厅将“III～V族半导体材料多量子阱光调制器/开关技术研究”列为省高技术项目。2002年7月该项目正式列项；8月签订了科技项目合同（项目编号：BG2002008），省拨研究经费25万元，单位自筹20万元。同年底，省拨经费全部下拨至课题组。与此同时，我们于2002年10月又承接了“十五863”项目“光电子芯片与集成系统的无生产线设计技术研究”（项目编号：2002AA312230，起止日期：2002.10～2005.4）PLC子课题研究，旨在建立PLC芯片设计和测试平台。在这两个项目支撑下，我们通过广泛和深入的调研工作发现，利用III～V族半导体多量子阱（MQW）材料系统，可制成各类低功耗、高速平面光波光路（PLC）功能器件单元，实现各种光子器件的单片集成。同时，这些单元光路设计、制作工艺、测试等关键技术环节均具有共性问题。因此，我们开展了以InP为衬底材料的多量子阱PLC器件技术四个子课题的研究。该项目为其中子课题之一。2．应用领域和技术原理该项目研制的InP基多量子阱可调式多模干涉（MMI）耦合器，既可作为独立元件，在光通信网络、光信号处理系统中实现光信号或光功率的多路分配；也可成为构成其他元器件，如光放大器、光信号监控器、光滤波器、光开关/光调制器等的重要辅助元件，主要应用于光通信网络、光信号处理等领域。MMI型耦合器的基本工作原理是自镜像效应，输入场在多模波导中激励起多个模式，各模式之间互相干涉，结果沿光波的传播方向周期性地产生输入场的一个或多个像。由MQW材料的量子束缚Stark效应，通过调节器件上方的电极，控制波导中的电场强度，使器件的输出功率发生改变，达到输出功率可调目的。3.性能指标经测试，器件的技术指标为：工作波长：1525nm～1575nm；插入损耗：27.76dB；方向性：50.14dB；分光比：1：9.97；驱动电压：1.8；可调范围：10%。通过该项目研究工作，分别建立了PLC光路设计、光学特性测试平台；在国内外核心期上发表学术论文21篇，其中被SCI收录8篇、EI收录8篇；申请发明专利2项。4.成果的创造性、先进性所研制的InP基多量子阱可调式多模干涉耦合器，结构紧凑、带宽大、功分比可调、偏振不敏、附加损耗低，国际上没有文献报道，为创新产品。研制的CAD软件，具有自主知识产权，计算精度高、速度快，是分析光子器件性能的有力工具。（1）提出在MMI耦合器的多模波导中引入控制电极，利用MQW材料的QCSE效应，改变其折射率，实现功分比可调，增大制作容差，拓宽其应用领域；（2）提出在MMI耦合器两侧的接入波导采用锥形过渡结构，减小附加损耗；（3）提出一种映射伽辽金法，用以分析光波导标量/半矢量/全矢量色散特性，没有边界截断问题，在近截止区仍有很高的计算精度，且计算精度高，计算速度快；提出一种基于映射辽金法的三维全矢量束传播法，用以分析MMI耦合器的自镜像效应及其传输特性；编程方便，无需引入人工边界条件，计算精度高，计算速度快；提出一种新颖的三维全矢量有限差分光波导模解方法、三维全矢量有很差分束传播法；考虑了电场磁的边值关系，适用于均匀与非均网络，计算精度且无条件稳定；研制具有自主知识产权的光子器件模拟分析CAD软件。（4）InP基MQW材料体系在1.55m波长处具有良好的QCSE效应，能够实现光开关、调制器、光源、耦合器等多种光电子器件的单片集成，并能够利用国内工艺研制。5.作用意义为了适应我国信息技术和国防事业飞速发展的需求，发展具有自主知识产权的宽带高速信息系统和模块，掌握InP基多量子阱可调式多模干涉耦合器的理论和实验研究，建立芯片设计、制作和测试平台，探索国产化实现的技术途径，提高我国PLC技术的整体水平，对构件各类高速宽带光子系统和网络平台，赶上国际先进水平，具有重要意义。随着光纤通信系统、网络由骨干网向接入网推进，光纤到户(FTTH)系统成为当前宽带接入的主流技术，欧美、日本国等发达国家已广泛使用，必将在我国大面积推广。耦合器是FFTH的基础元件，实现光信号的多路分配，因此，该项目的研制的可调式多模干涉合器具有广阔的市场应用潜力。