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基于带宽匹配的复用体全息光栅设计

光学学报 2023年第22期43卷 65-71页

作者：冯奇斌蔡佳豪郭裕嵩郭敏王梓吕国强合肥工业大学特种显示与成像技术安徽省技术创新中心特种显示技术国家工程实验室光电技术研究院安徽合肥230009 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009

体全息光栅作为全息波导显示器的出/入耦合元件,其性能严重影响波导系统的视场。因其角度选择性,当光束偏离布拉格角入射体全息光栅时,其衍射光角度会产生较大的偏移,使得其与出耦合光栅的响应带宽不匹配,限制了波导系统的视场。首先基... 详细信息

体全息光栅作为全息波导显示器的出/入耦合元件,其性能严重影响波导系统的视场。因其角度选择性,当光束偏离布拉格角入射体全息光栅时,其衍射光角度会产生较大的偏移,使得其与出耦合光栅的响应带宽不匹配,限制了波导系统的视场。首先基于Kogelnik理论对波导系统中体全息光栅的带宽匹配进行了分析。为了扩展波导系统的视场,提出了一种复用体全息光栅的设计方法。该设计旨在扩展出耦合光栅的响应带宽并同时收缩入耦合光栅的衍射光角度,使得出/入耦合光栅的带宽相匹配。仿真结果表明:采用本文设计的复用体全息光栅后,波导系统的视场能达到22.9°。本文设计的复用体全息光栅制备简单,可以有效拓展波导系统的视场。

关键词：体全息光栅响应带宽波导复用

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高响应度高带宽雪崩光电二极管的设计与优化

高响应度高带宽雪崩光电二极管的设计与优化

作者：陈志刚电子科技大学

学位级别：硕士

在过去几十年,雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode,APD）被广泛应用于科研、医疗、军事、商业等领域。从20世纪80时代至今,光探测、光纤通信、成像、激光测距、单光子检测都极大地推动着APD器件不断向前发展。如何进一步提高器件的... 详细信息

在过去几十年,雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode,APD）被广泛应用于科研、医疗、军事、商业等领域。从20世纪80时代至今,光探测、光纤通信、成像、激光测距、单光子检测都极大地推动着APD器件不断向前发展。如何进一步提高器件的响应带宽和响应度成为当前国内外主要研究热点。本文将围绕如何提高器件的响应带宽以及设计具有高响应度高响应带宽的硅基APD器件展开研究。为了提高APD器件的响应带宽,本论文从常规型的N+/PSUB APD和P+/NWELL/PSUB APD入手,通过TCAD仿真软件对上述两种器件的性能进行分析,结果表明两种器件响应度小、响应带宽较低。在P+/NWELL/PSUB APD中加入浅槽隔离层（STI）和叉指电极并进行仿真分析,结果表明STI有效防止了器件的提前击穿,器件可获得了更大的平面结雪崩电流同时叉指结构也缩短了载流子横向输运距离,器件响应时间减少,在10V偏压,0.001W/cm光强,500nm入射光波长下,5P结构（P型叉指数量为5）3d B带宽达到2.13GHz。随后通过载波加速技术对叉指结构进行优化,结果表明同样入射光强度和波长下,在阴极1电压为7V,阴极2电压为10V时,同样5P结构3d B带宽达到2.54GHz,带宽提高了19.2%,另外响应度为0.69A/W。为获得高响应度高响应带宽的APD器件,本文设计了硅基双区雪崩光电二极管。首先通过软件仿真论证了虚拟保护环能够使高电场集中在中心平面结,接着对线性模式下的双雪崩区APD和单区APD的雪崩结I-V特性、光电流响应、量子效率、以及频率响应进行仿真对比。结果表明雪崩倍增明显时,双雪崩区APD的光电流和量子效率以及响应带宽均远高于单区APD。另外在入射光波长为480nm,强度为0.001W/cm,DNW/PWELL结偏压为16.8V,N+/PWELL结偏压为13.7V时,双雪崩区APD的带宽达到1.15GHz,同时响应度为14.7A/W。最后通过仿真深入研究了不同面积、PWELL浓度对APD性能影响。研究表明减少器件的面积器件输出光电流同比例下降即响应度不变,而响应带宽提高,双区APD面积缩小至一半时,双结偏压分别为16.8V和13.6V时,带宽得到38%的提升,达到1.96GHz;另外,PWELL浓度增加,器件的光电流输出和频率响应能力均会下降,其中双结工作电压均为0.95V（击穿电压）下,浓度为8×10cm时响应度相比于2×10cm下降了0.51A/W,带宽下降了0.988GHz。

