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1.41μm與1.48μm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，設計不同光程差 ΔL=480μm、970μm、1900μm的非對稱直線波導以及不同曲率半徑 ΔR=260μm、200μm、160μm、100μm的非對稱彎曲波導，希望藉由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。
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，可以達到原本K=0.15之MMI縮減為33.2%。我們也利用雙環串接設計，再搭配MMI(K0=0.5，K1=0.15、K2=0.5)之耦合係數，得到FSR=50GHZ 之具方形濾波器之光譜傳輸圖。
元件製程方面，我們使用ICP-RIE乾蝕刻磊晶層然後再藉由HBr:HCl: H2O2:H2O之酸液進行濕蝕刻到接近 i-Layer，利用此技術將波導製作出平滑的sidewall及垂直度高的波導。我們在雙環環型共振器 Throughput Port 量測到FSR=41.25GHZ的頻譜響應，然而在Drop Port沒有量到訊號是由於元件內部材料吸收、Bending Loss及波導損耗導致Drop Port輸出訊號太弱。

The goal of the thesis is to fabricate the integrated asymmetric Mach-Zehnder Interferometer and optical waveguide ring resonator with simple fabrication process. 1.41μm and 1.49μm symmetric quantum well InGaAlAs epitaxial wafer is used to fabricate the devices.
In the asymmetric Mach-Zehnder Interferometer , we design asymmetric straight waveguides with difference optical path differences ΔL=480μm, 970μm, and 1900μm. And asymmetric bend waveguides with curvature radius differences ΔR=260μm, 200μm, 160μm, and 100μm. By this design, we can observe the interference variation of output light.
In optical waveguide ring resonator design, we reduce the length of original K=0.15 Multi-Mode Interference (MMI) by stepped-width waveguide. By three-stepped width waveguide MMI design, it can be reduced 33.2% length. 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 use a series of two ring resonators by MMI (K0=0.5,K1=0.15,K2=0.5) to get the FSR=50GHz.
In fabrication process, we combined dry etching method with RIE-ICP and wet etching to get smooth sidewall and highly vertical waveguide. In measure , we get the FSR= 41.25 GHZ in throughput port
in double ring filters . No signal in drop port was obserred due to material absorption, bending loss, and waveguide loss.

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 4
第二章 多模干涉耦合器(MMI) 5
2-1 MMI之原理 5
2-2 MMI之理論計算 9
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
第三章 非對稱Mach-Zehnder干涉儀 16
3-1 Mach-Zehnder干涉儀之簡介 16
3-2 非對稱Mach-Zehnder干涉儀之應用 18
第四章 光波導環型共振器(Ring Resonator) 21
4-1 環型共振腔之簡介 21
4-2 環型共振腔之分析方法 24
4-2-1 方向性耦合器 24
4-2-2 2X2MMI耦合器 25
4-2-3 彎曲環型波導 26
4-2-4 單環環型共振腔之傳輸方程式 27
4-2-5　 雙環環型共振腔之傳輸方程式 28
4-3 單環環型共振腔之理論計算結果 29
4-4 雙環環型共振器之計算結果 31
4-5 耦合雙環濾波之光波導環型共振器 33
第五章 光罩與元件設計 35
5-1 光罩之設計多重步驟濕蝕刻技術 35
5-2 非對稱Mach-Zehnder干涉儀之設計 37
5-3 光波導環型共振器之設計 42
5-4 多重步驟濕蝕刻技術 44
5-5 乾蝕刻搭配濕蝕刻技術 45
第六章 元件製程步驟及製程結果 47
6-1 磊晶片之資料 47
6-2 製程流程圖 49
6-3 製程示意圖 50
6-4 製程步驟 55
6-5 實驗結果 68
6-6 光激螢光(PL)、電致螢光(EL)光譜圖之量測結果 73
第七章 結論 77
參考文獻 79

附

















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 5
圖2-2 2×2 MMI耦合器示意圖 6
圖2-3 一般的多模態干涉激發型式 7
圖2-4 10

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