论文摘要
本论文的工作是围绕任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”（项目编号:2003CB314900）、任晓敏教授承担的教育部高等学校博士学科点专项科研基金“基于RCE光探测器和HBT的单片集成（OEIC）高速光接收模块”（项目编号:20020013010）以及黄永清教授和黄辉副教授分别承担的国家高技术研究发展计划（863计划）“高性能InP基、GaAs基谐振腔增强型长波长光探测器”（项目编号:2003AA31G050）、“自主创新WDM集成解复用光探测器和关键工艺研究”（项目编号:2003AA312020）等项目展开的。随着光纤通信技术的迅速发展,带宽需求不断增大,光纤通信正向以智能化、集成化、低成本和高可靠性的新一代光通信网络演进。光电集成器件较分立封装的光电组件具有尺寸小、光电连接产生的寄生效应低、成本低、性能优越和可靠性高等诸多优点,满足了光通信进一步发展的要求,因此成为全世界光通信和光电子领域所关注的研究热点。在任晓敏教授的精心指导下,作者就InP基PIN光探测器和HBT分立器件的基本理论、测试理论、建模理论、制作工艺以及单片集成光接收机的前端电路和工艺展开了深入细致的研究工作,并取得以下研究成果:一、在PIN光探测器方面1.在光探测器的测量方面,提出了一种更为完备的光外差法测量光探测器高频响应的校准方法,该校准方法可以同时消除额外夹具和激光器的输出波动对测量结果的影响,测量精度得以大幅提高;提出了一种更为完备的扫频法测量光探测器S21参数的校准方法,该校准方法利用流图分析,全面考虑并去如端口间反射以及夹具响应等误差因素,测量精度得以明显提高;建立了光探测器的自动光谱响应测试系统,该系统无需复杂的聚焦系统和光强均匀化设备,即可以准确获得光探测器的绝对量子效率。2.提出了利用螺旋电感提升光探测器频率响应的方法,理论和初步试验的结果表明在不减少光探测器有源区面积的情况下,通过增加光探测器输出端电感可以降低由光探测器结电容带来的频率响应限制,从而提升光探测器的频率响应。3.采用遗传算法完成了分立PIN光探测器小信号等效电路模型的参数提取,克服了以往单一利用软件提取光探测器模型的限制。提出了一种自适应遗传算法,该算法根据个体适应度和种群适应度均值的相对关系自动调节交叉概率和变异概率,克服了传统遗传算法容易出现的局部极值的问题,提高了计算效率和准确度。4.利用本实验室的工艺线,参与完成了分立InP基PIN光探测器的制备。在台面面积为22×22μm2的情况下,PIN光探测器3dB带宽达到15GHz。二、在HBT分立器件方面1.提出了一种通过测量HBT芯片PAD处于开路、短路状态下的S参数来去除PAD寄生效应的方法,该法使建立的模型更接近真实的器件特性,为后续集成器件的仿真提供了可靠的保障。2.采用所提出的自适应遗传算法完成了分立HBT的小信号等效电路模型的参数提取。所建立模型的高频特性与实际器件的测量值相吻合,表明所建立的模型与实际器件高频特性相符。3.利用本实验室的工艺线,参与完成了分立InP基HBT的制备。其中采用MBE生长的发射极宽度2μm的InP基HBT,开启电压为0.43V,击穿电压大于2V,直流增益达到100倍,截止频率达到38GHz;采用MOCVD生长的发射极宽度2μm的InP基HBT,开启电压为0.4V,击穿电压大于2V,直流增益为30倍,截止频率达到40GHz。三、在集成器件方面1.设计了多种形式的PIN光探测器+HBT光接收机前端放大电路,并对电路进行仿真和优化。研究发现,HBT的基区电阻的热噪声在光接收机前端放大电路的噪声中起主要作用。2.探讨了利用电感峰化技术提高光接收机前端电路频率响应的方法。研究表明,通过在光探测器和前放电路之间加入适当大小的电感,不仅可以提升整个光前端的传输系数S21,而且可以有效降低HBT基极电阻引起的热噪声,从而使光接收机前端的整体噪声明显下降,从而可以使输出信号的信噪比得到提升。3.针对基于发射极宽度为2μm、3μm的HBT的单片集成光接收机前端电路,完成了集成器件版图的设计。成功研制出PIN光探测器+HBT单片集成光接收机前端电路。光探测器台面面积为22×22μm2,放大电路形式采用跨阻反馈单极共射加输出缓冲电路。在片测试时,探测器加2.5V反向偏压,电路加2V偏压的条件下,测得电路的3dB带宽达到3GHz,跨阻放大倍数达到800。并对RCE光探测器+HBT结构的单片集成光接收机前端进行了初步的实验尝试,此种集成方式有效地解决了共享外延层设计的折衷问题。可以在保证HBT高频性能的同时,显著提高探测器的量子效率。
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