光通信系统中宽带高功率单行载流子光探测器的研究

发布时间：2020-03-30 09:05

【摘要】：无线通信业务量的急剧增长,迫切需要提高传输速率和容量,光载无线通信系统应运而生。提高此系统的数据传输容量,要求光接收机中的光探测器具有宽带高功率输出等特性。光通信系统中的光探测器的研究现状表明单行载流子光探测器(Uni-Traveling-Carrier Photodetectors,UTC-PDs)是一种能实现宽带高功率输出性能的独特结构,有望应用于光载无线、雷达和卫星等通信系统、高速测量系统、超高速光开关,成为当今高速光电子器件领域的研究热点。本论文围绕设计、优化和制备宽带、高功率、低功耗的UTC-PDs等方面展开研究。完成的主要研究内容及创新点如下:1.设计了改进型的零偏压宽带UTC-PD。在传统结构的基础上,通过在吸收层中同时引入梯度掺杂分布和渐变带隙材料,在吸收层和收集层之间采用偶极掺杂且插入组分渐变的间隔层,优化了吸收层和间隔层的掺杂浓度及收集层和间隔层的厚度,提高了零偏压UTC-PD的带宽和输出功率。2.由于限制传统背靠背光探测器性能的主要因素是器件的总电容,且其底部PN结的电容几乎是顶部PN结的两倍。所以,提出了底部PN结与顶部PN结的结面积相等的对称型背靠背光探测器结构。与传统结构相比,所提出结构的带宽和输出功率性能都有所改善。3.提出了一种在收集层中采用线性梯度掺杂的电荷补偿型UTC-PD,用于在零偏压和低偏压下产生高功率的毫米波/亚太赫兹波。与其它结构或实验结果相比,电荷补偿型UTC-PD的带宽随输入光功率增加而衰减的趋势会得到抑制,且其在高功率输入下的带宽得到改善。此外,相同条件下,与收集层中均匀掺杂浓度为1014 cm-3量级的器件相比,即使在170 GHz和零偏压或低偏压下运行,电荷补偿型UTC-PD的峰值输出功率至少提高了7 dB。4.提出了一种蘑菇型台面UTC-PD,该结构中的吸收层直径大于收集层直径,且通过仿真和理论计算得出收集层直径与吸收层直径之比为0.9时性能最佳。当吸收层直径为5 μm时,与传统结构相比,蘑菇型台面UTC-PD的带宽提高了4.3%,在线性区的射频输出功率提高了0.6 dB。所提出结构可以在需要微型化结尺寸时在一定程度上缓解外部量子效率和带宽之间的矛盾。5.设计了可探测光脉冲重复频率覆盖微波至太赫兹波,且能将强光脉冲转化为强电脉冲的UTC-PD。在重复频率为100 GHz、200 GHz和312.5 GHz的光脉冲串激励下,改进的零偏置UTC-PD的峰值输出功率分别可达4.685 dBm、1.128 dBm和-4.653 dBm,与实验报道结构相比分别提高了2.05 dB、5.15 dB和9.36 dB。6.为减小串联电阻,从而减小光探测器的热效应并提高RC限制的带宽,给出了制备具有低欧姆接触电阻的工艺。通过实验和理论分析发现P型接触层的侧向电阻远大于N型接触层的侧向电阻,所以光探测器台面顶部的接触层导电类型为P型,且选择金属电极全覆盖此接触层将有利于制备高性能的光探测器。制备了P型接触电极环覆盖台面顶部的PIN或UTC光探测器和P型接触电极全覆盖台面顶部的PIN或UTC光探测器,通过实验证明了上述推论。7.制备了具有传统及改进型外延层结构的两类UTC-PD。测试结果表明,在相同条件下,与传统UTC-PD相比,改进型UTC-PD的直流饱和及暗电流性能均有所改善,且当光电流小于2 mA时,其带宽得到提高。在零偏置下,具有20 μm和14 μm台面直径的改进型UTC-PD的3dB带宽分别可以达到20.8 GHz和40 GHz。当反向偏压为1 V时,台面直径分别为20 μm、14 μ和10 μm的改进型UTC-PD的3dB带宽分别可达36.6 GHz、52.2 GHz和75 GHz。台面直径为14 μm的改进型UTC-PD在零偏压下的最大射频输出功率分别为-20.2 dBm@20 GHz、-22.8 dBm@30 GHz和-24.4 dBm@40 GHz。上述研究结果达到了国内外现有的研究水平。
【图文】：

