集成大面积光电探测器接收芯片的优化设计（英文）

通过仿真优化探测器的结构参数和性能,设计了基于0.25μm标准BCD(Biplor,CMOS and DMOS)工艺的大面积多叉指状PIN光电探测器.选择已优化的大面积光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器单片集成,采用0.25μm BCD工艺实现了一个用于650nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.结果表明:多叉指状PIN光电探测器对650nm入射光的响应度提高至0.260A/W,其结电容降低至4.39pF.对于650nm的入射光,在速率250 Mb/s、误码率小于10-9的条件下,光接收芯片的灵敏度为-23.3dBm,并得到清晰的眼图.该光电探测器可用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.     

塑料光纤通信650nm单片集成光接收芯片研究EI北大核心CSCD

设计了一种用于塑料光纤通信的650nm单片集成光接收芯片,包括光电探测器、跨阻前置放大器、单双端转换、差分放大器、输出缓冲器及失调电压补偿电路.基于合理假设与近似,从稳态连续方程和边界条件出发,分析了探测器的光谱响应;采用拉普拉斯变换方法,分析其频率响应.采用0.5μm BCD工艺流片,光接收芯片版图面积832×948μm2进行测试,结果表明5V反向偏压下,探测器在650nm的响应度为0.26A/W;光接收芯片在180Mbps速率及误码率小于10-9情况下,灵敏度为-14.6dBm;在100Mbps非归零伪随机二进制序列信号速率及误码率小于10-9情况下,能得到清晰的眼图.     

应用于塑料光纤通信接收芯片的集成光电探测器(英文)

基于0.5μm标准Biplor、互补金属氧化物半导体和双扩散金属氧化物工艺设计了两种不同结构不同尺寸的光电探测器,包括传统的P+/N-EPI/BN+结构光电探测器和多叉指P+/N-EPI/BN+结构的光电探测器.通过仿真优化设计了光电探测器的结构参量和性能,测试结果表明:多叉指状P+/NEPI/BN+光电探测器能够改善650nm的响应度以及降低结电容.选择该结构大面积P+/N-EPI/BN+光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器的单片集成,采用0.5μm标准Biplor、互补金属氧化物半导体和双扩散金属氧化物工艺实现了一个用于650nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.该光接收芯片的测试结果表明:对650nm的入射光,在160 Mb/s速率的伪随机二进制序列以及小于10-9的误码率条件下,光接收芯片的灵敏度为-15dBm,并能得到清晰的眼图.因此,本文设计的光电探测器可以很好地应用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.     

集成大面积光电探测器接收芯片的优化设计

通过仿真优化探测器的结构参数和性能,设计了基于0.25 μm标准BCD (Biplor,CMOS and DMOS)工艺的大面积多叉指状PIN光电探测器.选择已优化的大面积光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器单片集成,采用0.25 μm BCD工艺实现了一个用于650 nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.结果表明:多叉指状PIN光电探测器对650 nm入射光的响应度提高至0.260 A/W,其结电容降低至4.39 pF.对于650 nm的入射光,在速率250 Mb/s、误码率小于10-9的条件下,光接收芯片的灵敏度为-23.3 dBm,并得到清晰的眼图.该光电探测器可用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.     

级联马赫-曾德尔干涉仪型不等带宽交错滤波器的设计

为了在10Gb/s+40Gb/s混合系统中提高光学奇偶交错滤波器的带宽利用率,提出了基于两级级联马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的全光纤型不等带宽光学交错滤波器的设计方案。通过对耦合器分光比、干涉仪臂长差等结构参量的选择,详细分析了两级级联MZI的不等带宽交错滤波器的传输特性,并选取了理论优化计算的一组数据进行实验。数值分析和实验结果表明,该器件将50GHz的输入信号分离成信道间隔为100GHz的奇偶两路输出信号,其中在3dB处,奇数信道带宽大于30GHz用于10Gb/s传输,偶数信道带宽大于60GHz用于40Gb/s传输。该滤波器较传统的等带宽交错滤波器有更高的带宽利用率,在10Gb/s向10Gb/s+40Gb/s升级过程中作为复用/解复用器具有很大优势。     

低暗电流InGaAs-MSM光电探测器

MSM(金属-半导体-金属)型光电探测器的较低寄生电容和高带宽的特点使得其应用广泛,可用于空间通信、遥感等多方面,但暗电流偏大仍是制约其发展的重要因素.为此,本文研制了100×100μm2面积的InGaAs-MSM光电探测器,通过设计InAlGaAs/InGaAs短周期超晶格和InAlAs肖特基势垒增强结构,将器件暗电流密度降至0.6pA/μm2(5V偏置),改善了目前同类器件的信噪比.对器件光电参数进行了表征:3dB带宽6.8GHz,上升沿58.8ps,1550nm波段响应度0.55A/W,光吸收区域外量子效率88%.分析了短周期超晶格和肖特基势垒增强层对暗电流的抑制机理.     

