硕士电力通信论文范文篇一
第一章绪论
1.1研究背景及意义
新世纪以来，以web2.0为代表的计算机技术以及光纤通信技术快速发展，引发了社会生产力、生产关系上的变革，人类社会进入了信息大爆炸时代。随着社会信息化程度的不断提高，网络流量从1980年以来一直保持着每4年增长10倍左右的发展趋势，这种增长主要由社交网络、云计算和“带宽饥渴”的视频服务所驱动。随着3G和4G网络的迅速发展，视频服务已经成为占用最多带宽的业务，随着3D和超高清格式的出现，这种趋势将继续下去⑴。因此发展超长传输距离、超高传输速率、传输容量巨大的光纤通信系统是信息时代的必然趋势。光电子器件的新技术和新突破会带来光纤通信系统的更新换代。光纤通信系统的飞速发展，对光纤通信系统接收端中的核心器件一光探测器的性能也提出了新的要求，即“高响应度、高带宽和大功率”三大要求。对于半导体光探测器来说，有三大类：1、光敏电阻；2、基于PN结的：pn光电二极管，雪崩光电二极管，光电晶体管和PIN光电二极管：3、基于金属-半导体结的：肖特基势垒光电二极管和MSM光电二极管。将拥有多种功能的、不同材料的微结构光电子器件，通过合理设计布局、封装加工等，便实现了单片集成，集成后的模块在能耗、组装方面大有可为，并且保证了器件的整体可靠性，可以说下一代光纤通信系统发展程度由光电器件集成程度与规模决定。InP材料系统由于其材料特性可以允许几乎所有的无源以及有源光设备和电子设备在单个芯片上进行集成，所以，InP被认为是光子集成电路（PICs)和光电集成电路（OEICs)的理想平台，拥有提高性能、减小占地面积和降低复杂光子器件封装成本的潜力。
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1.2论文结构安排
本论文对用于光通信的PIN光探测器性能优化方法和新型PININ型双吸收层光探测器性能优化方法进行了研究与设计，并进行了 InP基渐变掺杂型PIN光探测器的实验制备与测试。论文结构安排如下：
第一章，简单介绍了本论文的项目依据、课题背景和研究意义，并给出了论文的主要内容和结构安排。
第二章，简单介绍了光纤通信以及光电子集成方面的发展趋势，对用于光通信的PIN光探测器现状进行了相关学术动态了解和总结，并研究了 PIN光探测器的基本原理与常用性能参数，如响应度、高速特性及暗电流，给出了改善PIN光探测器性能的主要途径。
第三章，深入研究了 PIN光探测器高速性能和量子效率的优化设计，分析了能带渐变层和掺杂浓度梯度渐变的引入对探测器性能的影响。建立了可靠的仿真模型并对提出的优化思路进行了仿真和对比，重点分析了探测器的高速特性和量子效率，最终通过优化获得了拥有高性能的PIN光探测器，并对该结构进行了实际生长、制备及测试，对比了实验结果与仿真结果。
第四章，设计了一种新型的PININ型双吸收层光探测器结构，通过仿真对比该结构与传统单吸收层的PIN-PD和PINIP型双吸收层-PD,发现PININ型双吸收层-PD在高速性能以及量子效率方面表现优异，并且制作工艺更简单。最后针对PININ型双吸收层光探测器结构，进行了进一步的性能优化设计。
第五章，对第三章提出的InP基渐变掺杂型PIN光探测器的结构生长过程、外延片质量测试过程以及后工艺制备流程进行了详细介绍和分析，同时完成了成品探测器的暗电流、高速性能和量子效率的测试及结果分析。获得的实测结果与仿真结果较接近，且该器件拥有良好的光伏特性，有望用于未来低功率损耗的光纤通信系统以及高速全光网络中。
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第二章用于光通信的PIN光探测器
2.1光纤通信系统发展趋势
迅速的信息处理、快捷的信息传递以及数据通信量的大爆炸是二十一世纪的时代特征。网络流量从1980年以来一直保持着每4年增长10倍左右的发展趋势，这种增长主要由社交网络、云计算和“带宽饥渴”的视频服务所驱动，图2-1说明了目前带宽需求的巨大。我国有网络规模大、人均带宽低及人口分布极其不均等国情，所遇到的网络扩容、提速、控制能耗的压力也远大于其他国家，现有技术的局限性对我国的影响也更大。这一切都推动着光纤通信系统向着超高传送速率、超长距离以及巨大传输容量这个目标不断努力。光纤通信系统目前正朝着大规模集成化，宽带化，网络高速率化，传输长距离化以及大容量化发展，市场实际需求的不断变化主导了每一代光纤通信系统的发展方向。20世纪六七十年代，低损耗光纤（传输损耗降至20dB/km以下）及室温下持续运转的半导体异质结激光器的成功制作，成为光纤通信发展史上的里程碑，从此光纤通信大发展拉开了序幕。从光纤通信系统进入飞速发展到现在，短短四十余年己经历经了五次升级换代，如图2-2所示。系统中光源历经三代变化，逐步变为拥有优良光频纯度和输出功率的激光器，实现了长波长通信；光纤通过发展转为单模，解决了原本多模的模式色散问题；传输损耗从原本的3dB/km降至O.MB/km提供了更长的中继距离；工作速率也从45Mbit/s提升到l0Gbit/s。放大器以及波分复用技术（WDM)的提出，为光纤通信系统带宽和容量带来了新的飞跃。当前，速率高达40Gbps的光纤通信系统己经在社会中广为使用。未来半导体光放大器（SOA)以及密集波分复用（DWDM)将带来超大传输容量、超高性能的全光网络。
