（光学工程专业论文）高速半导体电吸收光调制器与msm光探测器研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 由于信息时代对信息的需求呈爆炸式增长，特别是因特网对全社会信息需求 的推动作用，信息网内信息传送量的增长速度远远超过了“摩尔定律”。在市场需 求的推动下，光通信因为带宽大、可靠性高、成本低、抗干扰能力强等特点，向 高速、大容量方向取得了飞速的发展。目前基于电的时分复用光传输商用系统已 从4 5 m b s 增加到4 0 g b s ，并正在向超高速系统( 4 0 g b s ) 发展。在时分复用 光通信技术中，核心的研究内容是实现高速电信号对光载波调制的高速光调制器 的研制以及系统接收机中高速光探测器的研究。作为当前国际上主流的研究对 象，半导体电吸收光调制器具有体积小，功耗低，可与半导体激光器集成等优点， 因此，为适合下一代数字光通信系统的需要，当数据传输速率高达4 0 g b s 以上 时，多选用激光一电吸收调制器集成器件作为光发射机的核心。在另一方面， m s m 光探测器因其制作容易、低暗电流、大带宽灵敏度积，以及易于与电路芯 片集成等特点，己成为高速光通信接收器中的重要元件。 本文主要在理论上研究、优化设计并测试了高速半导体电吸收光调制器。光 调制器的3 d b 带宽达到1 0 0 g h z ；调制器的微波反射参数墨，在0 - - 6 0 g h z 频率范 围内始终低于1 2 d b ：当信号传输速度为5 0 g b s 、驱动电压的峰峰值v h 为3 v 时，电吸收光调制器的动态消光比达到了1 0 7 d b 。调制器优异的性能基于以下 设计：针对调制器的高消光比和低驱动电压要求，优化设计了对1 5 5 0 n m 波长光 波段具有高电吸收系数的n g a a s p i n c m a s p 多量子阱材料；针对调制器的高消 光比和低插入损耗要求，优化设计了调制器光波导结构，实现了调制器光限制因 子的提高以及器件与单模光纤之间光耦合效率的改善；提出并优化设计了光调制 器分段式行波电极结构，同时实现了器件工作带宽的提高和器件与微波信号源阻 抗匹配性能的改善。 基于高速半导体电吸收光调制器，我们首次提出并完成了传输速度为8 0 g b s 的电时分复用光发射机的研究和实验；通过对理论和实验结果的分析，我们研究 了温度对高速电吸收光调制器工作状态的影响，提出并实验验证了可通过优化驱 动电压的方法来实现非冷却下高速光调制器在大温度范围内的正常工作。 浙江大学博士学位论文 利用高速半导体电吸收调制器可以同时实现光电电光转换的优点，我们将非 对称法布里一珀罗型电吸收光调制器模块作为光收发器应用在全双工光纤无线 系统中，提出并实验验证了上下行链路共用一个波长光载波的系统方案：通过对 系统传递函数的非线性分析，模拟了系统的动态范围特性，并结合模拟结果在实 验中通过优化运行参数对系统内副载波信号的互调失真进行了抑制。 此外，本文也对s i 基m s m 光探测器的模拟设计方法进行了研究。基于半导 体物理的基本微分方程，采用有限差分方法对s i 基m s m 光探测器进行了二维 分析，模拟了器件中载流子的二维分布以及探测器的光电直流特性和瞬态响应特 性：以对探测器瞬态响应分析得到的结论为基础，开展了针对探测器响应时间与 响应率的二维结构分析，得到了优化的s i 基m s m 光探测器结构。 关键词：光通信技术，半导体电吸收光调制器，m s m 光探测器 堑垩查堂堡主兰竺丝茎。 h i g h s p e e de l e c t r o a b s o r p t i o n m o d u l a t o r s a n dm s mp h o t o d e t e c t o r s y uy i c h u a n ( s p e c i a l i t y ：o p t i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：p r o f h es a i l i n g a b s t r a c t s i n c et h ei n t r o d u c t i o no ft h ei n t e r n e t , t h ea v e r a g eg r o w t ho fd a t at r a f f i ch a s d o u b l e de v e r yy e a ro v e rt h ep a s t3 0y e a r s ，a n di se x p e c t e dt oc o n t i n u et od os oa l s o f o rt h en e x td e c a d e d u et oi t sa d v a n t a g eo fh i g hb a i l d 晰d n lr e l i a b i l i t y , l o wc o s ta n d l i t t l ei n t e r f e r e n c e , o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o n s t i t u t et h eb a c k b o n eo ft