【摘 要】
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随着光通信系统规模的不断扩大、传输速率的不断提高以及通信容量的不断增加,具有高量子效率和高响应带宽特性的光探测器（Photodetector,PD）成为人们研究的焦点。研究者们已经提出了许多方案来提升光探测器的性能。例如,可以通过减小吸收区的面积以及延长耗尽层的长度来减少电容或减少吸收区的厚度来缩短载流子的输运时间等方式来提升光探测器的带宽。研究表明,入射光场的分布会对光探测器的内部电场与载流子分
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随着光通信系统规模的不断扩大、传输速率的不断提高以及通信容量的不断增加,具有高量子效率和高响应带宽特性的光探测器（Photodetector,PD）成为人们研究的焦点。研究者们已经提出了许多方案来提升光探测器的性能。例如,可以通过减小吸收区的面积以及延长耗尽层的长度来减少电容或减少吸收区的厚度来缩短载流子的输运时间等方式来提升光探测器的带宽。研究表明,入射光场的分布会对光探测器的内部电场与载流子分布产生影响,从而影响光探测器的性能。为了提升PD的性能,本论文将借助光束整形技术来改变入射光场的分布,从而得到期望的光场分布。论文主要围绕亚波长光栅完成了新型光束整形器结构的研究,具体的创新和研究成果如下:1.研究了光探测器和光束整形的相关理论,并重点研究分析了亚波长光栅的基础理论和特性,如波前相位调制特性和宽带高透特性,总结了光栅光束整形器的设计方法。2.提出了具有光束平顶化功能的条形周期衍射光栅光束整形器。在1550nm波长处,以束腰半径为4.2μm的高斯光作为光源,可以获得直径为5.1μm的平顶光斑,透射率超过98%,对偏振光不敏感。通过对不同周期的条形衍射光栅进行仿真,发现输出平面上平顶光斑的直径与条形衍射光栅的周期成正比例关系。3.设计了具有汇聚功能的条形非周期亚波长光栅光束整形器结构。在1550nm波长处,以TM偏振光为光源并垂直入射,该结构的透射率为92%,焦距为20μm,焦平面内光束的半高宽为0.89μm。在1500nm至1700nm波段内,透射率高于80%,焦平面内光斑尺寸基本保持不变。4.利用环形亚波长光栅与条形亚波长光栅之间的对应关系,设计了具有汇聚功能的同心环亚波长光栅光束整形器。在1550nm波长处,以径向偏振光为光源并垂直入射,该结构的透射率为74.5%,焦距为20μm,焦平面内光束的半高宽为2.15μm。5.设计了具有汇聚功能的二维块状非周期亚波长光栅光束整形器,解决了偏振敏感问题。在1550nm波长处,该结构的透射率为89.35%,焦距为5.8μm,焦平面内光束的半高宽为1.23μm。在波段1500nm至1900nm内,该结构能够达到较好的光束汇聚和光束整形的效果。6.设计了不同入射光分布下PD性能的测试实验方案,并与他人共同搭建了不同入射光分布对PD性能影响的实验测试系统。在反向偏压为3V和入射功率为0.61mW时,在直径为70μm的器件上分别测得垂直入射和斜入射时PD的3dB带宽约为11.29GHz和10GHz,相比斜入射的方式垂直入射时器件的带宽提高了 12.9%。
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