论文部分内容阅读
二十一世纪以来,社会迈入了超高速发展的信息时代,全球数据业务呈现爆炸式增长,对网络带宽的需求飞速增长。大力发展超大传输容量、超长距离、超高速率的光纤通信系统成为亟待解决的关键问题。用于光通信的PIN光探测器(photodetector, PD)作为光纤通信系统中的核心器件之一,为进一步优化其性能以满足光纤通信系统的发展需要,本论文对用于光通信的PIN光探测器以及新型PININ型双吸收层光探测器的性能优化方法进行了研究与设计,并进行了InP基渐变掺杂型PIN光探测器的实验制备与测试。本论文的主要研究成果和创新如下：1、理论研究了用于光通信的垂直入射PIN光探测器的基本原理与常用性能参数,建立了高速PIN光探测器的仿真模型,具体分析了探测器内部的电场分布、能带、折射率、载流子迁移率等微观特性,给出了优化PIN光探测器高速性能及量子效率的主要途径。2、深入研究了用于光通信的垂直入射型PIN光探测器的性能优化设计,分析了引入能带渐变层以及进行掺杂浓度的梯度渐变对探测器高速特性和量子效率的影响。仿真对比了优化前后探测器的各种性能,发现在有源面积为200μm2并且吸收层厚度为350nm时,器件带宽效率积取得最大值。经过优化,PIN光探测器的3dB带宽从20GHz提升至70GHz,外量子效率达到25%。3、设计了一种新型的PININ型双吸收层光探测器结构,通过仿真对比发现PININ型光探测器在量子效率及高速性能方面均优于传统单吸收层的PIN-PD。通过仿真对比PININ型-PD与PINIP型-PD,发现PININ型结构在不牺牲量子效率的前提下,提高了器件的高速性能,同时具备制作步骤简单,工艺成熟,应用领域广泛的优势。经过优化,PININ型光探测器的3dB带宽从40GHz增加至100GHz,外量子效率达到36%。4、进行了InP基渐变掺杂型PIN光探测器的结构生长及外延片质量测试,通过质量测试获得了实际外延片结构与各层掺杂浓度,进行了还原仿真,得到了实际外延片的高速性能和量子效率指标,分别为18GHz和25%,并分析了导致高速性能不如原设计的原因。5、进行了外延片后工艺制备,完成了InP基渐变掺杂型PIN光探测器的暗电流、外量子效率以及高速性能测试,得到器件在O.1V偏压下的暗电流为9×10-8A；在入射光波长为1550nm时,量子效率为21.17%,响应度为0.2638A/W,3dB带宽为15.09GHz,并在零偏压情况下实现了12.4GHz的3dB带宽。实测结果与仿真结果较接近,且该器件的光伏特性有望用于未来低功率损耗的光纤通信系统以及高速全光网络中。