关键词：响应带宽响应度雪崩倍增硅基双区雪崩光电二极管

一种DC-DC升压变换器的动态建模及其数字补偿

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核电子学与探测技术 2023年第5期43卷 1021-1029页

作者：李海黄忠来徐平凡王慧中山职业技术学院机电工程学院中山528400 中国海洋大学海洋地球科学学院青岛266101 广东金融学院后勤服务中心广州510521

针对广泛应用于核电子设备的稳压电源中的非理想型直流—直流(DC-DC)升压变换器进行了研究,提出了一种新的DC-DC变换器设计方案。首先,采用平均状态空间技术对非理想升压变换器进行动态建模,通过对状态方程进行状态平均,以到变换器的连... 详细信息

针对广泛应用于核电子设备的稳压电源中的非理想型直流—直流(DC-DC)升压变换器进行了研究,提出了一种新的DC-DC变换器设计方案。首先,采用平均状态空间技术对非理想升压变换器进行动态建模,通过对状态方程进行状态平均,以到变换器的连续时间传递函数作为设计有效控制器的前提;然后,通过采用数字再设计和直接数字设计两种方法,对DC-DC升压变换器的数字控制器进行了设计,从而实现变换器的闭环控制和动态响应。仿真实验结果表明,提出的DC-DC升压变换器及其数字补偿设计不仅实现了预期的动态电压调节性能,而且在输入电压动态变化范围、瞬态响应时间和响应带宽方面相比于目前先进的设计方案具有优势。

关键词：稳压电源直流-直流升压变换器开关模式状态空间方程闭环控制瞬态响应响应带宽

新型亚波长光栅特性研究及其在光电探测器的应用

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新型亚波长光栅特性研究及其在光电探测器的应用

作者：于传洋聊城大学

学位级别：硕士

在当今信息化的时代大趋势下,光通信系统的快速发展对光电子器件的性能提出了更高的要求,促使光电子器件朝着高性能、小体积、易集成的目标发展。高折射率差亚波长光栅结构具有体积小、功能强、衍射效率高等优点,对促进多功能集成器件... 详细信息

在当今信息化的时代大趋势下,光通信系统的快速发展对光电子器件的性能提出了更高的要求,促使光电子器件朝着高性能、小体积、易集成的目标发展。高折射率差亚波长光栅结构具有体积小、功能强、衍射效率高等优点,对促进多功能集成器件发展具有极其重要的意义。本论文提出采用湿法氧化工艺实现AlGaAs与AlO交替排布的新型高折射率差亚波长光栅结构,基于严格耦合波分析理论方法和有限元理论方法对其开展设计优化,通过对主要结构参数仿真与选取,实现具有偏振分束、功率分束和反射功能的新型高折射率差亚波长光栅结构,并将新型高折射率差亚波长光栅反射镜与光电探测器集成,实现了高性能谐振增强型光电探测器。本文主要研究内容和研究成果如下:1、提出一种新型AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅结构,该结构由AlGaAs和AlO交替排布组成。基于严格耦合波分析理论方法和有限元理论方法对光栅结构进行分析和设计,分别实现偏振分束和功率分束的功能。偏振分束器在800-880nm的宽光谱范围内对TE模式偏振光的反射率大于95%,对TM模式偏振光的透射率大于96%,在850nm波长时偏振消光比可达41.37d B,此外,对入射光具有8°的角度容忍性,且具有20nm的工艺容差。功率分束器在850nm波长TM模式偏振光入射条件下,4路分光由左至右与入射光的功率效率依次为21.05%,19.36%,19.32%,21.01%,总体透射率可达81%,具有良好的1×4分束效果。2、提出一种基于AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅的谐振增强型光电探测器。将AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅结构设计为反射镜,该结构具有偏振不敏感特性,对TE模式偏振光反射率达到99.8%,对TM模式偏振光反射率达到99.1%。将该反射镜与PIN光电探测器进行集成,实现谐振增强型光电探测器,基于传输矩阵理论方法和数值计算方法对整体器件进行仿真。仿真结果表明,该谐振增强型光电探测器量子效率达到了90.6%,半高全宽接近于0.2nm,在反偏电压为3V,光源的光功率为1m W的情况下,该结构的带宽可达34.54GHz,带宽效率积为31.3GHz。

关键词：高折射率差亚波长光栅偏振分束器功率分束器谐振增强型光电探测器量子效率响应带宽

变速风力发电系统瞬态载荷分析及其优化设计途径

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电工技术学报 2015年第4期30卷 233-241页

作者：陈家伟陈杰龚春英南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016

为了提高风力发电系统捕获的风能,在额定风速以下,需要对机组实施最大功率跟踪控制。目前大多数关于最大功率跟踪控制策略的研究均集中于提高跟踪的速度。然而,本文的研究发现,最大功率跟踪速度的加快将使机组承受更大的瞬态载荷,使传... 详细信息

