本論文的研究目的為研製容易積體化的非對稱Mach-Zehnder 干
涉儀及光波導環型共振器。材料方面，我們使用1.49μm 對稱型結構
之砷化鋁鎵銦(InGaAlAs)多重量子井結構之磊晶片。
在非對稱Mach-Zehnder 干涉儀方面，我們使用幾組不同光程差
的非對稱直線波導以及不同曲率半徑的非對稱彎曲波導，希望能藉由這些設計，由於光程差的不同而使光在輸出端具有不同的干涉變化之結果，並藉由這些結果可以量得材料的電致折射率變化及彎曲波導損耗。
在光波導環型共振器方面，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) ，且藉由三段驟變寬度MMI 之設計，可以達到縮減原本K=0.15 之MMI長度過長的問題。配合雙環串接，得到不同的傳輸光譜。我們可以計算出，當搭配K0=0.5、K1=0.15、K3=0.5 的MMI，可以達成具有方型濾波功能之光濾波器。
元件製程方面，利用多重步驟濕蝕刻技術將波導製作出平滑的sidewall 及垂直度高的波導，並且對於彎曲波導外圍及MMI 部分作
深蝕刻至基板，以減少波導損耗。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。

The goal of the thesis is to fabricate the integrated asymmetric Mach-Zehnder Interferometer and Optical waveguide Ring Resonator with simple fabrication process. A 1.49μm symmetric quantum well InGaAlAs epitaxial wafer is used to fabricate the devices.
In the asymmetric Mach-Zehnder Interferometer design, we design asymmetric straight waveguides with difference of optical path, and asymmetric bend waveguides with difference of curvature radius. By this design, we can observe the interference variation of output light by
difference of optical path. Using these properties, it will get the index change caused by electric field and the loss of bend waveguide.
In optical waveguide ring resonator design, we improve the problem of the length of original K=0.15 Multi-Mode Interference (MMI) by stepped-width waveguide. And we obtain different transmission spectrum by adjusting the splitting ratio of MMI couplers (K=0.85, 0.5, and 0.15)
and cascading doudle 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 fabrication process, we get smooth sidewall and highly
perpendicularity waveguide by multi-step wet etch method. In order to reduce waveguide loss, we make deep etching for the outside of curve waveguide and MMI. 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 具特殊分光比例且對稱式之2X2 MMI 2
1-3 非對稱Mach-Zehnder 干涉儀之特點及其應用 3
1-4 光波導環型共振器之特點及其應用 3
1-5 論文架構 3
第二章 多模干涉耦合器(Multi-Mode Interference coupler) 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 9
2-4 K=0.15 MMI 之設計與模擬結果 12
第三章 非對稱Mach-Zehnder 干涉儀(Mach-Zehnder Interference) 15
3-1 Mach-Zehnder 干涉儀之簡介 15
3-2 非對稱Mach-Zehnder 干涉儀之應用 17
第四章 光波導環型共振器(Ring Resonator) 20
4-1 環型共振腔之簡介 20
4-2 環型共振腔之分析方法 23
4-2-1 方向性耦合器 23
4-2-2 2X2MMI 耦合器 24
4-2-3 環型波導部份 25
4-2-4 單環環型共振腔之傳輸方程式 26
4-2-5 雙環環型共振腔之傳輸方程式 27
4-3 單環環型共振腔之理論計算結果 28
4-4 雙環環型共振器之計算結果 30