h e i n t e m e ta n dh a v ee 】【p e r i e n c e da 仃哪e n d o l 培g r o w t hi nt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y h c o m m e r c i a lo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m , t h ee l e c t r o n i ct i m e - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( e t o m ) c h a n n e ld a t ar a t e so f4 0 g b sh a sb e e na c h i e v e da n dt h en e x t g e n e r a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo p e r a t i n gb e y o n d 4 0 g b sw i l lb ed e p l o y e ds o o n t h eh i g hs p e e de t d mt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sb a s e d0 1 1d a t am o d u l a t i o nu s i n g e x t e r n a lo p t i c a lm o d u l a t o r si nt r a n s m i t t e r sa n dt h ed e p l o y m e n to fh i g hs p e e d p h o t o d e t e c t o r s i nr e c e i v e r s e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r s ( e a m ) b a s e do n q u a n t u m c o n f i n e ds t a r ke f f e c ti nm u l t i p l e - q u a n t u m w e l l sh a v ea d v a n t a g e sf o r 1 1 i 曲一s p e e d , l o wd r i v ev o l t a g e ，a n dh i 曲e x t i n c t i o nr a t i oa p p l i c a t i o n s t h e y a r e c o m p a c ti ns i z ea n dc a l lb em o n o l i t h i e a l l yi n t e g r a t e dw i t hs o n r c 圮l a s e r s t h u s ，f o r e t d ms y s t e m sw i t hd a t af a t e sb e y o n d4 0 g b s ，t h eh i g hs p e e de a mi n t e g r a t e dw i t ha l a s e rc o u l db eap r o m i s i n gc a n d i d a t e o nt h eo t h e rh a n d , m s mp h o t o d e t e c t o r sh a v e t h ea d v a n t a g eo fl o wc a p a c i t a n c e ，h i g hb a n d w i d 饥l o wd a r kc u r r e n t , a n di ne a s eo f f a b r i c a t i o n t h ep l a n a rs t n l c t u r eo f m s m p h o t o d e t e c t o r i sa l s os u i t a b l ef o rm o n o l i t h i c i n t e g r a t i o na n dc o u l db et h ek e yc o m p o n e n t si no p t i c a lr e c e i v e r s t h i st h e s i sp r e s e n t st h et h e o r e t i c a ls t u d y , d e s i g no p t i m i z a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n 浙江大学博士学位论文 o fh i g hs p e e de l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r a ne l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r 谢t l la b a n d w i d t ho f1 0 0 g h z ，t