为了提高风力发电系统捕获的风能,在额定风速以下,需要对机组实施最大功率跟踪控制。目前大多数关于最大功率跟踪控制策略的研究均集中于提高跟踪的速度。然而,本文的研究发现,最大功率跟踪速度的加快将使机组承受更大的瞬态载荷,使传动链更易疲劳损坏。首先通过对最大功率跟踪的速度及承受的瞬态载荷进行定量分析,找出了机组承受的瞬态载荷与最大功率跟踪速度的定量关系。之后,为了优化设计机组的瞬态载荷,提出了最大功率跟踪控制系统的跟踪带宽的设计原则。且为了使机组可按优化设计的跟踪带宽恒带宽运行,提出了保持最大功率跟踪带宽恒定的方法。最后,在实验室内建立了一套1.2k W的变速风力发电系统,实验结果验证了理论分析的正确性。

关键词：风力发电瞬态载荷最大功率跟踪跟踪速度响应带宽

通过调节负载提高RoF系统中大电流光探测器的饱和特性

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光电子．激光 2011年第12期22卷 1751-1754页

作者：武庆熊兵石拓孙长征罗毅清华大学电子工程系清华信息科学与技术国家实验室(筹) 北京100084

为提高射频光纤通信系统(ROF)中大电流光探测器(PD)的饱和特性,基于等效电路模型,对大电流工作下负载电阻大小对PD饱和特性的影响进行了理论分析,并利用微波负载牵引自动测量系统对PD负载电阻加以调节。通过实验测试了不同负载电阻下PD... 详细信息

为提高射频光纤通信系统(ROF)中大电流光探测器(PD)的饱和特性,基于等效电路模型,对大电流工作下负载电阻大小对PD饱和特性的影响进行了理论分析,并利用微波负载牵引自动测量系统对PD负载电阻加以调节。通过实验测试了不同负载电阻下PD电压摆幅的变化及其对于探测器饱和特性、响应带宽的影响。理论和测试结果均表明,降低负载电阻可有效提高PD饱和电流和响应带宽。因此,根据应用条件适当降低负载电阻可改善PD的性能。

关键词：光探测器(PD) 微波负载牵引自动测量系统饱和电流响应带宽

卫星光通信系统中PIN探测器的空间辐射特性

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半导体光电 2012年第2期33卷 161-167页

作者：侯睿赵尚弘幺周石胥杰姜晓峰付灵丽空军工程大学电讯工程学院西安710077 中国空间技术研究院西安分院西安710000 空军第二飞行学院西安710306

对空间辐射环境下PIN光电探测器γ射线辐射特性以及粒子辐射特性进行了深入的研究。结果表明两种辐射机制均会对PIN光电探测器造成一定的影响,表现为暗电流噪声增加、响应率下降以及响应带宽下降。在卫星光通信系统结构设计过程中应该... 详细信息

对空间辐射环境下PIN光电探测器γ射线辐射特性以及粒子辐射特性进行了深入的研究。结果表明两种辐射机制均会对PIN光电探测器造成一定的影响,表现为暗电流噪声增加、响应率下降以及响应带宽下降。在卫星光通信系统结构设计过程中应该更多地考虑空间辐射对暗电流噪声造成的影响。

关键词：空间辐射 PIN探测器暗电流响应率响应带宽

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星间激光测距系统中光电探测器的研究

星间激光测距系统中光电探测器的研究

作者：魏冰冰华中科技大学

学位级别：硕士

星间激光测距技术是空间引力波探测、地球重力场测量以及新一代低低跟踪卫星重力测量等项目的关键核心技术之一,光电探测器,作为激光干涉测距系统前端接收和传递转换激光信号的装置,其特性将对整个测距系统中低噪声探测及相位测量系统... 详细信息