基于选区外延技术的单片集成阵列波导光栅与单载流子探测器的端对接设计

选区外延技术是实现有源与无源光器件单片集成的一种有效的工艺手段,但同时对两种器件在异质生长界面处的对接结构提出了更高的设计要求.本文通过选区外延技术实现了InP基O波段4通道阵列波导光栅与单载流子探测器的单片集成.通过光学仿真重点研究了选区外延后界面处形貌对无源波导结构与有源光探测器间光耦合效率的影响,包括伸长的光学匹配层、二次外延生长边界位置、波导刻蚀边界位置等因素.研究结果表明,在保证二次外延生长边界对准异质对接界面时,将光学匹配层伸出探测器前端10μm并与外延边界无缝对接既可以保证高效的光传输效率(或探测器量子效率),又可以避免外延界面处的异常生长对器件制备工艺的影响,保证生长工艺与器件制备工艺的兼容性.成功制备的单片集成芯片具有高达76%的探测器量子效率,证明了对接方案的有效性.同时,集成芯片的低串扰(-22 dB)与解复用特性展示出其作为解复用光接收芯片具有巨大潜力.     

用于10Gb/s传输系统的电吸收调制器与分布反馈激光器集成光源

采用超低压(22×１０^２Pa)选择区域生长(selective area growth, SAG)金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)技术成功制备了应变型InGaAsP/InGaAsP电吸收调制器(electroabsorption modulator, EAM)与分布反馈激光器(distribute feedback laser, DFB)单片集成光源的新型光电器件.实验结果表明，采用该技术制备的集成器件表现出了良好的性能：激射阈值为19 mA，出光功率接近7 mW，边模抑制比(side-mode suppression ratio, SMSR)大于40 dB，将该集成器件出射光耦合进普通单模光纤后进行测量，获得了16 dB的消光比，器件3 dB响应带宽达到了10 GHz以上.将该集成器件完全封装后成功进行了10 Gb/s非归零码(non-return zero, NRZ)的传输实验：在误码率为10^-10的传输条件下于普通单模光纤中传输了53.3 km，色散代价小于1.5 dB，动态消光比大于8 dB，且眼图清晰张开. 关键词： 超低压 选择区域生长 集成光电子器件 10 Gb/s     

一种不等带宽光学梳状滤波器

提出了一种新型—Michelson—三面镜FabryPerot型50GHz不等带宽光学梳状滤波器设计方案,分析和模拟表明:该器件将一路信道间隔为50GHz的输入信号分离成信道间隔为100GHz的奇偶两路输出信号,其中在3dB处,奇数信道带宽大于30GHz用于10Gb/s传输,偶数信道带宽大于60GHz用于40Gb/s传输对于将来的40Gb/s系统,该器件具有优势.     

基于VO2薄膜非致冷红外探测器光电响应研究

VO₂薄膜是非致冷微测辐射热红外探测器热敏电阻材料.研究中应用微电子工艺制备了VO₂溅射薄膜红外探测器,在296K的环境中测试了该探测器在不同的直流偏置、光调制频率下对873K标准黑体源8—12μm红外辐射的光电响应以及器件的噪声电压,在10和30Hz的调制频率下其响应率分别大于17kV/W和接近10kV/W.该探测器实现了探测率D大于1.0×10⁸cm (Hz)^1/2/W,热时间常量为0.011s的8—12μm非致冷 关键词： 非致冷测辐射热探测器 红外探测器 二氧化钒 薄膜     

InAlAs浓度对In_(0.83)Al_(0.17)As/In_(0.83)Ga_(0.17)As红外探测器特性的影响北大核心CSCD

红外探测器的性能受内部结构各层掺杂浓度的影响,而倍增层掺杂浓度会明显改变器件的性能。为了降低暗电流,提高器件性能,采用三元化合物In_(0.83)Al_(0.17)As作为倍增层材料,借助仿真软件Silvaco详细研究了In_(0.83)Al_(0.17)As/In_(0.83)Ga_(0.17)As红外探测器的倍增层掺杂浓度对器件电场强度、电流特性和光响应度的影响规律。结果表明,随着倍增层掺杂浓度的增加,器件倍增层内的电场强度峰值增加,同时,器件的暗电流与光响应度减小。进一步研究发现,当倍增层掺杂浓度为2×10^(16) cm^(−3)时,器件获得最优性能,暗电流密度为0.62144 A/cm^(2),在波长为1.5μm时,光响应度和比探测率分别为0.9544 A/W和1.9475×10^(9) cmHz^(1/2)W^(−1)。     

