【摘要】：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,我們已經(jīng)邁入了信息化高速發(fā)展的新時代,人臉識別和移動支付等新技術(shù)充斥著我們的生活,可以說,我們的生活每天都在和海量的信息打交道,而這樣的時代對光纖通信系統(tǒng)也提出了新的要求,要求其可以實現(xiàn)更大容量和更長距離傳輸。作為光纖通信系統(tǒng)中的重要元件之一,光探測器也需具備更快的響應(yīng)速度、更大的響應(yīng)度和更優(yōu)的高飽和性能。單行載流子光探測器(UTC-PD)利用電子作為單行載流子,有效地減少了器件的空間電荷效應(yīng),相較于傳統(tǒng)光探測器,在高速高飽和特性上占有優(yōu)勢。此外,UTC-PD獲得電子過沖速度所需的最佳電場相對較小,這就使得器件即使在相對較低的偏壓下也可以實現(xiàn)高速響應(yīng)。而低偏壓也就意味著低功耗,同時可以簡化封裝和維護,延長器件壽命,符合光通信技術(shù)集成化的大勢所趨,具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文圍繞低偏壓(0-1V)下單行載流子光探測器的理論和實驗研究展開,主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新如下:1.完成了UTC-PD結(jié)構(gòu)的低偏性能研究和功能層優(yōu)化。研究結(jié)果表明,對于Ishibashi等人提出的經(jīng)典UTC-PD結(jié)構(gòu),在0.1V偏壓附近器件高速性能較其他低偏壓值更優(yōu);且低偏壓與高偏壓及零偏壓性能相比,高速性能介于兩者之間,在0.1V偏壓下,直徑7μm器件的3dB帶寬達112GHz,明顯高于零偏壓的105GHz,略低于6V偏壓下的122GHz。另一方面,研究發(fā)現(xiàn)吸收層、收集層的漸變摻雜和其它功能層的參數(shù)優(yōu)化可以明顯改善器件的高速性能。2.提出了一種新的UTC-PD結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)采用新型摻雜的收集層和漸變摻雜的空間層,可以顯著改善低偏壓下的高速響應(yīng)。在0.1V偏壓下,直徑7μm的上述UTC-PD結(jié)構(gòu),其3dB帶寬高達150GHz,較Ishibashi等人提出的經(jīng)典UTC-PD結(jié)構(gòu)增加了33.9%。既之,對器件做了進一步的優(yōu)化,在吸收層采用偶極摻雜,在收集層靠近崖層一側(cè)采用階梯摻雜,可以進一步將器件帶寬提升至181GHz,此帶寬值高于目前報道的零偏壓3dB帶寬記錄,且完全可以和高偏壓下的器件帶寬相媲美。3.具體分析了低偏壓條件下不同垂直入光方式對器件性能的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于包含50nm厚P接觸層的Ishibashi經(jīng)典UTC-PD結(jié)構(gòu),在入射光波長為1550nm時,背入光條件下器件響應(yīng)度和帶寬均最高,上下兩側(cè)同時入光次之,正入光情形均最差。從理論上分析其產(chǎn)生原因,一是因為垂直正入光時,P接觸層In0.53Ga0.47As對入射光有吸收,使得到達吸收層的有效光功率減少。二是當光探測器未達到飽和狀態(tài)時,垂直正入光條件的UTC-PD吸收層內(nèi)建電場強度較小,因而電子在吸收層的渡越時間較長,3dB帶寬較小。4.較為系統(tǒng)地仿真分析了低偏壓條件下UTC-PD陣列結(jié)構(gòu)的性能。分析表明,入射光強相同時,由于電容效應(yīng)的影響,UTC-PD陣列結(jié)構(gòu)的3dB帶寬隨級聯(lián)個數(shù)的增加而降低。但是,UTC-PD陣列結(jié)構(gòu)顯著提高了器件的高飽和特性,其光功率響應(yīng)范圍隨級聯(lián)個數(shù)的增加線性增長。此外,當1×4陣列結(jié)構(gòu)和UTC-PD單個大尺寸結(jié)構(gòu)光敏面面積相同時,由于陣列結(jié)構(gòu)載流子橫向傳輸距離更小,器件中心位置處的電場強度更大,因而高速性能更優(yōu)。5.制備了UTC-PD器件并進行了性能測試。實驗結(jié)果顯示,在0.5V偏壓下,直徑32μm的UTC-PD結(jié)構(gòu)其3dB帶寬可達9.8GHz,明顯高于0V偏壓對應(yīng)的2.6GHz。
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN15;TN929.11
【圖文】：

、、；，型收集層的ＵＴＣ－ＰＤ結(jié)構(gòu)，并就此結(jié)構(gòu)做了進一步的優(yōu)化和性能分析；此完成了不同入光方式對低偏壓ＵＴＣ－ＰＤ結(jié)構(gòu)性能影響的研宄及ＵＴＣ－ＰＤ陣構(gòu)的分析；最后，完成了邋ＵＴＣ－ＰＤ結(jié)構(gòu)的工藝制備及性能測試。以下是論實驗背景及章節(jié)安排。逡逑１．１研究背景及意義逡逑隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們的生活也發(fā)生了極大的變化，手機、電腦、視、移動終端、互聯(lián)網(wǎng)等充斥著我們的生活，我們己經(jīng)步入大數(shù)據(jù)時代，量的數(shù)據(jù)對光通信系統(tǒng)提出了新的要求，希望其可以實現(xiàn)更長距離傳輸和接入。順應(yīng)此需求，近年來興起了光載無線傳輸系統(tǒng)（ＲｏＦ），利用毫米波進信傳輸，可以實現(xiàn)寬帶接入和長距離傳輸，但是因為毫米波頻率較高，這求作為接收機的光探測器需具備更優(yōu)的高速高飽和的特性。此外，在相控達和光數(shù)模轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中，也要求光探測器具備高速和高飽和特性Ｍｌ逡逑

對于提升器件的高速和高飽和特性有很大幫助。二是低偏壓相比較于高逡逑偏壓，功耗較低，同時可以簡化封裝和維護，暗電流特性較好，對于器件的壽逡逑命也有一定的保證，具有很大的應(yīng)用前景，圖１－２是高偏壓，低偏壓和零偏壓逡逑優(yōu)缺點示意圖。逡逑本論文圍繞低偏壓（０－１Ｖ）下單行載流子光探測器的理論和實驗研宄展開，希逡逑望通過合理的設(shè)計和優(yōu)化，提高和完善器件的高速及高飽和性能，以得到可以逡逑和高偏壓下性能相媲美的ＵＴＣ－ＰＤ結(jié)構(gòu)為目標。逡逑高偏壓邐零偏壓逡逑圖１－２高偏壓，低偏壓和零偏壓優(yōu)缺點示意圖逡逑３逡逑

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本文編號：2740663