用于光纤通信的光电探测器设计与建模

摘要

随着信息社会的不断发展，传统通信系统中的电互连方式难以满足海量数据的传输需求。光互连技术因其成本低廉、集成度高，成为扩充数据通信量的关键技术，因而具有十分广阔的应用前景。作为光纤通信系统中的核心器件，光电探测器直接决定着光接收机系统的速率和灵敏度。因此，设计高速、高灵敏度的光电探测器成为研究的热点之一。同时，分析光电探测器的光谱响应和输出端特性，为光接收系统的协同设计提供帮助，所以建立探测器的小信号等效电路模型也成为单片集成光接收机研究中亟待解决的问题。
　　本文针对用于光纤通信的光电探测器设计与建模，展开了相关的研究工作，内容如下：
　　1、在分析光电探测器性能参数的基础上，针对850nm光纤通信系统，设计了基于UMC0.18μm标准 CMOS工艺的空间调制探测器和双光电探测器，重点分析了器件结构和参数对探测器性能的影响。研制芯片的实测结果表明，在-3.3V偏压下，空间调制光电探测器的响应度为92mA/W，3dB带宽为154MHz；双光电探测器的响应度为23mA/W，3dB带宽为730MHz，基本能够满足光接收机的性能要求。
　　2、针对1550nm长波长光通信，设计了一款波导型光电探测器。在分析不同耦合方式对波导探测器性能影响的基础上，提出了一种端面耦合结构的波导锗探测器，并采用仿真软件Lumerical对探测器的特性进行了分析。仿真结果表明，在-1V偏压下，其响应度为0.78A/W，3dB带宽为5.68GHz。
　　3、在考虑探测器的光生载流子传输效应和RC时间常数的基础上，分别建立了标准CMOS工艺双光电探测器和波导型光电探测器的小信号等效电路模型，并利用优化算法提取了模型参数，实现了小信号等效电路模型的散射参数与实际器件特性的拟合。
　　本文设计光电探测器的性能指标基本满足光纤通信系统传输速率的要求。同时，建立的探测器等效电路模型能够准确模拟器件的高频特性，不仅能够实现探测器与后级跨阻放大电路的协同设计，也为器件结构的优化提供了指导。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 光纤通信技术

1.2 光接收机系统

1.3 硅基光电探测器的研究进展

1.4 研究内容与组织结构

第2章 光电探测器理论基础

2.1 半导体光吸收机理

2.2 光电探测器的基本原理和性能参数

2.3 光电探测器的基本类型

2.4 本章小结

第3章 硅基光电探测器的设计

3.1 标准CMOS工艺的N+/P-sub光电探测器设计

3.2 标准CMOS工艺的空间调制光电探测器设计

3.3 标准CMOS工艺的双光电探测器设计

3.4 波导型光电探测器设计

3.5 本章小结

第4章 光电探测器模型的建立与参数提取

4.1 光电探测器等效电路模型的建立

4.2 小信号等效电路模型参数提取

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