h er e r l r nl o s sl e s st h a n 一1 2 d bu pt o6 0 g h za n da l ld y n a m i c e x t i n c t i o nr a t i oo f1 0 7 d ba t5 0 g b sw i t had r i v ev o l t a g eo f3 h a sb e e n d e m o n s t r a t e d t h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c ei sd u et 0t h eo p t i m i z e dd e s i g no f i n g a a s p i n g a a s pm u l t i p l e q u a n t u m - w e l l s ，o p t i c a lw a v e g u i d ea n dt h ed e p l o y m e n to f s e g m e n t e dt r a v e l i n g w a v ee l e c t r o d e s a ne t d mf i b e ro p t i c a lt r a n s m i t t e rw i t hn o n - r e t u r n - t o - z e r o o p t i c a lo u t p u t s i g n a lw a sa s s e m b l e dw i t hah i 曲s p e e de l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o ra n da8 0 g b s m u l t i p l e x e r c l e a re y eo p e n i n g sh a v e b e e nd e m o n s t r a t e da t8 0 g b sf o re 硼) m t h i si s a l s ot h ef i r s te t d mt r a n s m i t t e rw i t hn r zo p t i c a lo u t p u ts i g n a lc v e a rb e e n d e m o n s t r a t e dt oo p e r a t eo v e r8 0 g b s t h et e m p e r a t u r e - d e p e n d e n te f f e c t si nah i g h s p e e de l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o rw e r ea n a l y z e d o p e r a t i n gu n e o o l e db e t w e e n1 0 - 5 0 4 cf o rt h eh i g hs p e e de l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o rw a sa c h i e v e db yc h o o s i n go p t i m u m o p e r a t i o nv o l t a g e sw i t ht h eh i 曲e s tm o d u l a t i o ne f f i c i e n c ya td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa s t h ea p p l i e dd cv o l t a g e s a t5 0 g b s ，t h ed y n a m i ce x t i n c t i o nr a t i oi s 8 4 d bw i t h3 v p p d r i v ev o l t a g eo v e rt h ee n t i r et e m p e r a t u r er a n g e a na s y m m e t r i cf a b r y - p e r o tm o d u l a t o r d e t e c t o r ( a f p m d ) w a se m p l o y e di na f u l l - d u p l e xr a d i o - o v e r - f i b r es y s t e m ，i nw h i c ht h ea f p m d w o r k sb o t ha sam o d u l a t o r a n ds i m u l t a n e o u s l ya sap h o t o d e t e c t o rs oa st oa c h i e v el o wc o s te l e c t r i c a l - o p t i c a l c o n v e r s i o n f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ep r o p e r t yo fi n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o ni na f u l l - d u p l e xr a d i o - o v e r - f i b r es y s t e mu s i n g a f p m dh a sb e e ni n v e s t i g a t e d 。