光窗口对SiGe/Si异质结光电晶体管光响应的影响

分析了不同光窗口位置和不同光窗口面积对SiGe/Si异质结光电晶体管(HPT)光响应特性的影响.光窗口位于发射区时,HPTs吸收路径长,会产生较多的光生载流子,在发射结界面产生较大的发射结光生电压,有利于发射结的电子注入,因此获得较大的集电极输出电流和光增益.当入射光波长为650 nm,集电极电压为2.0 V,光窗口面积为10μm×10μm时,SiGe/SiHPT的光增益最大可以达到9.24.光窗口位于基区时,在较大的入射光功率下,HPTs吸收区的光生载流子密度大,光生空穴发生快速驰豫的可能性增加,一定程度上缓解了空穴迁移率低对器件工作速度的限制,提高了光特征频率.当入射光波长650 nm,集电极电压2.0 V,光窗口面积为10μm×10μm时,SiGe/SiHPT的光特征频率可达16.75 GHz.对于能够获得更高光增益光特征频率优值的发射区光窗口SiGe/SiHPTs,当光窗口面积从3μm×10μm到50μm×10μm逐渐增加时,电子在发射结界面的有效注入面积增加从而光增益逐渐增大;同时发射结和集电结的结电容也随之增大,RC延迟时间增长,光特征频率却逐渐减小.光增益·光特征频率优值随着光窗口面积的增加而逐渐提高,但随着面积的增加,光增益·光特征频率优值提高的速率变慢,并有逐渐趋于饱和的趋势.     

红外探测器的高频测试

研究了长波8~15μm波段,阻值大于440ΩMCT光导红外探测器,探测率在10kHz,14μm大于4×1010 cm·Hz1/2/W,在1kHz和10kHz中心频率下的噪声测试,中波5~8μm红外光伏型InSb器件,探测率在25kHz,8.26μm大于1×1011 cm·Hz1/2/W,在1kHz和255kHz中心频率下的噪声测试,并对器件信号进行了测试。信号和噪声测试是在124A锁相放大器测试系统测试,对124A测试系统的不确定度进行了分析,并与动态信号分析仪35670A对器件在0~50kHz频谱范围的噪声进行了测试和比较。实验结果表明,高阻值的光导器件在1kHz和10kHz中心频率下噪声相差约1.4倍,光伏型InSb器件在1kHz和15kHz中心频率下噪声相差约1.5倍,信号测试结果在1kHz下和3kHz中心频率下变化不超过3%。通过测试和比较,对高频下的测试给出了建议。     

1.55 μm偏振无关半导体光放大器腔面减反膜的研制

设计并制作了1.55 μm偏振无关半导体光放大器腔面TiO2/SiO2多层减反膜, 工艺过程中设计并使用了反射率实时监控装置, 得到了低于5×10－4的腔面剩余反射率. 器件测试结果表明, 管芯在250 mA电流下仍处于未激射状态, 表明减反膜有效抑制了芯片的激射. 半导体光放大器的自发辐射（ASE）谱波动在0.4 dB以下, 3 dB带宽大于52 nm, 半导体光放大器小信号增益近27 dB, 在1520~1580 nm波长范围内偏振灵敏度小于0.5 dB.     

一种基于级联半导体光放大器环镜的光串并转换器（英文）

为了实现高速光信号的降速处理,提出了一种基于级联半导体光放大器环镜(SLALOM)的光串并转换器,用于实现将高速串行光脉冲信号转换成低速并行光脉冲信号.该光串并转换器采用串联SLALOM组成,将前一级SLALOM的输出作为后一级SLALOM的输入;SLALOM之间的光传播时延为输入光信号比特周期;设置控制光与信号光脉冲时序,实现各级SLALOM光脉冲并行输出.通过采用1×10光串并转换器实现将80Gb/s串行信号转换为10路8Gb/s并行信号,并对控制、信号脉冲光功率和时间偏移量器件参量进行了优化.对于1×10光串并转换器,端口接收灵敏度差异小于10dB.该光串并转换器光功率损耗小、易于扩展并行端口数目,可用于光通信领域中的高速解复用、光信号处理和光交换系统中.     

