行波光波导探测器的研究与设计

作     者：陈畅畅 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑华靖

授予年度：2020年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：高速高功率 微波波导 方向耦合器 速度失配 混合共面行波光波导探测器 

摘      要：高速高功率光电探测器是光外差技术必不可少的器件,探测器带宽决定了数据传输速度,探测器输出的THz毫米波功率决定了无线传输距离。目前探测器的带宽几乎能够到达几百GHz的程度,但探测器产生的毫米波只有毫瓦量级,这使得传输距离被限制在几米的距离上难以应用在无线传输距离要求较高的场合,高速高功率探测器成为了光外差THz技术的瓶颈。由于ROF系统的需求,高速高功率光电探测器的研制从上个世纪90年代就开始了。传统的光电探测器受RC时间常数、载流子渡越时间、波导长度、指数电流分布以及波导截面的限制难以同时达到高速和高功率的性能指标。本文介绍了一种分布式行波光波导探测器结构(TWPD,Traveling-wave photodiodes),基于光波导探测器结构发展而来,由光电流均匀分布的光波导结构和阻抗匹配的微波波导结构构成。行波光波导探测器解决了除载流子渡越时间外其他因素的限制。本文对行波光波导探测器展开研究,成果如下:1、研究了多层毫米波有耗介质波导,通过对波导有效介电常数的求解,研究在多层情况下,波导内的场分布的连续性,并解释了其局限性;同时对多导体传输线的电报方程及等效电路模型进行分析。2、通过仿真软件BeamProp对探测器具体结构进行分析,通过调整结构参数建立探测器基本结构,在这里主要考虑了波导对光束的吸收程度,即量子效率问题;通过超模理论对仿真得到的结构进行验证,衡量光电流在波导中分布的均匀性。3、使用光波-微波混合波导结构分析行波光波导探测器,首先通过仿真软件Silvaco ATLAS仿真求取载流子渡越时间限制的带宽以及载流子浓度等器件内部特性;其次是将波导掺杂浓度转换微波波导电导率,研究高频光电流在微波波导结构中的传输特性,并对微波波导结构进行等效电路建模,研究了阻抗匹配所需要的条件,应用到行波光波导探测器中实现高速大功率的要求,并对混合共面行波光波导探测器的等效电路模型进行修正和完善。4、研究了行波光波导探测器的中速度失配带宽的限制因素,并对行波光波导探测器小信号模型进行分析。