论文题目：1.3微米高品质因子硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点正方形微腔激光器结构设计优化研究
摘要：自1958年集成电路芯片问世以来,受益于现代工业大规模集成电路制造技术的进步,芯片产业实现飞速发展,人类的工作和生活也因此发生质的改变。然而,伴随硅基微电子领域相关技术和产品不断提升的芯片集成密度和不断缩小的器件尺寸,单位芯片上所能集成的晶体管数量日趋增多,芯片的逻辑也日渐复杂,各类微纳器件的尺寸亦接近其物理极限。痛点主要表现在带宽受限和功耗过大两方面,此类问题已成为阻碍高端芯片发展的难题。鉴于此,传统的以电信号作为传输介质的电互连技术面临着物理极限和成本问题带来的困扰。而同样作为信息传输载体的光信号,则具有高带宽、高速率、低功耗和无干扰等电信号不可比拟的优势。因此,用光互连方案代替电互连方案,并依托硅基光电子技术,有望解决芯片发展的瓶颈问题并可在未来继续推动信息技术及产业的发展。硅基光电子技术的研究重点在于将成熟的硅基微电子技术和具备优质光学特性的半导体光学器件相结合以实现大规模硅基光电集成。将二者结合主要有两大优势:第一,硅材料的价格低,且可以利用成熟的CMOS工艺平台。第二,与间接带隙结构的硅材料相比,以GaAs和InP为代表的直接带隙结构Ⅲ-Ⅴ族半导体材料具有优异的发光特性,更适用于发光器件。相比于其他硅基激光器材料技术方案,直接外延硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料技术方案更适合硅基光电集成。同时,硅基Ⅲ-Ⅴ族光学微腔激光器具有尺寸小、能耗低、成本低、响应速度快、品质因子高和易激射的特点。因此,此类激光器是实现硅基芯片内部光互连及光子数据传输、存储和计算的理想片上光源。光学微腔的回音壁模式在具有小的模式体积基础之上,兼备高品质因子的优势,可用于制作水平发光的微型激光器。而且,相比于其他形状的微腔,正方形微腔中的光学模式分布均匀,对称性好,更适合用来直连输出波导实现硅基光电集成。另外,目前针对硅基Ⅲ-Ⅴ族正方形微腔激光器的研究更多的集中在材料生长及器件制备等实验方面,在理论层面上系统性探究微腔内部的光学模式特性并对器件结构进行针对性的优化还不够充分。并且,正方形微腔激光器的品质因子也存在很大的优化和提升空间,值得深入研究。由于1.3μm 波段是通信用激光器的主要工作波段之一,因此采用直接外延生长技术方案研究1.3 μm波段硅基Ⅲ-Ⅴ族正方形光学微腔激光器对于硅基光电集成的发展具有非常重要的意义。本论文主要研究了光波导结构输出的电泵浦1.3 μm高品质因子硅基InAs/InGaAs量子点正方形微腔激光器的结构设计和优化,研究重点集中在分析光学模式与材料、器件结构参数的变化关系上。相关研究工作及成果如下:（1）采用三维时域有限差分方法研究了硅基正方形微腔激光器的边长与其品质因子的变化关系。对于边长10 μm-20μm正方形微腔,随着正方形微腔边长的不断增大,从整体来看,品质因子呈先增加后减少的变化趋势。当边长为18 μm时,正方形微腔的品质因子达到最大值4694.8。相比同类研究报道,品质因子提高了约51%。（2）研究了刻蚀深度对硅基正方形微腔激光器光学模式的影响。随着刻蚀深度从2.5 μm增加到5.0 μm,微腔的品质因子呈先增加后趋于稳定的变化趋势。当刻蚀深度为3.5μm时,品质因子达到最大值。之后,继续增加刻蚀的深度,品质因子保持稳定。研究发现,对正方形微腔激光器进行适当深度的刻蚀,器件性能可以得到大幅度提升。当刻蚀的深度超过微腔激光器的下包层区域后,激光器的性能不再改变。因此,优化后正方形微腔激光器的最佳刻蚀深度为3.5 μm。（3）研究了输出波导宽度与微腔品质因子的变化关系。对于边长10 μm-20μm正方形微腔,在边中点位置直连输出波导后,随着波导宽度从1.0μm增加到5.0 μm,微腔的品质因子呈整体下降的趋势。增大波导宽度对大尺寸正方形微腔的影响要远高于小尺寸的微腔,相同波导宽度条件下,大尺寸微腔的品质因子下降的更快。另外,正方形微腔激光器保持单模的工作状态,它的类回音壁模式是一阶横模。在不同边长下,最佳模式分别为TEo,（34,38）、TEo,（39,43）、TEo,（48.52）、TEo,（56.60）、TEo,（64,68）和TEo,（70,74）。当波导宽度超过2.0μm后,光学模式的分布不再均匀。因此,输出波导的位置及宽度需要进行不断的调整,优化后的最佳波导宽度为1.0 μm。
关键词：硅基激光器;正方形光学微腔;硅基微腔激光器;时域有限差分方法;类回音壁模式
学科专业：电子科学与技术
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 光学微腔
1.3 光学微腔激光器
1.4 硅基光学微腔激光器的研究进展
1.5 本论文的主要工作
第二章 正方形微腔激光器的模式及光波导基础理论
2.1 引言
2.2 正方形微腔的模式特征
2.2.1 正方形微腔的本征方程
2.2.2 正方形微腔本征方程的解析求解
2.3 正方形微腔光学模式的品质因子
2.4 光波导基础理论
2.4.1 简单平板光波导理论
2.4.2 限制结构光波导理论
2.4.3 常见的光波导损耗
2.5 本章小结
第三章 时域有限差分计算方法
3.1 时域有限差分方法
3.1.1 二维时域有限差分方法
3.1.2 三维时域有限差分方法
3.2 数值稳定条件
3.3 吸收边界条件
3.4 激励源的设置
3.5 频率分析
3.6 仿真软件的数值计算
3.7 本章小结
第四章 波长1.3 μm硅基量子点正方形微腔激光器的设计与优化
4.1 硅基正方形微腔激光器的光学模式特性
4.1.1 正方形微腔激光器的光学模式数值计算模型
4.1.2 正方形微腔激光器的光学模式分布规律
4.1.3 正方形微腔激光器光学模式的解析解与数值计算结果对比
4.2 波长1.3 μm光波导输出的硅基正方形微腔激光器的设计
4.2.1 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的材料结构设计
4.2.2 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的器件结构设计
4.3 微腔边长对硅基正方形微腔激光器光电性能的影响
4.3.1 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的边长优化
4.3.2 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的光学模式分布
4.3.3 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的频率分布
4.3.4 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器与微盘激光器的对比
4.4 波导宽度对硅基正方形微腔激光器光电性能的影响
4.4.1 光波导输出硅基正方形微腔激光器的光学模式分布
4.4.2 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的波导宽度优化
4.5 刻蚀深度对硅基正方形微腔激光器光电性能的影响
4.5.1 波长1.3 μm硅基正方形微腔激光器的刻蚀深度优化
4.5.2 不同结构硅基正方形微腔激光器的光电性能对比
4.6 顶角结构对硅基正方形微腔激光器光电性能的影响
4.7 本章小结
第五章 总结和展望
5.1 研究总结
5.2 研究展望
参考文献
致谢