【摘 要】
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在光纤通信系统中,光电探测器是关键元器件,其性能决定了整个系统的传输距离和传输容量。尤其在光外差法产生毫米波系统中,需要使用高速高功率光电探测器将光信号转换成毫米波信号。迄今为止,在已被报道的光电探测器中,响应带宽虽然可以高达太赫兹波段,但探测器输出的毫米波信号功率仅在毫瓦量级,传输距离只有几米。因此,在无线通信系统中不得不接入跨阻抗功率放大器放大功率,提高传输距离,但是,放大器的使用会降低系统的
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在光纤通信系统中,光电探测器是关键元器件,其性能决定了整个系统的传输距离和传输容量。尤其在光外差法产生毫米波系统中,需要使用高速高功率光电探测器将光信号转换成毫米波信号。迄今为止,在已被报道的光电探测器中,响应带宽虽然可以高达太赫兹波段,但探测器输出的毫米波信号功率仅在毫瓦量级,传输距离只有几米。因此,在无线通信系统中不得不接入跨阻抗功率放大器放大功率,提高传输距离,但是,放大器的使用会降低系统的响应带宽和引入噪声。于是,本文设计了一种混合共面行波光探测器（HCTWPD,Hybird-Coplanar Traveling-Wave Photodiodes）,采用了定向耦合光波导结构改善光电流分布不均匀的问题,引入单行载流子结构,并对波导和电极进行设计实现行波结构提高探测器的响应带宽和输出功率。本文主要围绕HCTWPD展开了研究,取得以下成果:1、通过有效折射率法和商业软件Rsoft分析了有源光波导（有源波导和有源定向耦合波导）中的模式。特别地,有源层厚度为0.12μm(Eymn模)或0.14μm(Exmn模)时光吸收效率最大。耦合层厚度为0.08-0.10μm的有源定向耦合波导中光功率分布最均匀。2、提出了两种模斑转换器,即双锥形模斑转换器和锥形模斑转换器。通过商业软件Rsoft模拟设计,确定了两种模斑转换器的结构和耦合效率。上锥形波导长为1250μm、下锥形波导长为1000μm的双锥形模斑转换器的模式转换效率为83%;长度为800μm的锥形模斑转换器的模式转换效率为90%。3、根据单行载流子理论设计了混合共面行波光探测器的外延层结构。运用传输线理论分析了混合共面行波光探测器,得到了4组满足阻抗匹配条件的本征层厚度和波导脊宽度,同时,计算了电相速度和衰减常数,并运用商业软件CST模拟了特征阻抗。接着,运用半导体软件Silvaco ATLAS模拟了混合共面行波光探测器的光电特性。分析了探测器中光生电子漂移时间限制的带宽与本征层厚度的关系,饱和输出光电流约为332 m A,光电响应度约为1.12 A/W,外量子效率约为88.7%。4、研究了混合共面行波光探测器的速度失配脉冲响应和频率响应,通过渡越时间限制的带宽和速度失配限制的带宽得到了探测器的总带宽约为83.205 GHz。最后,利用光外差法分析了混合共面行波光波导探测器小信号模型。
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