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用于WDM系统的新型平顶陡边光探测器的研究

作　者: 邸菁
导　师: 黄永清
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 集成解复用接收器件谐振腔增强型光探测器分布布喇格反射镜法布里珀罗腔平顶陡边可变滤波腔长吸收腔P区厚度渐单片集成长波长四镜三腔光探测器
分类号: TN929.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 37次
引　用: 5次
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内容摘要

光波分复用(WDM)技术具有从光纤巨大的潜在带宽中获取丰富信道资源的能力,加之它与其它通信技术的兼容性,使得它在骨干网、城域网和接入网等各个领域都得到了广泛的应用。作为其中关键技术之一的波长解复用接收技术是WDM能够应用于实际通信系统并发挥自身强大功能的保证。本论文针对WDM系统中的集成解复用探测器件进行了研究,取得了以下研究成果：1.利用传输矩阵法,深入分析了谐振腔增强型(RCE)光探测器的关键功能部分——分布布喇格反射镜(DBR)的原理,详细讨论了本征DBR的透射率、反射率与材料折射率差和介质层数的关系,掺杂DBR的透射率、反射率与杂质层位置和折射率的关系,还分析了DBR各层折射率或厚度递变对其透射率、反射率的影响；并讨论了FP腔的原理及基于DBR的FP腔的特性。计算表明,这种结构的FP腔在保证出射光谱峰值接近1的同时也获得了细锐的光谱响应线宽,具有很好的波长选择性能。2.提出了一种新型光探测器——吸收腔P区厚度渐变的RCE型平顶陡边光探测器。通过将探测器吸收腔的P区设计为具有0.86°倾角的厚度渐变结构,实现了“平顶陡边”响应。分析了器件的量子效率及高速响应特性。理论研究表明,器件通带内量子效率的最大值和最小值分别为87.564%和85.242%,输出响应的平顶起伏度约为3.6%,-0.5dB、-3dB、-20dB带宽分别为0.3nm、0.4nm和1.2nm。器件台面积选择10μm×10μm时,频率响应带宽为87GHz。与同类探测器相比,该器件具有高量子效率,窄光谱响应线宽,其光谱响应具有良好的平顶陡边特性,高速响应特性也很理想。3.设计了一种具有可变滤波腔长的RCE型平顶陡边光探测器。通过将探测器的滤波腔分成具有不同光学厚度的10个部分,实现了“平顶陡边”响应。分析了器件的滤波特性、量子效率以及关键参数对器件性能的影响。理论研究表明,器件通带内的量子效率超过80%,输出响应的平顶起伏度小于2%,-0.5dB、-3dB、-20dB带宽分别为0.32nm、0.46nm和0.92nm。与同类探测器相比,该器件具有高量子效率,窄光谱响应线宽,其光谱响应具有良好的平顶陡边特性。4.设计了单片集成长波长四镜三腔光探测器并参与了器件的制备,首次在GaAs衬底上成功的集成了GaAs/AlGaAs DBR的FP腔滤波器、隔离腔结构和InP基的光探测器。数值模拟表明,该探测器在中心波长附近具有高量子效率、窄光谱响应线宽。实际制备的器件在1550.3nm处获得了58.47%的量子效率,其半峰值宽度(FWHM)为0.78nm。针对器件实际响应出现的量子效率降低和旁瓣等现象进行了分析。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-16
  1.1 论文的研究意义  11-13
  1.2 论文结构安排  13-14
  参考文献  14-16
第二章光波分复用系统及其解复用接收技术  16-42
  2.1 WDM技术发展状况综述  16-18
  2.2 WDM系统解复用接收技术现状  18-23
    2.2.1 WDM系统中的解复用技术  18-22
    2.2.2 WDM系统中的接收技术  22-23
  2.3 新型WDM集成解复用接收技术  23-37
    2.3.1 RCE型光探测器原理  23-32
    2.3.2 平行三镜结构  32
    2.3.3 四镜三腔型光探测器  32-33
    2.3.4 一镜斜置三镜腔探测器  33-35
    2.3.5 具有双半波滤波器结构的探测器  35-36
    2.3.6 双半波滤波器加斜镜结构探测器  36-37
  2.4 本章小结  37-38
  参考文献  38-42
第三章用于光器件中的DBR与FP腔的原理  42-57
  3.1 DBR基本理论  42-51
    3.1.1 DBR的基本原理  42
    3.1.2 传输矩阵法  42-44
    3.1.3 DBR的基本特性  44-45
    3.1.4 DBR的其他特性  45-51
  3.2 FP腔基本理论  51-55
    3.2.1 FP腔原理  51-54
    3.2.2 基于DBR的FP腔  54-55
  3.3 本章小结  55-56
  参考文献  56-57
第四章具有可变滤波腔长的RCE型平顶陡边光探测器  57-71
  4.1 研究背景  57-58
  4.2 器件结构与工作原理  58-62
    4.2.1 器件结构  58-59
    4.2.2 平顶陡边响应的实现  59-62
  4.3 结果与讨论  62-63
    4.3.1 滤波特性  62-63
    4.3.2 量子效率  63
  4.4 关键参数对器件性能的影响  63-68
    4.4.1 DBR反射镜的反射率对响应曲线的影响  63-66
    4.4.2 滤波腔的厚度变化对响应曲线的影响  66
    4.4.3 调谐腔的长度对响应曲线的影响  66-67
    4.4.4 吸收腔的厚度对响应曲线的影响  67-68
  4.5 与同类器件的比较  68-69
  4.6 本章小结  69-70
  参考文献  70-71
第五章吸收腔P区厚度渐变的RCE型平顶陡边光探测器  71-77
  5.1 研究背景  71
  5.2 器件结构与工作原理  71-73
    5.2.1 器件结构  71-72
    5.2.2 工作原理  72-73
  5.3 结果与讨论  73-75
    5.3.1 量子效率  74
    5.3.2 高速响应特性  74-75
  5.4 与同类器件的比较  75
  5.5 本章小结  75-76
  参考文献  76-77
第六章四镜三腔光探测器的研制  77-92
  6.1 研究背景  77
  6.2 理论分析  77-81
    6.2.1 器件模型及分析  77-79
    6.2.2 器件结构及数值模拟  79-81
  6.3 材料生长及器件制备  81-86
    6.3.1 材料生长  81-82
    6.3.2 器件制备过程  82-86
  6.4 实验测试及结果分析  86-90
  6.5 本章小结  90-91
  参考文献  91-92
致谢  92-93
攻读硕士学位期间发表的论文目录  93

用于WDM系统的新型平顶陡边光探测器的研究

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