基于倏逝波耦合的雪崩光电二极管的波导研究与器件设计

摘要

光集成技术领域是发展中的，激烈变化着的领域，相较于硅基微电子技术它还处于起步阶段，但同时它有非常广阔的发展前景。随着数据、信息通信和交换量的指数级增加，人们对于超容量、高速率光通信系统的需求日益增加。光集成技术对于大容量高速光通信系统的发展起至关重要的作用。光电探测器是光通信系统的重要组成部分，将光集成技术应用于光电探测器，利于提升光电探测器的性能和可靠性，并降低其制作成本，这对学术界和工业界都具有重要的研究价值。本论文的主要目的即立足于此，深入研究光电探测器存在的问题并提出解决方案，最终设计出满足高速(≥25 Gbit/s)光通信需求的集成光电探测器。
　　论文中对比了混合集成和单片集成这两种光集成形式，对于光接收机系统，单片集成的方式有助于缩小器件尺寸并提高器件的可靠性。此外，论文对于光信号耦合进入光探测器吸收区的方式进行对比分析，基于波导结构的倏逝波耦合方式避免了光探测器速率和量子效率间相互制约的问题，并有利于光生载流子在光探测器吸收区的均匀分布，适用于高速光探测器。雪崩光电二极管(APD)由于其内部倍增效应可以获得较高的响应度，适用于远距离通信系统中微弱信号的探测。依据上述分析，本文核心内容是高响应度，高速波导型APD的设计，此外论文对该波导型APD的性能参数，包括量子效率，响应度，增益带宽积和暗电流进行了仿真，并研究了其制作流程与工艺。
　　论文首先基于理论分析解析计算出波导型APD的波导结构参数，在波导设计过程中，提出了描述不同模式传输差异的参数——等效折射率的离差平方和(SSDR)，可用于描述波导中不同传输模式的偏振相关性。基于上述分析，提出了两种新型的波导结构：包含空气缝的光匹配层和台阶波导。上述波导结构的提出使得波导型APD在较小结构尺寸内实现了低偏振相关性和高效耦合。
　　论文中提出了低偏振相关性，高效耦合的波导结构，并在此波导结构的基础上提出一种基于绝缘体上锗(GeOI)的波导型APD，该单片集成光探测器具有较高的响应度，较低的暗电流，可应用于25 Gbit/s的高速光通信系统，并且其制作工艺与现有IC工艺完全兼容利于以较低的成本实现该器件。最后在波导偏振相关性和耦合特性研究的基础上，结合波导型硅锗探测器，对其宽谱范围内的响应度和偏振依赖性进行了研究，发现通过计算找出波导结构的最优参数，是可以在宽谱范围内同时实现高效耦合和低偏振依赖性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究现状

1.2 主要研究内容

2 波导探测器偏振相关性研究

2.1 偏振分析的理论基础

2.2 III-V族化合物波导探测器的偏振依赖性研究

2.3 IV族材料波导探测器偏振依赖性的研究

2.4 本章小结

3 GeOI衬底波导APD的研究

3.1 波导APD的结构设计

3.2 APD的性能仿真与分析

3.3 GeOI衬底波导APD的工艺设计

3.4 硅锗波导APD的宽谱特性研究

3.5 本章小结

4 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

致谢

参考文献

附录I 攻读硕士学位期间发表论文和科研情况说明