光通信中低噪声高速高饱和单行载流子光探测器的讨论随着智能终端、社交网络、云计算、在线通信业务的爆炸式进展,人们对网络带宽和传输容量的需求飞速增长。为了顺应这一需求,光纤通信系统正逐步向超高速率、超大传输容量的新一代光网络方向进展。光探测器作为光纤通信系统中的核心器件,其性能的优化对光纤通信系统的进展起着至关重要的作用。在光通信系统中,单行载流子光探测器(UTC-PD)只采纳电子作为有源载流子,极大压缩了其载流子的渡越时间,也抑制了空间电荷效应,可同时实现高速高饱和特性。而且 UTC-PD 的暗电流很小,通常为 pA 数量级,具有较好的低噪声特性。本论文主要围绕用于光通信中的低噪声高速高饱和 UTC-PD 的讨论开展工作。本论文主要讨论内容和创新如下:1、理论讨论了 UTC-PD 的基本原理,对UTC-PD 的性能参数和国内外讨论进展进行了分析,具体讨论了 UTC-PD 内部的能带、电场和载流子迁移率等微观特性,为设计低噪声高速高饱和 UTC-PD 提供支撑。2、深化讨论了暗电流的组成,分析了扩散电流、产生-复合电流、表面复合电流和隧道电流的内在物理机制,得出在较低偏压下,暗电流主要为产生复合电流;在较高偏压下,暗电流主要为隧道电流。从载流子速率方程和暗电流物理机制理论出发,分别建立了 PIN-PD 和 UTC-PD 的等效噪声电路模型,得到了 PIN-PD 和 UTC-PD 的暗电流与反向偏压的关系。3、对比分析了 UTC-PD 吸收层中不同高斯掺杂与带宽的关系。高斯掺杂的参数为峰值浓度、峰值浓度的位置和特征长度。仿真结果表明,在保持吸收层中平均掺杂浓度不变的前提下,UTC-PD 带宽与峰值浓度位置正向相关,而与特征长度负向相关,并从能带和电场两个角度对这一现象作出了解释。优化后的 UTC-PD 光敏面面积为 18μm2,反向偏压为 3V,吸收层厚度为200nm,高斯掺杂在吸收层的顶端(距衬底表面 956nm 处)达到峰值,掺杂浓度为3×1019cm-3,特征长度为 0.037 时,UTC-PD 的带宽达 81GHz。4、基于漂移-扩散模型,提出了一种新型 InP 基 UTC-PD。在吸收层采纳组分线性渐变材料In0.62Ga0.38As0.82P0.18→In0.53Ga0.47As 和高斯掺杂,在收集层保持掺杂浓度均值不变的前提下,采纳阶梯掺杂实现电荷补偿,同时提高了带宽和饱和电流。理论分析表明,在光敏面面积为 18μm12,反向偏压为 3V 条件下,该器件的 3dB 带宽为 85GHz,直流饱和电流为 152mA。此外,在零反向偏压下,UTC-PD 的暗电流为 27.4pA,在 3V 反向偏压下,UTC-PD 的暗电...