光网络终端,互通信,光网络单元,组成部件

线连接［２＿３］，促使人们开发频谱利用效率更高的传输技术或拓展无线传输的载频逡逑的频谱宽度。描述无线通信系统所达到的数据传输速率随时间演变的规律一称为逡逑埃德霍姆数据速率定律（Ｅｄｈｏｌｍ’ｓ丨ａｗｏｆｄａｔａｒａｔｅｓ），如图１－２所不｜４Ｌ假设将来逡逑会出现同样的趋势，很明显，到２０２０年，传输容量需求将达到大约１００Ｇｂｉｔ／ｓ的逡逑数据传输速率。考虑到理想通信理论中信道数据传输容量的表达式为：逡逑Ｃ邋＝邋ｆｉ－ｌｏｇ２（ｌ邋＋邋５／Ｎ）逦（１－１）逡逑其中Ｃ表示信道数据传输容量，单位为ｂｉｔ／ｓ；邋５表示带宽；５／＃表示信号与噪声逡逑的功率比。所以拓展载频宽度和提高信噪比是提高数据传输速率的关键。在目前逡逑分配给移动业务的频谱范围内，最大的连接频段可以在６０ＧＨｚ附近找到，全球逡逑可用带宽为７ＧＨｚ。只有当频谱利用效率至少为１４ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ的传输方案才能实现逡逑大约１００Ｇｂｉｔ／Ｓ的数据传输速率，这是极具挑战性的。所以拓展无线通信载波的逡逑频谱宽度是一种必然的趋势；６０邋ＧＨｚ邋（Ｖ波段），１２０邋ＧＨｚ邋（Ｄ波段）等毫米波波逡逑段，甚至“未被开发”使用的高于３００邋ＧＨｚ的太赫兹波段，开始引起关注Ｍ。逡逑２逡逑

趋势图,数据传输速率,趋势,太赫兹波

毫米波和太赫兹波信号在自由空间中面临巨大的传输损耗Ｗ，且其固有的直逡逑线传播路径影响整个通信系统不同部分之间的连接和同步Ｍ。解决这一问题的一逡逑个有希望的方案是光载无线通信（Ｒａｄｉｏ－ｏｖｅｒ－Ｆｉｂｅｒ，邋ＲｏＦ）技术【５＜１（）１。光学毫米逡逑波或太赫兹波信号通过低损耗光纤从数据中心远程传输到基站，，有效地消除了通逡逑过电传输线或自由空间远程传播毫米波或太赫兹波信号所带来的巨大传播损耗。逡逑图１－３为ＲｏＦ远程传输系统的连接示意图。从图中可以看出，在高载波频率和数逡逑据速率的高性能Ｒ0Ｆ通信系统中有两个起重要作用的关键部件。一个是光学毫逡逑米波或太赫兹波光源｜１Ｍ３］，它应该提供稳定，噪声极低且散射性小的具有高调制逡逑深度的毫米波或太赫兹波光信号，以便通过光纤远程传输到基站进而通过光电转逡逑换器生成以毫米波或太赫兹波为载波的电磁波信号。另一种是光电转换射频信号逡逑发射器｜｜４＿１６１，它由宽带高功率的光电二极管和高方向性的天线组成。该信号发射逡逑机可以将强光载信号转换为以毫米波或太赫兹波为载波的信号，并有效地辐射到逡逑终端用户。与使用昂贵、窄带宽、高噪声的具有有限增益和饱和功率性能的毫米逡逑波和太赫兹波电学放大器进一步放大来自宽带光电二极管的弱电信号相比，宽带逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1

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