光探测器等效电路模型的建立与参数提取

摘要

光纤通信技术的飞速发展，对光纤通信系统的灵敏度，响应速率和可靠性提出了更高的要求，分立光电子器件的简单组合已经很难达到理想的效果，具有高速、高度集成特性的光电集成电路（OEIC）成为了研究的热点。分立光电子器件的等效电路模型对于准确模拟OEIC的性能来说是必不可少的，光探测器是OEIC光接收机的关键部分，因而研究光探测器的等效电路模型具有重要的意义。本文建立了雪崩光探测器（APD）的等效电路模型和PIN光探测器等效电路模型，并分别进行了仿真分析与参数提取的研究。
　　首先，本文介绍了光探测器的工作原理，讨论了表征光探测器性能的基本参数，包括响应度、量子效率、暗电流、噪声电流、响应时间和带宽特性等，并详细分析了APD的平均雪崩增益和内部的电场分布，为后续的研究提供了充分的理论依据。
　　然后，基于光探测器的工作原理和性能参数的分析，建立了一种新的APD的等效电路模型，该模型从载流子速率方程出发，引入了暗电流、噪声电流和寄生效应，能够精确反映器件的性能。为了验证模型的准确性，在PSpice软件中建立了APD等效电路模块，并基于该模块仿真分析了APD的基本特性参数，讨论了结构参数对APD性能的影响，研究了APD封装结构参数的优化问题。从分析中我们得到：APD的增益、带宽相互制约，在高增益区增益带宽积约为一个常数；APD的各层结构参数决定了APD的性能，需合理设计各层的厚度才能得到理想的APD性能；在封装结构的优化设计过程中适当选择金丝引线的长度，调整封装寄生电感的大小能够起到提高APD芯片带宽性能的效果。
　　最后，从PIN光探测器的基本的物理结构出发，建立了PIN光探测器的小信号等效电路模型。对自适应遗传算法做了部分改进，并基于matlab软件的遗传算法工具箱（gatbx）编写了自适应遗传算法程序。利用自适应遗传算法程序提取了PIN光探测器等效电路模型元件的参数值，并通过S21参数的测试曲线与计算曲线的比对，证明了参数提取算法的有效性和PIN光探测器等效电路模型的合理性。

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图表目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3本文主要工作及内容安排

第二章 光探测器的工作原理和性能参数

2.1光探测器的工作原理

2.2光探测器工作特性和参数

2.3本章小结

第三章 APD等效电路模型的建立与仿真

3.1 APD等效电路模型的建立

3.2 PSpice软件中APD模块的实现

3.3基于PSpice软件的APD特性分析

3.4本章小结

第四章 PIN光探测器等效电路模型的建立与参数提取

4.1 PIN光探测器等效电路模型的建立

4.2 PIN光探测器的S参数

4.3电路模型参数提取算法

4.4 PIN光探测器等效电路模型参数提取与验证

4.5本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

硕士研究生期间取得的研究成果

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