t h e e m p l o y m e n to fb a l a n c e dr fi n p u tp o w e r so v e rm o d u l a t o r sp r o v i d e st h ef e a s i b i l i t yt o s u p p r e s st h ei n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o na n dd l h a n c et h es p u r i o u s 缸ed y n a m i cr a n g e ( s f d r ) i naf u l l - d u p l e xr a d i o - o v e r - f i b r es y s t e m a2 df i n i t e - d i f f e r e n c em e t h o di sd e v e l o p e dt os t u d yt h em s m p h o t o d e t e c t o r t h e t i m e - d o m a i nn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sb a s e do nt h ep o i s s o ne q u a t i o na n dc o n t i n u i t y e q u a t i o n sf o re l e c t r o n sa n dh o l e s t h ed i s t r i b u t i o n so ft h ee l e c t r i c a lf i e l d ，t h ec a r r i e r s a n dt h ec u r r e n td e n s i t yi nt h em s mp h o t o d e t e c t o rw e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h ed c c h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a n s i e n tr e s p o n s eo ft h ep h o t o d e t e c t o rh a v eb e e na n a l y z e d a n o p t i m i z e dd e s i g no fs ib a s e dm s mp h o t o d e t e c t o rw a sg i v e nt oa c h i e v eaf a s t i v 塑望查堂堡主兰竺望壅 础s p o 璐ew h i l ek e e p i n g as a t i s f a c t o r yr e s p o n s i v i t y k e y w o r d s ：o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n , e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r , m s m 浙江大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 由于信息时代对信息的需求呈爆炸式增长，特别是因特网对全社会信息需求 的推动作用，信息网内信息传送量的增长速度远远超过了“摩尔定律”【1 】。在市场 需求的推动下，光通信因为带宽大、可靠性高、成本低、抗干扰能力强等特点， 向高速、大容量方向取得了飞速的发展。光通信系统和光网络飞速发展也给信息 时代带来新的革命，光通信将逐步取代传统的交换、传输、接入技术，最终实现 全光联网。近年来，随着各种基于互联网的新型应用比如i p t v 等口业务持续 的指数级增长的出现以及人们日益增加的语音要求，采用时分复用( ) m ) 波 分复用( w d m ) 混合技术的光强度调制直接探测( f l y l d d ) 光纤通信系统以其 大带宽以及高的通信容量正经历着快速发展。目前基于电时分复用光传输商用系 统己从4 5 m b i t s 增加到4 0 g b i t y s ；速率在2 0 年时间里增加了1 0 0 0 倍 2 】。图1 1 显示了商用光纤通信系统中单信道通信速率的发展规律。由图可见，光纤通信系 统中单通道的数据速率每六年增长四倍，这意味着到2 0 0 8 年光通信系统中单通 道的数据速率可以达到1 6 0 g b s ，同时1 0 0 g b s 的以太网标准也将在这之前被制 定出来 3 ，光通信系统向超高速率发展的趋势非常明显。 9 螂 1 9 1 9 9 5 2 0 0 0 2 52 州o y e a r 图1 1 商用光纤通信系统中单信道通信速率的发展规律 懈 坩 付 舻 五。