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高速大功率单行载流子光波导探测器的设计与研究

陈代尧  
【摘要】:光电探测器是光纤通信系统中不可或缺的组成部件,其性能的优劣对整个通信系统的性能起着决定性作用。特别是在ROF(Radio Over Fiber)系统中,需要高速大功率的光电探测器来直接驱动天线。但是传统的PIN光电探测器和波导探测器无法达到高速大功率的要求。本文介绍了一种单行载流子垂直方向耦合波导探测器(UTC-VDCPD,Uni-Traveling-Carrier Vertical Directional Coupling Waveguide Photodetector),它采用垂直方向耦合器来解决传统光波导探测器光电流分布不均匀的问题,同时解决了垂直表面入射式光电探测器响应度与响应速度相互制约的问题,并在其中引入单行载流子(UTC,Uni-Traveling-Carrier)结构,使之实现高速大功率工作。本文的工作就是围绕UTC-VDCPD展开的,取得了以下研究成果:1、根据超模理论和数值仿真软件BeamProp对垂直方向耦合波导探测器进行分析。针对具体的波导结构,通过综合考虑光电流分布的均匀性和量子效率,确定了波导的结构参数。2、通过权衡饱和输出光电流与3dB带宽之间的矛盾,设计出了UTC结构,并用ATLAS仿真,得到了UTC-VDCPD的基本工作参数,3dB带宽约为13 GHz,输出光电流为260 mA,响应度为1.04 A/W,实现了高速大功率的要求。3、对器件在低注入光强和高注入光强下,器件内部的能带结构、电场强度、载流子浓度和电流密度的分布进行了详细的分析,同时还分析了器件的交流小信号特性和瞬态特性。4、分析了单行载流子光电探测器(UTC-PD,Uni-Traveling-Carrier Photodiode)的小信号模型,分析指出,在吸收层中引入准中性电场可以降低光生电子在该层的积累和增加器件的3dB带宽。5、在小信号模型的基础上研究了导带不连续对UTC-PD的影响,并分析了一个具体的结构。研究结果表明,导带不连续性使得3dB带宽降低,增加收集层掺杂浓度是消除这种不利影响的最有效的一种方式。


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