p-i-nInP/In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP探测器结构优化

利用半导体仿真工具Silvaco对p-i-n InP/In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP近红外光探测器进行优化仿真.参考实际器件对红外探测器进行建模,并将其暗电流、光谱响应仿真结果与实验结果进行拟合,保证仿真结果的有效性.以减小探测器的暗电流为目的,优化其结构.针对探测器吸收层厚度和吸收层掺杂浓度对暗电流、光响应的影响进行研究,发现当吸收层厚度大于0.3μm后,暗电流不再上升,但光响应随着吸收层厚度的增加而增大;当吸收层掺杂浓度不断上升时,器件暗电流不断降低,当掺杂浓度上升到2×1017/cm3时,暗电流达到最低值.本文还研究了p-i-n型探测器的瞬态响应,探究了响应速度与反偏电压之间的关系,发现提高反偏电压能减小探测器响应时间.     

一种基于级联半导体光放大器环镜的光串并转换器

为了实现高速光信号的降速处理,提出了一种基于级联半导体光放大器环镜(SLALOM)的光串并转换器,用于实现将高速串行光脉冲信号转换成低速并行光脉冲信号.该光串并转换器采用串联SLALOM组成,将前一级SLALOM的输出作为后一级SLALOM的输入;SLALOM之间的光传播时延为输入光信号比特周期;设置控制光与信号光脉冲时序,实现各级SLALOM光脉冲并行输出.通过采用1×10光串并转换器实现将80 Gb/s串行信号转换为10路8 Gb/s并行信号,并对控制、信号脉冲光功率和时间偏移量器件参量进行了优化.对于1×10光串并转换器,端口接收灵敏度差异小于10 dB.该光串并转换器光功率损耗小、易于扩展并行端口数目,可用于光通信领域中的高速解复用、光信号处理和光交换系统中.     

基于周期极化铌酸锂波导的软件同步光采样

随着大于40 Gb/s高速光通信系统的出现, 为了保证光信号传输质量, 需要对光信号进行监测。对于带宽超过传统光电探测器和示波器可测量带宽的高比特率数据光信号, 光采样技术是进行时域测量的重要手段。采用固定频差的方法可以用百兆速率的采样脉冲对高速光信号进行采样, 降低了对采样后电数据处理系统带宽的要求。在对基于周期极化铌酸锂(PPLN)波导中和频效应的采样过程进行建模仿真的基础上, 实现了对Optsim获得的光传输线内10 Gb/s的非归零码(NRZ)和归零码(RZ)信号的采样。采用软件同步算法对采样数据进行处理, 获得信号的眼图, 这一方法可使采样系统对硬件的要求降到最低。与理想与门获得的采样结果进行比较, 对PPLN波导的光采样特性和采样质量进行了分析。     

线性光采样模拟前端研制与128Gb/s信号测试

面对100 Gb/s光纤传输系统性能监测需求,自主研制完成高速线性光采样模拟前端。其内部由1个被动锁模光纤激光器产生脉宽为2 ps、重复频率为96.25 MHz的采样光脉冲,待测偏振复用四相移键控(PDM-QPSK)信号和采样光脉冲进入光混频器后完成偏振相位分集探测,利用模拟带宽为400 MHz的平衡探测器完成光电转换后,将4路模拟信号传入主机进行数字化处理,获得高速光信号时域分析结果。通过优化设计,实现被动锁模光纤激光器的脉冲功率、中心波长、重复频率稳定输出。利用商用128 Gb/s PDM-QPSK信号对工程样机和安捷伦调制信号分析仪N4391A展开对比测试,测试结果表明工程样机可获得相同的时域参数分析结果。     

基于三环辅助Mach-Zehnder干涉仪的带宽可调滤波器设计（英文）

设计了一种基于绝缘体上硅的具有大带宽调谐能力的紧凑型可重构光滤波器。该装置由三个微环辅助马赫-曾德尔干涉仪构成,利用硅的热光效应可以控制微环谐振器的相位,进而同时调节滤波器的带宽和中心波长。用时域有限差分法对器件的性能进行了仿真,仿真结果表明,带宽的调谐范围为1.4～10.6 nm,占自由光谱范围的11.5%～85%;阻带消光比大于20 dB,通带损耗为0.4～0.7 dB,器件尺寸为40μm×60μm。