Ⅲ-Ⅴ_Si异质集成激光器阵列及热特性研究.pdfVIP

目录

摘要I

AbstractIII

1绪论1

1.1硅光集成芯片1

1.2硅基激光器2

1.2.1混合集成2

1.2.2单片集成4

1.2.3异质集成5

1.3硅光子集成研究进展7

1.3.1硅基激光器的研究现状7

1.3.2硅基激光器热特性研究现状11

1.4论文的研究内容与创新点15

2激光器相关理论基础17

2.1半导体激光器基本理论17

2.2半导体激光器的电光特性18

2.2.1电学特性18

2.2.2光学特性19

2.3硅基激光器的相关理论20

2.3.1波导理论20

2.3.2光耦合理论21

2.4半导体激光器热特性理论22

2.4.1半导体激光器热量的产生22

2.4.2热量传递的基本方式23

2.4.3温度对半导体激光器的影响24

2.4.4半导体激光器的热阻25

3基于硅基分布布拉格取样光栅的四波长Ⅲ-Ⅴ/Si异质集成激光器阵列26

3.1器件设计与仿真26

3.1.1四通道III-V/Si激光器阵列结构设计26

3.1.2取样光栅的波长选择理论27

3.1.3硅波导分布布拉格取样光栅的仿真设计29

3.1.4III-V/Si激光器的倏逝波耦合效率的仿真设计30

3.2器件制备30

3.3器件结果与讨论31

3.3.1四通道III-V/Si激光器阵列的光功率32

3.3.2四通道III-V/Si激光器阵列的光谱32

3.3.3四通道III-V/Si激光器阵列的相对强度噪声33

3.4小结34

4Ⅲ-Ⅴ/Si异质集成激光器及阵列热特性研究35

4.1研究方法与假设条件35

4.1.1有限元法(FEM)35

4.1.2假设条件35

4.2石墨烯/金属散热通道模拟与分析36

4.2.1器件的热特性分析36

4.2.2器件的P-I特性和光模式分析39

4.3石墨烯/金属热分流结构模拟与分析41

4.3.1器件设计41

4.3.2器件热特性模拟与分析41

4.4四通道硅基激光器阵列间的热串扰43

4.4.1四通道硅基激光器阵列模型43

4.4.2阵列之间热串扰模拟分析43

4.5小结45

5总结46

参考文献47

致谢51

攻读学位期间发表的学术论著53

山东师范大学硕士学位论文

摘要

随着云计算、大数据以及5G时代的到来，全球数据通信快速发展，对信息传输和数

据处理提出更高的要求。传统的以电子为信息载体的电互连技术在传输高速信号时存在带

宽、能耗、延迟等瓶颈问题；以光作为信息载体的光互连技术被认为是解决上述瓶颈的有

效途径。

类似电子集成芯片，光子集成芯片是将光子器件集成到单个芯片中，使单个集成芯片

的尺寸、成本、功耗、性能和可靠性等都得到改善。按照材料划分，目前的光子集成电路

主要分为InP基集成电路和硅光子集成电路。硅光子集成电路因具有与互补金属氧化物半

导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS)工艺兼容、低成本、大批量、高可

靠性、可实现光电融合等优势，是实现可扩展性、低成本优势和功能集成性的首选平台。

硅光子集成芯片主要是在绝缘体上硅(Silicon-on-insulator,SOI)晶圆上制备和集成各种硅基

器件，如硅基激光器、硅基调制器、硅基放大器、硅基探测器、硅波导等。目前硅基调制

器、硅基探测器的性能已达到商用水平。然而，由于硅属于间接带隙半导体材料，电子和

空穴的复合效率极低，无法有效发光，因此硅基激光器目前仍然是硅光集成芯片的难点，

没有统一的方案。目前国际上解决硅基激光器难题的主要方案有：一种方案是攻克硅材料

的发光问