集成VCSOA和PIN的高灵敏度光电探测器

作     者：董智星 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李洵

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：垂直腔半导体光放大器 PIN光电探测器 分布式反馈布拉格光栅 单片集成 时域耦合波模型 载流子输运模型 

摘      要：光电探测器是光纤通信系统里接收机中的重要组成器件。随着光纤通信系统朝着更高的传输速率以及更大的信道容量的不断发展,对于更高速率、更高灵敏度的光电探测器需求也在急剧地增长。通常的光接收机采用PIN或雪崩光电二极管(APD,avalanche photodiode)作为前端光电探测器,然而它们都有一定的局限性。PIN光电探测器主要作用是将光子转换为电子,尽管它的带宽足够,但是由于没有内在增益,它的灵敏度往往受限。APD具有内在增益可以提供足够的灵敏度,但由于它的增益是通过电域的放大过程完成的,因此它的带宽往往受限。一种可行的解决方案是将PIN光电探测器和半导体光放大器(SOA,semiconductor optical amplifier)集成,通过这样的方式,信号先在光域进行放大,再转换为电信号,这样设计的器件既保证了足够的增益,其带宽特性也会更优良。但该方案需要混合集成或对接生长技术,这将带来器件可靠性不足,以及大规模量产成本太高的问题。为了解决上述矛盾,本文提出了一种用于提升高速光纤通信系统中探测器灵敏度的集成VCSOA和PIN光电探测器,该探测器的设计包括两种略微差异的结构,我们分别称之为级联型结构和谐振型结构。本文为了研究两种结构的共性和差异,完成了以下几个方面的工作:(1)分别介绍了器件的几个重要组成部分(VCSOA、PIN光电探测器、DBR光栅)的常见结构和基本原理。(2)分别建立了处理VCSOA中光信号传输和放大,PIN光电探测器中光电转换过程的一维数值仿真模型,并以此对两种结构的器件特性进行了仿真和优化。(3)搭建静态和动态的测试平台,按照设计结构制作了两种结构的器件,并对他们的关键性能进行了测试,讨论和分析测试结果。