星间激光测距技术是空间引力波探测、地球重力场测量以及新一代低低跟踪卫星重力测量等项目的关键核心技术之一,光电探测器,作为激光干涉测距系统前端接收和传递转换激光信号的装置,其特性将对整个测距系统中低噪声探测及相位测量系统等产生重要的影响。针对新一代低低跟踪卫星重力测量计划中对光电探测器的性能需求,完成实现了超低噪声、高增益带宽的电路设计方案。对测距系统而言,前端光电探测器的噪声会引入系统的相位噪声以及位移测量噪声。为尽可能减少噪声的影响,首先我们详细分析光电探测器的放大电路工作原理,讨论了噪声来源及频率响应等。由电路噪声理论的详细介绍,等效建立了电路噪声模型,并介绍了光电探测器中各器件选型的标准。电路仿真显示:光电探测器-3dB带宽约为38 MHz,比理论计算值略低;在30 MHz的频率响应带宽范围内,其等效输入的电流噪声谱密度为1.35 pA/√Hz,低于噪声理论极限值3 pA/√Hz。为进一步探究光电探测器各噪声源对电路的影响,提出了一种通过电阻、电容等效电路来测量电路传递函数和等效输入电流噪声的测试电路设计方案(即,模拟TIA电路板测试系统)。在常用的利用网络分析仪和频谱仪测量电路传递函数方法基础上,提出了两种新的测试方法:ADC采样法和DPLL扫频法。通过对测试电路输出噪声和传递函数的测试,得到测量电路输入端的等效电流噪声谱密度。在实验环节,完成了光电探测器电路光功率的标定、电路噪声本底的性能测试等实验,并验证了所设计的探测器电路满足各项性能指标的要求。通过与TIA电路板测试系统中电路输入端的等效电流噪声实验对比,讨论了在低频和高频不同频率范围,不同噪声源对电路的噪声贡献。

关键词：星间激光测距光电探测器放大电路响应带宽等效输入电流噪声传递函数

用于光纤通信系统的新型双吸收层光探测器的研究

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用于光纤通信系统的新型双吸收层光探测器的研究

作者：窦广栋北京邮电大学

学位级别：硕士

大容量、长距离的WDM(波分复用)光纤通信系统的快速发展,对光电子器件的要求越来越高,以满足持续升级的光通信传输系统的高性能要求。光探测器作为光纤通信系统中的关键器件,近些年来发展十分迅速并且不断制作出新型的结构,使光探测器... 详细信息

大容量、长距离的WDM(波分复用)光纤通信系统的快速发展,对光电子器件的要求越来越高,以满足持续升级的光通信传输系统的高性能要求。光探测器作为光纤通信系统中的关键器件,近些年来发展十分迅速并且不断制作出新型的结构,使光探测器的性能不断提高。PIN光探测器在光纤通信系统中应用极其广泛,结电容是影响PIN光探测器带宽的一个重要因素,对器件的响应带宽影响很大。我们针对器件的带宽和量子效率性能,提出了新的双吸收层光探测器结构。器件采用了侧腐蚀工艺减小双吸收层光探测器吸收层的结电容,同时双吸收层可以实现较高的量子效率本论文围绕新型双吸收层光探测器在量子效率和响应带宽方面的特性展开研究,进行了理论分析和实验工艺探索。本论文的主要研究成果和创新如下：1、理论研究了普通PIN光探测器和双吸收层光探测器的等效电容特性。我们选取吸收层厚度分别为200nm、400nm、600nm、800nm和1000nm的普通PIN光探测器和双吸收层光探测器进行研究。理论分析表明,双吸收层光探测器与普通PIN光探测器等效电容的比值随着吸收层厚度的增大而减小。2、提出了一种新型双吸收层光探测器,理论分析表明器件在600nm的吸收层时具有最大的带宽,得到该器件在上下吸收层厚度均为600nm时量子效率达到了93%,同时吸收层直径为5μm响应带宽达到了26GHz,响应带宽比直径为16μm的双吸收层光探测器提高了44%。3、理论研究了上下吸收层具有不同直径的新型双吸收层光探测器。对于新型双吸收层光探测器,我们取上吸收层直径为5μm,当下吸收层的直径大小分别为3μm、5μm、lOμm和16μm时,光探测器的响应带宽分别为29GHz、26GHz、24GHz和22GHz,结果表明新型双吸收层光探测器的响应带宽随着单个吸收层的结面积的减小而增大。4、理论研究了上下吸收层具有不同厚度的新型双吸收层光探测器。上下两个吸收层直径都在5μm并且上吸收层的厚度为600nm的情况下,下吸收层厚度为800nm、600nm、500nm和300nm,光探测器的响应带宽分别为24GHz、26GHz、21GHz和18GHz。结果表明新型双吸收层光探测器的吸收层在600nm情况下,具有最大的响应带宽。5、实验中成功制备了普通PIN光探测器和蘑菇型光探测器。实验发现普通PIN光探测器测量得到的响应带宽为6.8GHz,经过侧腐蚀制作成蘑菇型光探测器的响应带宽9GHz,表明通过侧腐蚀工艺减小吸收层结面积增大了器件的响应带宽。

关键词：光探测器新型的双吸收层光探测器量子效率响应带宽