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1、华中科技大学 硕士学位论文 光通信用不同增益材料雪崩光电二极管的研究 姓名：莫秋燕 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：赵彦立 2011-01-03 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 摘 要 本论文主要研究雪崩光电二极管(APD)的频率响应及接收机的噪声和灵敏度特 性。吸收层、渐变层、电荷层和倍增层分离结构雪崩光电二极管(Separate Absorption, Grading, Charge and Multiplication Avalanche Photodiode)，即 SAGCM-APD，包括 InP
2、/InGaAs(磷化铟/铟镓砷)、InAlAs/InGaAs(铟铝砷/铟镓砷)和 Si/Ge(硅/锗) SAGCM-APD 是光通信领域近年来研究的热点。随着传输速率的不断提高，光接收 机的噪声及灵敏度特性的研究变得尤为重要。本论文建立 APD 的等效电路模型，利 用 PSPICE 仿真软件，对 APD 与跨阻放大器 TIA 组成的光接收机的噪声特性进行仿 真，并对 APD-FET(场效应管)组件的灵敏度特性进行了探讨，通过仿真，总结出不 同材料的 APD 及其结构参数变化对光接收机的噪声及灵敏度特性的影响。 最后，本论文应用 APD 的频率响应电路模型，系统地研究了不同倍增材料，包 括 In
3、P、InAlAs 和 Si，以及正入射、波导型和谐振腔型结构的 APD 的频率响应特性。 进一步分析了 APD 吸收层厚度、光敏面大小、寄生参数、入射方向、电压等各项参 数对带宽的影响。仿真结果表明：Si/Ge APD 与其他两种材料 APD 相比，具有明显 的优越性；波导与谐振腔结构比正入射结构的 APD 性能更佳。本文所研究的电路模 型可以直接应用在电路模拟软件中，相比简单的 APD 模型，该模型更接近 APD 的 实际性能，对 APD 的结构优化设计具有重要的指导意义。 关键词关键词： APD 噪声 灵敏度 频率响应 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学
4、 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The paper study the frequency response, noise and sensitivity characteristics of avalanche photodiodes(APD). Recent years, separate absorption, grading, charge and multiplication avalanche photodiodes (SAGCM-APD), including InP/InGaAs 、 InAlAs/InGaAs and Si/Ge SAGCM-APD, dra
5、w a lot of attention in the field of optical communication. As optical communication systems push toward multigigabit per-second transmission rates, the noise and sensitivity characteristics of these APDs has become a critical issue. In this paper, using PSPICE software, noise and sensitivity charac
6、teristics has been studied systematically for APDs with different materials including InP/InGaAs, InAlAs/InGaAs and Si/Ge APD. Finally, the relation between the structure parameters of APD and noise and sensitivity of APD. The results is helpful to the design optimization of APD. In this paper, on b
7、asis of the circuit model, frequency response has been studied systematically for APDs with different materials including InP/InGaAs, InAlAs/InGaAs and Si/Ge APD and different structures such as normal incidence, waveguide and resonant. The effect of the thickness of the absorption layer, photo-sens
8、itive area and parasitic parameters incident direction and voltage on frequency response has been addressed to APD. The simulation is in good agreement with the experiment, and compare with other materials, Si/Ge APD is the most promising candidate for high performance optical communication system,
9、and waveguide and resonant APD has obviously advantage. In addition, our circuit model can be applied for circuit simulation software. Compared with simple circuit model of APDs, our circuit model is closed to the real APDs performance, it is helpful to the design optimization of APD. Key word: APD
10、noise sensitivity frequency response 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大
11、学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 光纤通信的发展 光纤通信的发展 表 1-1 光纤通信的发展 1966 年 高锟博士科学地预言了制造通信用的超低损耗光纤的可能性 1970 年 美国康宁公司研制出损耗为 20dB/km 的石英光纤
12、GaAlAs 异质结半导体激光器实 现室温下连续工作 19721973 年 第一条速率为 44.7Mbit/s 的光纤通信系统在美国亚特兰大产生 1976 年 1300nm 单模光纤通信系统迅速发展 80 年代 波分复用系统、相干光通信系统、光纤放大器成为研究热点，掺铒光纤放大器 (EDFA)问世 80 年代末 2.5Gbit/s，10Gbit/s 的系统相继实用化 90 年代 密集波分复用技术(DWDM)问世 目前 WDM 全光通信 光纤通信的发展如表 1-1。 光纤通信系统分为发射、 传输和接收三个部分， 图 1-1 是光纤通信系统的基本框图。图中：光源提供原始电信号，光调制器将电信号转为
13、 光信号，光接收机接收从光纤传输过来的光信号，并将光信号转为电信号，再由解 调器将电信号转换为适合信道传输的信号，其中的光探测器是一个至关重要的器件。 图 1-1 光纤通信系统基本框图 光纤通信的优点1： (1) 高带宽 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 光载波频率为 1013-1015Hz，射频波段频率大约 106Hz 左右，微波频率是 1010Hz， 而传输系统的承载能力与发射信号的载波频率成正比，所以光纤传输能产生比一般 传输系统大的传输带宽。 (2) 低传输损耗 石英光纤在 1550nm 波长处的传输损耗已可以做到 0.
14、2dB/km，甚至达到 0.15dB/km。 (3) 平面波导结构 以二氧化硅为原材料制成的光钎是绝缘体，所以不会产生任何电磁波和高的雷 电电流，抗干扰性强。 (4) 信息安全，小尺寸和重量轻 1.2 光探测器 光探测器 光电探测器作为光接收机的重要组成部分，其主要功能是将接收到的光信号转 变为电信号。一般在光纤通信系统中，光发射机发射出来的光信号功率偏低可能只 有毫瓦级，再经过长距离的光纤线路传输，光信号会继续减弱或畸变，能到达光接 收机的光信号就很微弱了。因此能起到解调和放大功能的光探测器就成了光接收机 中一个关键的器件。光通信系统中一般对探测器的要求如下1： (1) 为了提高探测器与光纤
15、的耦合率，探测器的尺寸大小要与低损耗的光纤匹 配，并且容易封装。 (2) 在光源的工作波长范围内要有足够高的灵敏度。 (3) 足够小的响应时间（足够大的带宽） 。 (4) 引入的噪声要低。 (5) 不易受外界的影响。 现在普遍使用的光电探测器是利用光电效应原理工作的2，如 Si 光电二极管、 PIN 光电二极管及雪崩光电二极管 APD 等。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)的发展的发展 相对于 PIN 光电二极管需要 5-10V 的偏置电压，雪崩光电二极管 APD 需要 30-70
16、V 甚至更高的偏置电压， 设计偏置电压的电路就比较复杂， 且 APD 还具有内部 增益，因此会随之产生剩余噪声，使其噪声比 PIN 大。但 APD 正因为具有较高的内 部增益和响应度，大大提高了器件的信噪比和灵敏度，所以 APD 具有更高的灵敏度 而成为光接收系统的首选器件。通常应用的 APD 按对应的波长划分主要有三种3， 即Si-APD、 Ge-APD和InGaAs-APD。 在光纤通信系统中， Si-APD用于探测790-900nm 范围光波波长。在 1000nm-1400nm 波长范围内，由于二氧化硅光纤损耗极低（约小 于 1db/km） ，且会出现脉冲色散。在 1310nm 波长附近，这种光纤有最低的损耗和色 散。由于 InGaAs 材料在 1000nm-1400nm 波长范围的吸收系数在 104cm-1，其制作的 APD 用来探测 1000nm-1400nm 波长范围的光更具有相对高的响应度和灵敏度， 所以
