RoF系统中高速高饱和光探测器的研究

作     者：臧鸽 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任晓敏

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光探测器 高速 高饱和 高斯掺杂 崖层 

摘      要：在信息化浪潮下,全球通信业务量呈爆炸式增长,现有网络带宽已不能满足人们的需求。毫米波无线通信依靠其丰富的频谱资源,为高速数据业务提供了带宽保证,但其在传播中衰减严重,传输距离有限。而以光子为传播载体的光纤通信可实现长距离传输,但其移动性较差,不能提供灵活的接入服务。此时,光载无线通信(RoF)系统应运而生,结合了二者的技术优势,实现了长距离的有线传输和超宽带的无线接入,具有非常广阔的应用前景。 在RoF系统中,器件性能的优化是提升系统性能的关键。在光接收端,需要更高响应速率、更大输出功率的光探测器加以支撑。高速光探测器能够对高比特率的光信号迅速响应,而高饱和光探测器能够承受大功率的光注入并输出大的光电流。因此兼具高速和高饱和性能的光探测器是本论文研究的重点。 本论文主要研究成果和创新如下： 1、对比研究了PIN-PD和UTC-PD的基本原理。在UTC-PD中,空穴在介电弛豫时间内快速响应,电子决定了UTC-PD的全部延迟时间。所以相比PIN-PD, UTC-PD消除了低速空穴对带宽和饱和电流的影响,具备更加优异的高速高饱和性能。 2、建立了光探测器的二维仿真模型,具体分析了UTC-PD内部的能带、电场、载流子迁移率等微观特性,深入研究了各层厚度和掺杂浓度与UTC-PD性能的关系。根据理论研究,得知增大吸收层中的电场强度是提升UTC-PD带宽及饱和电流的有效途径,该方法不但可以提高电子的输运速度,而且可以减小空间电荷效应。 3、优化设计了兼具高速高饱和性能的UTC-PD外延层结构。详细分析了在吸收层采取高斯掺杂方案以及在收集层上方引入崖层对UTC-PD性能的影响。通过仿真对比,发现优化后UTC-PD的高速高饱和性能得到明显改善,其3dB带宽可达58GHz、响应度可达0.28A/W、饱和电流高达158mA。 4、理论研究了PIN-PD和UTC-PD的零偏压性能,并进行了对比分析。通过仿真发现,在零偏压下,PIN-PD和UTC-PD的耗尽区电场强度分别为1.28×104V/cm和2.8x104V/cm,3dB带宽分别可达7.5GHz和25GHz。因此得出在零偏压下UTC-PD在高速性能方面明显优于传统PIN-PD,有望用于未来高速低功耗光纤通信系统中。 5、对UTC-PD进行了外延片的质量测试以及器件的后工艺制备,并完成了UTC-PD的性能测试,对出现的问题进行了原因分析。此外,针对优化设计的UTC-PD,在3V偏压和1550nm的波长下测得其暗电流是7.36×10-9A,量子效率是23.57%,3dB带宽是7.02GHz。