一暑墨_，ice#口!冉兰毋 浙江大学博士学位论文 在已商用的高速光通信系统方面，1 0 g b i t s 系统已开始在北美、欧洲、日本 等国家大批量装备和应用，首条试商用4 0 g b i t s 系统也于2 0 0 4 年在美国建设完 成。在中国国内，1 0 g b i t s 设备在我国的应用也已经大规模展开，若干1 0 g b 讹 网络已建成并投入商用，例如中国电信南京一上海干线( 8 x 1 0 g b i t s ) 、南京一武 汉干线( 3 2 x 1 0 g b i t s ) 、重庆城域网、浙江省网、联通华东干线等。从短期的国 内通信发展需求来看，国家传输干线、经济发达省份的省网和大城市的城域网将 以l o g b i t s + 波分复用组网为主，而随着中国信息化步伐的加快和国内通信长期 发展的需求来看，在东部经济发达地区建设以4 0 g b i f f s 为基础的d w d m 系统， 将会是很迫切的问题，4 0 g b i t s 光网络在中国的应用前景也会非常广阔。因此， 开展高速时分复用光通信技术的研究，对于我国新型光电子集成芯片研究以及下 一代数字光纤通信系统建设有特别重要的意义。 i i g m t 一 图1 2 强度调制直接检测光通信系统典型结构 基本的时分复用光纤通信系统都使用的强度调制直接检测( 讧d d ) 系统， 其典型系统结构如图1 2 所示。1 2 d - d d 系统主要由光发射机、光纤传输链路和光 接收机三个主要部分组成。在光发射机中主要包括了产生光通信载波的激光器、 数字源信号产生电路和实现高速数字信号对光载波进行调制的光调制器。对于光 纤传输链路，通常使用标准的单模光纤作为传输媒介，仅在传输距离比较短而且 传输比特率比较低时，可以考虑采用多模光纤作为传输媒介。在光接收机中，主 要包括了高速光探测器和对解调信号进行整形、放大以及对系统时序进行恢复的 信号处理电路。随着对系统数据传输速度要求的不断提高，作为强度调制直接检 测光通信系统的核心，针对高速光发射机和高速光接收机的研究是高速光通信技 2 浙江大学博士学位论文 术的关键。 1 2 高速光调制技术的研究概况 在如图1 2 所示的高速光发射机中，核心的研究内容是高速光调制技术以实 现高速电信号对光纤所载光波的调制。目前国际上主流的高速光调制技术分为直 接调制技术和外调制技术两种。直接调制技术采用高速电信号直接驱动半导体激 光器来实现对激光器输出光的调制。目前世界上已报道的工作于0 9 8 微米光波 长的直接调制激光器其最大的3 d b 带宽为4 8 g i - i z 4 ；工作于1 5 5 微米波长光波 段直接调制激光器的最大3 d b 带宽为3 0 g h z 5 】，这样的带宽特性可以支持 4 0 g b i v s 的信号传输速率。虽然如此，直接调制技术的应用受限于其固有的频率 正啁啾特性 6 - 9 。使用具有频率正碉啾特性的半导体激光器对输出光载波进行直 接调制，其输出光脉冲在光纤中传输时会因为光纤色散而发生展宽，从而增加了 高速光传输系统的误码率，降低了系统性能。 与之相对，在外调制技术中，通过使用单独的光调制器实现高速电信号对激 光器输出光载波的调制。外调制技术中所使用的光调制器的频率啁啾特性可以为 零甚至为负【1 0 1 3 】，所以在远距离高速光通信系统中外调制技术被大量使用。外 调制光调制器在工作原理上主要分为两种：应用如铌酸锂( l i n b 0 3 ) 等材料较 大的电光系数的m a c h z e h n d e r 结构电光调制器；以及基于一v 族半导体量子阱 材料中量子限制s t a r k 效应( q u a n t u mc o n f i n e ds t a r ke f f e c t ，q c s e ) 的半导体电 吸收调制器( e a m ) 。 电光调制器基于如铌酸锂( l i n b 0 3 ) 等材料中的电光效应，即在外加电场的 作用下材料的折射率发生改变。基于电光效应的光强度调制器通常制作成 m a c h - z e h n d c r ( m z ) 干涉结构，如图1 3 所示。通过外加电场控制m a c h - z e h n d e r ( m z ) 干涉结构其中一路光波导中的折射率，就可以改变此路光波导中输出光 波的相位。在m a c h - z c h n d c r ( m z ) 干涉结构电光调制器的输出端，两路光波导 的输出光波发生干涉，随着两路光波导输出光波之间相位差的不同，干涉后输出 的光强度也随之变化。因此，通过外加电场作用控制两路光波导输出光波之间的 相位差就实现了对输出光强度的调制。铌酸锂电光调制器是目前光通信市场中商 用化程度最高的外调制器，具有高一3 d b 带宽、插入损耗小、啁啾特性可调等优 浙江大学博士学位论文 点。目前世界上已报道的基于钛扩散铌酸锂光波导结构的电光调制器其最大的光 学3 d b 带宽为1 1 0 g h z 1 4 ；但是它的最高电3 d b 带宽仅为7 0 g h z ，而且其驱动 电压比较高，为5 1 v 。