【摘要】：無線通信業(yè)務(wù)量的急劇增長,迫切需要提高傳輸速率和容量,光載無線通信系統(tǒng)應(yīng)運而生。提高此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸容量,要求光接收機中的光探測器具有寬帶高功率輸出等特性。光通信系統(tǒng)中的光探測器的研究現(xiàn)狀表明單行載流子光探測器(Uni-Traveling-Carrier Photodetectors,UTC-PDs)是一種能實現(xiàn)寬帶高功率輸出性能的獨特結(jié)構(gòu),有望應(yīng)用于光載無線、雷達(dá)和衛(wèi)星等通信系統(tǒng)、高速測量系統(tǒng)、超高速光開關(guān),成為當(dāng)今高速光電子器件領(lǐng)域的研究熱點。本論文圍繞設(shè)計、優(yōu)化和制備寬帶、高功率、低功耗的UTC-PDs等方面展開研究。完成的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點如下:1.設(shè)計了改進(jìn)型的零偏壓寬帶UTC-PD。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過在吸收層中同時引入梯度摻雜分布和漸變帶隙材料,在吸收層和收集層之間采用偶極摻雜且插入組分漸變的間隔層,優(yōu)化了吸收層和間隔層的摻雜濃度及收集層和間隔層的厚度,提高了零偏壓UTC-PD的帶寬和輸出功率。2.由于限制傳統(tǒng)背靠背光探測器性能的主要因素是器件的總電容,且其底部PN結(jié)的電容幾乎是頂部PN結(jié)的兩倍。所以,提出了底部PN結(jié)與頂部PN結(jié)的結(jié)面積相等的對稱型背靠背光探測器結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,所提出結(jié)構(gòu)的帶寬和輸出功率性能都有所改善。3.提出了一種在收集層中采用線性梯度摻雜的電荷補償型UTC-PD,用于在零偏壓和低偏壓下產(chǎn)生高功率的毫米波/亞太赫茲波。與其它結(jié)構(gòu)或?qū)嶒灲Y(jié)果相比,電荷補償型UTC-PD的帶寬隨輸入光功率增加而衰減的趨勢會得到抑制,且其在高功率輸入下的帶寬得到改善。此外,相同條件下,與收集層中均勻摻雜濃度為1014 cm-3量級的器件相比,即使在170 GHz和零偏壓或低偏壓下運行,電荷補償型UTC-PD的峰值輸出功率至少提高了7 dB。4.提出了一種蘑菇型臺面UTC-PD,該結(jié)構(gòu)中的吸收層直徑大于收集層直徑,且通過仿真和理論計算得出收集層直徑與吸收層直徑之比為0.9時性能最佳。當(dāng)吸收層直徑為5 μm時,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,蘑菇型臺面UTC-PD的帶寬提高了4.3%,在線性區(qū)的射頻輸出功率提高了0.6 dB。所提出結(jié)構(gòu)可以在需要微型化結(jié)尺寸時在一定程度上緩解外部量子效率和帶寬之間的矛盾。5.設(shè)計了可探測光脈沖重復(fù)頻率覆蓋微波至太赫茲波,且能將強光脈沖轉(zhuǎn)化為強電脈沖的UTC-PD。在重復(fù)頻率為100 GHz、200 GHz和312.5 GHz的光脈沖串激勵下,改進(jìn)的零偏置UTC-PD的峰值輸出功率分別可達(dá)4.685 dBm、1.128 dBm和-4.653 dBm,與實驗報道結(jié)構(gòu)相比分別提高了2.05 dB、5.15 dB和9.36 dB。6.為減小串聯(lián)電阻,從而減小光探測器的熱效應(yīng)并提高RC限制的帶寬,給出了制備具有低歐姆接觸電阻的工藝。通過實驗和理論分析發(fā)現(xiàn)P型接觸層的側(cè)向電阻遠(yuǎn)大于N型接觸層的側(cè)向電阻,所以光探測器臺面頂部的接觸層導(dǎo)電類型為P型,且選擇金屬電極全覆蓋此接觸層將有利于制備高性能的光探測器。制備了P型接觸電極環(huán)覆蓋臺面頂部的PIN或UTC光探測器和P型接觸電極全覆蓋臺面頂部的PIN或UTC光探測器,通過實驗證明了上述推論。7.制備了具有傳統(tǒng)及改進(jìn)型外延層結(jié)構(gòu)的兩類UTC-PD。測試結(jié)果表明,在相同條件下,與傳統(tǒng)UTC-PD相比,改進(jìn)型UTC-PD的直流飽和及暗電流性能均有所改善,且當(dāng)光電流小于2 mA時,其帶寬得到提高。在零偏置下,具有20 μm和14 μm臺面直徑的改進(jìn)型UTC-PD的3dB帶寬分別可以達(dá)到20.8 GHz和40 GHz。當(dāng)反向偏壓為1 V時,臺面直徑分別為20 μm、14 μ和10 μm的改進(jìn)型UTC-PD的3dB帶寬分別可達(dá)36.6 GHz、52.2 GHz和75 GHz。臺面直徑為14 μm的改進(jìn)型UTC-PD在零偏壓下的最大射頻輸出功率分別為-20.2 dBm@20 GHz、-22.8 dBm@30 GHz和-24.4 dBm@40 GHz。上述研究結(jié)果達(dá)到了國內(nèi)外現(xiàn)有的研究水平。
【圖文】：