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2.2用于光通信的PIN光探测器研究进展
随着光纤通信系统的飞速发展，对光电探测器的性能也提出了新的要求，现在的光探测器要求实现“高响应度、高带宽和大功率”这三大要求。学者们经过不懈努力提出了多种不同的高性能光探测器，如垂直入射PIN光探测器、共振腔增强型（RCE)光探测器、部分耗尽吸收光探测器、双吸收层光探测器、倏逝波稱合波导光探测器、单载流子光探测器等。垂直入射型光探测器（VPD)可以认为是标准型的光探测器，同时也是结构最简单的光探测器之一，长波长光通信系统中的高性能PIN光探测器大多都采用垂直入射且吸收层材料为InGaAs。图2-4是垂直入射的PIN-PD的平面图和台面刻蚀图，从平面结构中可以看到，本征（也称为V型）的吸收层是生长在n型掺杂的IiiP外延缓冲层上，衬底是n型的InP材料。在器件制备方面，VPD使用单外延层结构，后工艺制备流程较简单，适合大规模的集成且通常拥有较大的受光面积，有利于光与探测器的高效稱合[5]。但是众所周知，VPD吸收层厚度的设计不得不在量子效率和带宽之间权衡。一个较厚的吸收层可以提供较高的量子效率，但同时也延长了载流子的渡越时间从而导致了 3dB带宽的下降。因为这种固有矛盾的存在，当入射光从P面射入时，传统VPD的带宽效率积不会超过20GHz[6j。一些同时具备优秀高速表现和卓越量子效率的改良型VPDs已经被人们提出并证实了，同时这些VPDs可以较好的迎合器件小型化和光电子集成的需求。
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第三章InP基渐变擦杂型PIN光探测器....... 33
3.1渐变掺杂型PIN光探测器设计....... 33
3.2 PIN光探测器的仿真模型....... 35
3.3仿真中所用的材料参数....... 39
3.4 InP基的渐变掺杂PIN光探测器性能....... 44
3.5渐变掺杂型PIN光探测器实验测试结果....... 49
3.6本章小结....... 50
第四章PININ型双吸收层光探测器性能优化研究....... 53
4.1 PININ型双吸收层光探测器的性能分析....... 53
4.2 PININ型双吸收层光探测器性能优化设计....... 58
4.3本章小结....... 60
第五章垂直入射渐变掺杂PIN光探测器....... 61
5.1器件的外延片生长....... 61
5.2外延片的质量测试与分析....... 64
5.3器件的后工艺制备....... 66
5.4器件的性能测试....... 69
5.5本章小结....... 73
第五章垂直入射渐变掺杂PIN光探测器的实验制备与测试
对于半导体光电器件而言，外延片的生长质量和后工艺的处理好坏都会对其性能有着决定性的影响，高水平的外延生长和优良的后工艺技术是保证光器件最终实现高性能的关键本章主要介绍了 InP基渐变掺杂型PIN光探测器的实验制备与器件测试。本人进行了渐变掺杂型PIN-PD的实际外延片生长和外延片的质量测试，其中外延片的质量测试包括了 XRD测试与C-V曲线测试，并对该外延片的质量测试结果进行了分析。本人参与了该外延片的后工艺加工，最后对探测器进行了暗电流、高速性能和量子效率的测试及结果分析。实验室现阶段所具备的条件为：LP-MOCVD (低压金属有机化学气相沉积）系统用于半导体器件的外延片生长；X射线双晶衍射仪（XRD)与电化学CV (NANO METRIC型ECVPRO)设备用于外延片的质量测试；台式勾胶机、型号为H94-25C的掩膜对准曝光机、DQ-500等离子去胶机和型号为JGP450A9的超高真空多功能溅射系统等设备用于器件的后工艺加工；OLYMPUS光学显微镜、Photonetics3642CR00可调谐半导体激光器、高速性能测试平台、量子效率测试平台、40G矢量网络分析仪等用于器件的性能测试。
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结论
本文提出的InP基渐变掺杂型PIN光探测器的结构生长过程、外延片质