综合最近国际上有关铌酸锂电光调制器的文献报道 1 5 2 1 ， 我们可知：铌酸锂电光调制器的尺寸通常比较大，其长度一般为几个厘米，同时 其材料本身也限制了它与器件驱动电路以及半导体激光器的集成；更为重要的 是，铌酸锂电光调制器受材料电光系数的限制其驱动电压很高，通常为5 v 左右， 这样就限制了它的应用。 l 伊t o s e v e r a l c m 图1 3 基于电光效应的光强度调制器m a c h - z e h n d e r ( m z ) 干涉结构 半导体电吸收光调制器的基本工作原理是基于半导体材料的电吸收效应，即 半导体材料对入射光的吸收系数随外加电场不同而产生变化。在半导体量子阱材 料中，当法向电场施加于量子阱层时，电子和空穴的能级发生偏移，导带底能级 与价带项能级之间的能量差变小，同时电子和空穴在外电场的作用下分别向相反 的方向移动使得激子能量降低，造成激子吸收的s t a r k 移位。因为量子限制s t a r k 效应，量子阱材料的吸收谱边缘比较尖锐，在外电场作用下材料吸收谱向能量低 的方向发生“红移”，如图1 4 所示。这样随着外加电压的增大，半导体多量子 阱材料对波长为凡的入射光的吸收系数也随之增大。因此，将调制电信号直接 施加在电吸收光调制器的电极上就可以实现对波长为厶的光载波的调制。基于 - v 族半导体量子阱材料中量子限制s t a r k 效应的电吸收光调制器具有高3 d b 带宽、低驱动电压，高消光比，器件体积小等优点，其驱动电压通常低于3 v ， 3 d b 电带宽可以达到5 0 g h z ，器件的长度在5 0 0 1 a n 以下。同时，比较于 m a c h - z e h n d e r 结构电光调制器，因为半导体电吸收调制器和光通信用半导体激 光器都基于v 族半导体材料，所以小体积的半导体电吸收调制器可以实现与 半导体激光光源的单片集成，同时也具有与光电子器件驱动电路相集成的自由 4 譬 浙江大学博士学位论文 度，这对于新型光电子集成芯片研究以及下一代数字光纤通信系统建设有特别重 要的意义。 瑚) 图1 4 半导体量子阱材料在不同外加电压下的光吸收谱特性 综合最近一段时间国际上有关高速半导体电吸收光调制器的文献报道 f 2 2 3 6 】，我们在表1 1 中对3 d b 电带宽超过3 0 g h z 的电吸收光调制器性能和研 究概况做了总结。由表1 1 可见，对高速半导体电吸收光调制器的研究是最近光 电子集成领域研究的热点，相关的最新研究成果层出不穷；具有领先性能的半导 体电吸收光调制器主要基于i n g a a s p i n c r a a s p 、i n g a a l a s i n a i a s 、i n g a a s i n a l 缸 这三个系列的半导体多量子阱材料；调制器的3 d b 电带宽都超过了5 0 g h z ，而 1 0 d b 消光比对应的驱动电压通常低于3 v ，这样的性能指标是衡量高速电吸收光 调制器是否达到国际先进水平的主要依据。正是因为半导体电吸收光调制器对于 未来高速甚至超高速光通信系统建设所具有的重要价值，在国外，欧美国家和日 本、韩国等相继开展了对半导体电吸收光调制器的研究；许多世界知名的大学、 公司和研究机构如美国斯坦福大学，美国加州大学，英国伦敦大学学院，美国的 l u c e n t 、c o m i n g ，日本的n t t 、m i t s u b i s h i 、h i t a c h i 、f u j i t s u 、o k i ，法国的a l c a t e l 等在高速半导体电吸收光调制器理论设计和实验研究方面正开展大量的工作。在 基于高速半导体电吸收光调制器的光电子集成研究方面，国内清华大学、上海交 通大学、浙江大学和中科院半导体所等单位进行了相关的研究并取得了一定的成 果 3 7 - 4 4 。但总体来说，国内在这方面的研究与国外先进水平之间的差距比较明 显，还需要大家共同的努力才能迎头赶上国际先进水平。 浙江大学博士学位论文 表1 1 最近国际上报道的3 d b 电带宽超过3 0 g h z 的电吸收光调制器研究概况 r e s e a r c hg r o u p f 3 d b ( g h z ) l e n g t hv l o , m - e ro r ) ( i l m ) i n g a a s i n a l a s d e v a u x ，c n e t1 9 9 5 【2 2 4 27 50 7 5 i d o ，h i t a c h i1 9 9 6 2 3 】 5 06 30 9 5 m o o d i e ，c o m i n g2 0 0 1 2 4 】 3 42 i n g a a i a s i n a i a s t a m u r a , n r t2 0 0 3 2 5 】- 2 d b 5 0 g h z 7 50 8 5 f u k a n o ，n t t2 0 0 6 2 6 】 4 62 0 0o 5 i n g a a s p ，i n g a a s p t a k a g i ，m i t s u b i s h i2 0 0 1 2 7 】 3 57 51 4 m i n e o ，o k i2 0 0 1 2 8 一2 5 d 1 3 5 0 g h z 1 0 0 o 6 5 a k a g e ，n t t2 0 0 1 2 9 】一2 d