面向50 Gbps及以上光通信应用的新原理高速雪崩光电二极管的研究

摘要

从二十一世纪开始，光通信技术日渐成熟，信息交互需求也与日俱增，因此，光通信系统必须不断地提高自己的承载能力和处理能力。在二十一世纪初，通信系统对光通信芯片提出的要求是4×10Gbit/s，到了2007年，这一要求便被提升到了4×25G bit/s，从2014年以来，4G网络已经普及化，传统的25Gbps的光通信芯片已经不能满足系统的需求，这时就需要研发出大于40Gbps，甚至大于50Gbps的芯片来填补这一空白。
　　雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode,APD）因为具有高响应度的特点，在接受模块中被广泛应用。在APD中，空穴和电子参与碰撞离化，产生后续的空穴或电子。在电压较高的情况下，倍增区内的碰撞离化进行地更剧烈，产生的增益更高，但是APD的响应时间也更长；如果降低APD两端所加的电压，APD的响应速度得到了提升，但是牺牲了增益数值。因此，在APD中存在着增益-带宽积的限制瓶颈，传统的采用InP或InAlAs作倍增层的APD的极限增益-带宽积分别在80~120GHz和105~160GHz之间，这两种结构的APD很难满足大于50GHz光通信的要求。除了雪崩建立时间之外，限制APD往更高速发展的因素还有RC常数、载流子渡越时间、材料的等效k值等等，因此，本文将要从多个角度出发，探寻使APD突破50G带宽的新原理及新方法。
　　在本文中，提出了采用三维结构倍增区来提升APD带宽的方法，为了给新的结构提供理论支持，在本文中完善了三维Dead Space理论，通过分析不同电场线上的碰撞离化过程并优化电场分布，极大地提高了APD的响应速率。在分析APD的过渡层附近的空穴陷阱效应时，考虑了载流子的波动性质，并将离散化薛定谔方程引入APD模型中分析空穴的透过率，为了融合热发射模型和共振隧穿模型，提出了“修正发射系数”的概念，使得本文中提出的模型能够直接套用在已有的等效电路模型中，新的模型与本文中的实验结果拟合情况良好，借此模型选取APD最优的过渡层厚度，在原有基础上将APD的响应速度提升了30％左右。除此之外，本文还研究了利用施加动态偏压的方法提升APD增益-带宽积的方法，通过对比各种类型动态偏压波形，得出了能最大化抑制脉冲拖尾的驱动电压形式，另外，本文还介绍了利用谐振腔结构增强吸收层量子效率并降低渡越时间的方法以及采用含锑化物倍增层提高APD增益-带宽积的方法，最终对这些方法进行了综合地对比和考量，最终提出了能够实现APD大于50Gbps速率传输设计方案。

目录

声明

1 绪论

1.1 APD发展综述

1.2 国内外研究近况

1.3 研究背景和研究目的

1.4 本论文的主要工作和内容安排

2 抑制空穴陷阱效应提升APD的响应速率

2.1 空穴陷阱效应简介

2.2 空穴陷阱效应全面理论分析

2.3 包含空穴陷阱效应的APD等效电路模型分析

2.4 空穴陷阱效应的实验测试

2.5 高速APD最优过渡层结构设计方案

2.6 本章总结

3 利用三维倍增区来提升APD速率

3.1一维Dead Space模型

3.2 三维Dead Space模型

3.3 利用三维倍增区结构提升APD带宽

3.4 本章总结

4 利用外加动态偏压提升APD的响应速率

4.1 动态偏压探测器简介

4.2 和寿命相关的Dead Space模型

4.3 动态偏压APD的增益和带宽计算

4.4 结果与讨论

4.5 不同偏置电压类型结果的比较

4.6 总结

5 50Gbps及以上速率APD最终设计方案

5.1 其他提升APD响应速率的方法

5.2 各种方案间的比较

5.3实现大于50 Gbps APD的最终设计方案

5.4 工艺可行性分析

5.5 本章总结

6 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录一 攻读博士学位期间发表论文情况说明