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中国激光 2014年第3期41卷 260-265页

作者：陈代尧余学才汪平河刘永电子科技大学光电信息学院四川成都610054

分析了崖层在单行载流子光电探测器(UTC-PD)中的作用,以及其对UTC-PD的3dB带宽的影响。研究结果表明,崖层使得异质结处电场强度增加,且电场向吸收区延伸,使电子在吸收区的渡越时间和积累程度降低,从而导致3dB带宽和饱和电流增加;崖层的... 详细信息

分析了崖层在单行载流子光电探测器(UTC-PD)中的作用,以及其对UTC-PD的3dB带宽的影响。研究结果表明,崖层使得异质结处电场强度增加,且电场向吸收区延伸,使电子在吸收区的渡越时间和积累程度降低,从而导致3dB带宽和饱和电流增加;崖层的掺杂浓度和厚度都会对3dB带宽产生显著的影响;当崖层厚度与掺杂浓度的乘积一定,且收集区保持耗尽时,随着崖层厚度的增加(掺杂浓度减小),3dB带宽下降,但是,只要崖层的厚度不是太厚(通常为十几纳米到几十纳米),则无论是改变崖层厚度,还是改变掺杂浓度,3dB带宽的下降都可以忽略不计,即3dB带宽基本相等。

关键词：探测器崖层单行载流子 3 dB带宽

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用于光通信系统中高速大功率单行载流子探测器的设计

用于光通信系统中高速大功率单行载流子探测器的设计

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作者：刘锋北京邮电大学

学位级别：硕士

随着信息化社会的不断发展,大数据、云计算、物联网等新兴业务对网络带宽的需求急剧增大,现有的骨干通信网络无法满足日益增长的互联容量需求,迫切要求进一步提升传输容量和带宽。面对现阶段网络高速和大容量的需求,发展超高速率、超大... 详细信息

随着信息化社会的不断发展,大数据、云计算、物联网等新兴业务对网络带宽的需求急剧增大,现有的骨干通信网络无法满足日益增长的互联容量需求,迫切要求进一步提升传输容量和带宽。面对现阶段网络高速和大容量的需求,发展超高速率、超大传输容量、超长距离的光纤通信系统已经成为亟待解决的首要问题。光电探测器作为光纤通信系统中的核心器件之一,其性能的优劣对整个光纤通信系统的性能起着关键性作用。高速大功率光探测器不仅可以对高比特率的光信号进行快速响应,而且也具有较高输出的饱和电流。本论文主要围绕用于光通信的高速大功率单行载流子光探测器(UTC-PD)的研究开展工作,并对单行载流子光探测器进行了实验制备与测试。本论文主要研究成果和创新如下:1、理论学习了UTC-PD的基本原理,对UTC-PD的各项性能参数以及小信号模型进行了分析。建立了光探测器的二维仿真模型,深入研究了 UTC-PD的载流子迁移率、电场分布、折射率和能带等微观特性,给出了设计具有高速高量子效率以及高饱和电流特性的UTC-PD的方法。2、分析了器件外延层结构参数包括厚度和掺杂浓度与UTC-PD性能之间的关系。研究表明,改善吸收层和收集层中的电场分布,可以提高电子的输运速度,减小空间电荷效应,从而有效地提升UTC-PD带宽及饱和电流特性。同时发现了 UTC-PD的带宽随入射光强的增大先缓慢增加,而后快速下降的现象,并从能带图和电场两个方面对其做了解释。3、设计了一种优化的具有高速高饱和输出性能的UTC-PD结构。分析了在吸收层采用高斯掺杂方案以及在收集层上方引入薄的高掺杂的崖层对UTC-PD高速性能的影响,同时对器件的吸收层、崖层、收集层厚度和浓度进行了优化。研究表明,采用优化结构的UTC-PD的高速和饱和性能得到明显改善,其3dB带宽可达53GHz、响应度可达0.34A/W,饱和电流高达120mA。4、提出了双吸收层结构的单行载流子光电探测器(UTC-PD),解决了垂直入射型光探测器难以同时实现高带宽和高量子效率的问题。对比分析了双吸收层和单吸收层结构的UTC-PD的性能特性,在2V偏压和1550nm的波长下,直径为30μm的双吸收层结构的UTC-PD和单吸收层结构的响应度分别为0.33A/W和0.17A/W,3dB带宽分别可达52.2GHz和60GHz。双吸收层的UTC-PD的带宽效率积比普通的UTC-PD增加了约70%。表明双吸收层结构UTC-PD在不牺牲高速性能的同时具有较高的响应度和量子效率。5、进行了 UTC-PD外延片质量测试以及后工艺制备,并完成了UTC-PD的暗电流、量子效率以及3dB带宽测试,针对实验中的出现问题进行了分析。实验结果显示器件在3V偏压和1550nm的波长下暗电流为7.3nA,量子效率和3dB带宽分别可达28%与11.2GHz。

关键词： UTC-PD 光探测器高速大功率高斯掺杂崖层

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RoF系统中高速高饱和光探测器的研究

RoF系统中高速高饱和光探测器的研究

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作者：臧鸽北京邮电大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：光探测器高速高饱和高斯掺杂崖层

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