b 5 0 g h z 2 2 50 9 f u , r e dc l o v e rn w2 0 0 2 3 0 】一2 d b 5 0 g h z 1 3 f e n g ，f u j i t s u2 0 0 2 3 1 】 5 07 0 3 9 v y n a m i c e r 9 d b ) t a d a , m i t s u b i s h i2 0 0 2 3 2 4 57 51 2 m i y a z a k i ，m i t s u b i s h i2 0 0 2 【3 3 】 3 0 2 4 v ( n y n a m i e e r l l a b ) m a s o n ，a g e r e l u c e n t2 0 0 2 3 4 】 3 81 2 00 9 s h i r a i ，h i t a e h i o p n e x t2 0 0 2 【3 5 3 51 5 01 c h i u ，u c s b2 0 0 2 3 6 】 一1 5 d b 2 0 g h z 3 0 0o 3 5 1 3 高速光探测器的研究概况 在如图1 2 所示的光接收机中重要的核心器件为高速光探测器。在高速光通 信系统中，光接收机中的光探测器用于接收被调光载波，通过光电转换实现传输 信息的解调。高速光通信系统对于光探测器性能的基本要求包括：对特定工作光 波长具有良好的响应；器件量子效率即探测率要高：响应速度快，具有高的3 d b 带宽；具有较低的暗电流和低的噪声特性。目前主流的高速光探测器结构主要分 为：p i n 光电二极管、雪崩二极管( a p d ) 和m s m 光探测器。 p i n 光电二极管采用p i - n 半导体结构，并且在使用时施以反向偏置电压。其 中处于p i - n 结构中间位置的本征层( i 层) 使用轻掺杂半导体材料作为探测器的 6 浙江大学博士学位论文 有源吸收层对入射光进行吸收。在p i n 光电二极管工作时，p i - n 半导体结构被 施以较大的反向偏置电压，使得本征层处于载流子深度耗尽状态；当入射光子能 量大于本征层半导体材料的带隙能量时，入射光在本征层耗尽区被半导体材料吸 收转化为电子空穴对，而后电子和空穴在本征层内电场的作用下分别向相反的方 向运动，形成光电流，完成光电转换的过程。p i n 光电二极管具有易于加工、高 可靠性、低噪声等特性，是目前最常见的光探测器。最近针对它的最新研究结果 多采用入射光从端面进入探测器的结构，如图1 5 所示。在图1 5 所示的端面入 射p i n 光电二极管结构中，入射光通过探测器端面耦合进入探测器光波导芯层， 即有源吸收层，而后在波导芯层中向前传播并不断被材料吸收 2 】。通过增加p i n 光电二极管光波导结构的长度，可以有效地提高响应率并且提高探测器的饱和光 功率特性；与此同时，在端面入射p i n 光电二极管中通过采用行波电极结构可 以有效地突破传统的顶端入射p i n 光电二极管频率响应的r c 常数限制，从而极 大地提高了探测器频率响应特性，增加了3 d b 带宽。因此，商业化的p i n 光电 二极管具有高3 d b 带宽、高响应率特等优点。目前世晃上己报道的p i n 光电二 极管其最大的3 d b 带宽为1 2 0 g l - l z 4 5 ；其响应率特性为0 5 a w 。 图1 5 端面入射p i n 光电二极管结构 雪崩光电二极管( a p d ) 利用了光电二极管中的雪崩效应对探测得到的光电 流进行放大，因此获得了极大的响应率。雪崩光电二极管对光电流的放大作用基 于电离碰撞效应【4 6 】。比较于p i n 光电二极管采用p i - n 半导体结构，在雪崩光 电二极管中，在本征层材料与n 型半导体材料之间增加了层p 型半导体材料层， 所有的二次电子一空穴对都将通过电离碰撞效应在此层中产生。当半导体光电二 极管的反向偏置电压很大，接近于z c n c - r 击穿电压时，通过材料吸收入射光产生 7 浙江大学博士学位论文 的电子和空穴在耗尽区极大的外加电场作用下被加速获得足够的能量，这种具有 高能量的载流子与晶格碰撞后，通过电流碰撞效应产生二次电子一空穴对。因为 以上的过程是一种连锁反应，所以由此效应半导体材料吸收一个光子产生的一对 一次电子一空穴对可以产生大量的二次电子一空穴对而形成较大的二次光电流。 因此雪崩光电二极管具有较高的响应率和内部增益，这种内部增益提高了器件的 信噪比，使得雪崩光电二极管具有极高的探测灵敏度，适合在长距离光传输系统 中使用。目前，雪崩光电二极管是高速长距离光通信系统最广泛使用的光电探测 器，其增益带宽积超过了1 0 0 g h z 4 7 - 4 9 】。 图1 7m s m 光探测器表面结构 如图1 7 所示，m e t a l s e m i c o n d u c t o r - m e t a lp h o t o - d e t e c t o r ( m s m 结构光探测 器) 可以看作由背靠背的肖特基光电二极管组成，叉指状电极被制备在探测器的 有源光吸收层上，用叉指做电极，叉指间隙做光敏面，它的提出改善了传统肖特 基光电二极管的性能。m s m p d 工艺简单，除了通常的晶体生长之外，只需要 通过蚀刻、蒸发和剥离等技术将电极作成叉指状即可。