4-5 耦合雙環濾波之光波導環型共振器 32
第五章 光罩與元件設計 34
5-1 光罩之設計 34
5-2 多重步驟濕蝕刻技術 36
5-3 非對稱Mach-Zehnder 干涉儀之設計 37
5-4 光波導環型共振器之設計 42
第六章 元件製程步驟及製程結果 45
6-1 磊晶片之資料 45
6-2 製程流程圖 48
6-3 製程示意圖 49
6-4 製程步驟 54
6-5 實驗結果 66
第七章 結論 69
參考文獻 71
附錄一 量測架構圖 73
圖目錄
第一章 簡介
圖1-1 應用MMI 作為環型共振腔之輸入/出耦合器 2
第二章 多模干涉耦合器
圖2-1 MMI 所形成多個模態數 4
圖2-2 2×2 MMI 耦合器示意圖 5
圖2-3 一般的多模態干涉激發型式 6
圖2-4 10μm 的 MMI 所存在的前兩個模態 8
圖2-5 K=0.15 MMI 之示意圖 9
圖2-6 MMI 之橫切面模擬圖 10
圖2-7 寬度10μm 之2x2 3dB MMI 耦合器 10
圖2-8 寬度10μm 之2x2 3dB MMI 能量傳輸圖 11
圖2-9 寬度10μm 之1x2 3dB MMI 耦合器 11
圖2-10 寬度10μm 之1x2 3dB MMI 能量傳輸圖 12
圖2-11 寬度10μm 之2x2 K=0.15 MMI 耦合器 12
圖2-12 寬度10μm 之2x2 K=0.15 MMI 能量傳輸圖 13
圖2-13 三段驟變波導之2x2 K=0.15 MMI 耦合器 14
圖2-14 三段驟變波導之2x2 K=0.15 MMI 能量傳輸圖 14
第三章 非對稱Mach-Zehnder 干涉儀
圖3-1 Mach-Zehnder 干涉儀 15
圖3-2 非對稱Mach-Zehnder 干涉儀 17
圖3-3 FSR=200GHz 當K0=0.5、K1=0.5 之非對稱MZ 傳輸光譜圖 18
圖3-4 FSR=100GHz 當K0=0.5、K1=0.5 之非對稱MZ 傳輸光譜圖 19
圖3-5 FSR=50GHz 當K0=0.5、K1=0.5 之非對稱MZ 傳輸光譜圖 19
第四章 光波導環型共振器(Ring Resonator)
圖4-1 頻道擷取濾波器示意圖 21
圖4-2 單環共振腔傳輸特性 22
圖4-3 方向性耦合器示意圖 23
圖4-4 單環環型共振腔計算示意圖 25
圖4-5 利用單環結構來計算雙環環型共振腔示意圖 27
圖 4-6 左為type-A 的彎曲波導部分，右為type-B 的彎曲波導部分 28
圖4-7 單環環型濾波器示意圖 29
圖4-8 type-A 為550μm 且K0=K1=0.15 傳輸特性圖 29
圖4-9 type-B 為456μm 且K0=K1=0.15 傳輸特性圖 30
圖4-10 串聯雙環構造圖 31
圖4-11 FSR=50GHz 當K0=0.5、K1=0.15、K2=0.5 之雙環傳輸
光譜圖 32
圖4-12 耦合雙環濾波器之傳輸光譜圖 33
第五章 光罩與元件之設計內容
圖5-1 (a)圓柱座標下的彎曲波導幾何形狀
(b)等效為直角座標系統之折射率分布 35
圖5-2 折射率的變化與模態場型分佈---曲線1 為脊型波導，曲
線2~4 依序為彎曲半近漸小 35
圖5-3 多重步驟濕蝕刻技術示意圖 37
圖5-4 FSR=50GHz (0.4nm)之AMZI 元件圖案 38
圖5-5 FSR=100GHz (0.8nm)之AMZI 元件圖案 38
圖5-6 FSR=200GHz (1.6nm) R=260μm 之AMZI 元件圖案 39
圖5-7 FSR=200GHz、R=200μm 之AMZI 元件圖案 39
圖5-8 FSR=200GHz、R=160μm 之AMZI 元件圖案 40
圖5-9 FSR=200GHz、R=100μm 之AMZI 元件圖案 40
圖5-10 R=260μm、ARC1 及ARC2 之AMZI 元件圖案 41
圖5-11 type-A 單環環型共振腔 42
圖5-11 type-B 單環環型共振腔 42
圖5-12 FSR=50GHz L1=572μm、L2=567μm 之雙環濾波器光罩
圖案 43
圖5-13 FSR=50GHz 耦合雙環濾波器光罩圖案 44
第六章 元件製程步驟及製程結果
圖6-1 MD3QWSD 量子井位能與波函數圖 45
圖6-2 MD3QWSD 之光激螢光(PL)光譜圖 46
圖6-3 塗佈兩層光阻造成底切(under cut)的效果 56
圖6-4 多重步驟濕蝕刻波導側視圖 57
圖6-5 多重步驟濕蝕刻波導側視圖 57
圖6-6 彎曲波導外圍與MMI 深蝕刻俯視圖 58
圖6-7 針對曲率大的彎曲波導外圍加深蝕刻俯視圖 59
圖6-8 經酸液修飾過的波導圖 60
圖6-9 波導深蝕刻俯視圖 60
圖6-10 移除蝕刻遮罩後波導側視圖 61
圖6-11 Oven 烤箱升溫曲線 62
圖6-12 MMI 側視圖 66
圖6-13 MMI 側視圖 66
圖6-14 Alignment key 部分側視圖 67
圖6-15 C082 I-V Curve 67
圖6-16 聯亞MD3QWD#0601132. I-V Curve 68
表目錄
第二章 多模干涉耦合器
表2-1 2×2 MMI 之非均勻輸出功率 7
第六章 元件製程步驟及製程結果
表6-1 MD3QWSD 磊晶組成的明細表 47

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