線連接［２＿３］，促使人們開發(fā)頻譜利用效率更高的傳輸技術(shù)或拓展無線傳輸?shù)妮d頻逡逑的頻譜寬度。描述無線通信系統(tǒng)所達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率隨時間演變的規(guī)律一稱為逡逑埃德霍姆數(shù)據(jù)速率定律（Ｅｄｈｏｌｍ’ｓ丨ａｗｏｆｄａｔａｒａｔｅｓ），如圖１－２所不｜４Ｌ假設(shè)將來逡逑會出現(xiàn)同樣的趨勢，很明顯，到２０２０年，傳輸容量需求將達(dá)到大約１００Ｇｂｉｔ／ｓ的逡逑數(shù)據(jù)傳輸速率。考慮到理想通信理論中信道數(shù)據(jù)傳輸容量的表達(dá)式為：逡逑Ｃ邋＝邋ｆｉ－ｌｏｇ２（ｌ邋＋邋５／Ｎ）邐（１－１）逡逑其中Ｃ表示信道數(shù)據(jù)傳輸容量，單位為ｂｉｔ／ｓ；邋５表示帶寬；５／＃表示信號與噪聲逡逑的功率比。所以拓展載頻寬度和提高信噪比是提高數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵。在目前逡逑分配給移動業(yè)務(wù)的頻譜范圍內(nèi)，最大的連接頻段可以在６０ＧＨｚ附近找到，全球逡逑可用帶寬為７ＧＨｚ。只有當(dāng)頻譜利用效率至少為１４ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ的傳輸方案才能實現(xiàn)逡逑大約１００Ｇｂｉｔ／Ｓ的數(shù)據(jù)傳輸速率，這是極具挑戰(zhàn)性的。所以拓展無線通信載波的逡逑頻譜寬度是一種必然的趨勢；６０邋ＧＨｚ邋（Ｖ波段），１２０邋ＧＨｚ邋（Ｄ波段）等毫米波波逡逑段，甚至“未被開發(fā)”使用的高于３００邋ＧＨｚ的太赫茲波段，開始引起關(guān)注Ｍ。逡逑２逡逑

毫米波和太赫茲波信號在自由空間中面臨巨大的傳輸損耗Ｗ，且其固有的直逡逑線傳播路徑影響整個通信系統(tǒng)不同部分之間的連接和同步Ｍ。解決這一問題的一逡逑個有希望的方案是光載無線通信（Ｒａｄｉｏ－ｏｖｅｒ－Ｆｉｂｅｒ，邋ＲｏＦ）技術(shù)【５＜１（）１。光學(xué)毫米逡逑波或太赫茲波信號通過低損耗光纖從數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)程傳輸?shù)交荆�，有效地消除了通逡逑過電傳輸線或自由空間遠(yuǎn)程傳播毫米波或太赫茲波信號所帶來的巨大傳播損耗。逡逑圖１－３為ＲｏＦ遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的連接示意圖。從圖中可以看出，在高載波頻率和數(shù)逡逑據(jù)速率的高性能Ｒ0Ｆ通信系統(tǒng)中有兩個起重要作用的關(guān)鍵部件。一個是光學(xué)毫逡逑米波或太赫茲波光源｜１Ｍ３］，它應(yīng)該提供穩(wěn)定，噪聲極低且散射性小的具有高調(diào)制逡逑深度的毫米波或太赫茲波光信號，以便通過光纖遠(yuǎn)程傳輸?shù)交具M(jìn)而通過光電轉(zhuǎn)逡逑換器生成以毫米波或太赫茲波為載波的電磁波信號。另一種是光電轉(zhuǎn)換射頻信號逡逑發(fā)射器｜｜４＿１６１，它由寬帶高功率的光電二極管和高方向性的天線組成。該信號發(fā)射逡逑機可以將強光載信號轉(zhuǎn)換為以毫米波或太赫茲波為載波的信號，并有效地輻射到逡逑終端用戶。與使用昂貴、窄帶寬、高噪聲的具有有限增益和飽和功率性能的毫米逡逑波和太赫茲波電學(xué)放大器進(jìn)一步放大來自寬帶光電二極管的弱電信號相比，寬帶逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.1

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本文編號：2607337