因m s m 光探测器制作容 易、低电容、低暗电流、大带宽灵敏度积，以及从晶体生长到器件制作的整个过 程与f e t 完全兼容等特点，已成为光电集成电路( o e i c ) ，高速光通信接收器 以及高速光控数字集成电路中的重要元件。特别地，基于硅基底的m s m 探测器 因其可以工作于8 5 0 n m 波长这一光通信窗口，同时又可以在制作上利用现有成 熟的s i 基集成电路工艺，便于与集成电路芯片实现单片集成，从而得到了人们 的普遍关注。目前基于l n p 材料的工作于1 5 5 微米波长的m s m 光探测器，其传 输速率已经超过了7 8 g h z 5 0 。为了解决m s m 光探测器有源吸收层半导体材料 中电场强度较弱且分布不均匀的问题，我国台湾和国外的研究人员在最近提出了 以下方法 5 1 5 8 ：通过对m s m 光探测器表面进行刻蚀，并将叉指电极制作在刻 蚀形成的表面凹槽内，以增强凹槽电极之间的半导体有源吸收层内的电场强度和 均匀度；而实验结果也验证了通过使用以上方法可以有效地提高了基于s i 材料 浙江大学博士学位论文 和基于v 族半导体材料的m s m 光探测器的响应率，也降低了探测器的响应 时间。在高速m s m 光探测器研究方面，国内上海交通大学、天津大学、成都电 子科技大学和中科院半导体所等单位进行了相关的研究 5 9 - 6 4 ，特别在基于 - v 族半导体材料的m s m 光探测器实验制作及其与接收机前端集成等方面都 取得了非常不错的结果。综合有关高速m s m 光探测器的国内外文献报道，我们 发现针对高速m s m 光探测器的计算机辅助设计方面的工作和结果甚少，目前大 部分文章中都是使用数值方法或半解析的方法建立起一维的模型 5 9 ，6 5 - 6 7 ，在 这些模型建立的过程中都做了比较多的近似而降低了其通用性，所以并不能完全 满足模拟设计的需要；而在早期的二维数值模拟的文章【6 8 】中有并没有对数值模 拟方法做很详细的描述，在边界条件等的选择上也有一定的不足，这样造成模拟 结果的不很理想。因此，需要找到一种基于半导体基本物理特性的二维模拟设计 方法对以高速m s m 光探测器为代表的有源光电子器件进行有效的数学建模和特 性分析，这样才能为进一步优化设计复杂有源光电子集成器件的性能和结构奠定 基础。 1 4 本研究的主要目标 由1 2 节的讨论可以知道，当前衡量高速电吸收光调制器是否达到国际先进 水平的关键性能指标为：调制器的3 d b 电带宽超过5 0 g i i z ，同时产生1 0 d b 消光 比对应的驱动电压通常低于3 v 。 针对上述性能指标，本研究的主要目标是设计3 d b 带宽达到1 0 0 g h z 、3 v 驱 动电压对应的消光比大于1 0 d b 、低功耗和低插入损耗的高速半导体电吸收光调 制器。为达到以上的目标，实现所提出的性能要求，需要完成以下的设计工作： 1 半导体多量子阱材料设计。半导体多量子阱材料是电吸收光调制器有源吸收 层的核心，也是调制器结构设计的基础，材料的电吸收性能将直接决定最终 器件性能。因此，需要针对电吸收调制器的高消光比和低驱动电压要求，优 化设计i n g a a s p f i n c m a s p 多量子阱材料，优化的目标是多量子阱材料对 1 5 5 0 r i m 波长光波段具有高的电吸收系数。 2 调制器光波导结构设计。需要针对调制器的高消光比和低插入损耗的要求， 优化设计调制器光波导结构，优化的目标是提高调制器光波导结构的光限制 9 浙江大学博士学位论文 因子以及改善器件与单模光纤之间的光耦合效率。 3 光调制器分段式行波电极设计。为使调制器的一3 d b 带宽达到1 0 0 g i - - i z ，我们 在调制器设计中选用行波电极结构，但已有的大量研究结果显示了使用行波 电极结构的半导体电吸收调制器的特征阻抗通常比较小，其典型值处于1 5 f 2 到2 5 f 2 之间，这与微波系统中标准的5 0 f l 阻抗相差较大，因此器件与微波 信号源之间微波反射将很严重，这样需要增加调制器的驱动电压才能满足设 计目标对消光比的要求。因此，需要在调制器设计中采用分段式行波电极结 构，设计目标是( 1 ) 调制器的3 d b 带宽达到1 0 0 g h z , ( 2 ) 器件输入端的 微波反射参数s 。在调制器工作频段内低于微波系统通常要求的1 0 d b 。 由1 3 节的讨论可以知道，目前针对高速m s m 光探测器的计算机辅助设计方 面的工作和结果甚少，需要找到一种基于半导体基本物理特性的二维模拟设计方 法对以高速m s m 光探测器为代表的有源光电子器件进行有效的数学建模和特性 分析。 针对此问题，我们的研究目标是：( 1 ) 针对s i 基m s m 光探测器结构建立基 于半导体物理基本微分方程的数学分析模型；( 2 ) 采用有限差分方法在二维空间 结构中对m s m 光探测器进行模拟和分析，模拟的目标是得到器件中载流子的二 维分布以及探测器的光电直流特性和瞬态响应特性；( 3 ) 利用上述的模拟分析方 法，针对探测器响应时间与响应率的特性，对s i 基m s m 光探测器结构进行优 化。 1 5 本论文的组织结构 本论文共由七章组成： 第一章是绪论，简单地介绍了本研究的背景、国内外现状、研究的主要目标 和论文的