论文摘要
光纤通信技术的飞速发展,对光纤通信系统的灵敏度,响应速率和可靠性提出了更高的要求,分立光电子器件的简单组合已经很难达到理想的效果,具有高速、高度集成特性的光电集成电路(OEIC)成为了研究的热点。分立光电子器件的等效电路模型对于准确模拟OEIC的性能来说是必不可少的,光探测器是OEIC光接收机的关键部分,因而研究光探测器的等效电路模型具有重要的意义。本文建立了雪崩光探测器(APD)的等效电路模型和PIN光探测器等效电路模型,并分别进行了仿真分析与参数提取的研究。首先,本文介绍了光探测器的工作原理,讨论了表征光探测器性能的基本参数,包括响应度、量子效率、暗电流、噪声电流、响应时间和带宽特性等,并详细分析了APD的平均雪崩增益和内部的电场分布,为后续的研究提供了充分的理论依据。然后,基于光探测器的工作原理和性能参数的分析,建立了一种新的APD的等效电路模型,该模型从载流子速率方程出发,引入了暗电流、噪声电流和寄生效应,能够精确反映器件的性能。为了验证模型的准确性,在PSpice软件中建立了APD等效电路模块,并基于该模块仿真分析了APD的基本特性参数,讨论了结构参数对APD性能的影响,研究了APD封装结构参数的优化问题。从分析中我们得到:APD的增益、带宽相互制约,在高增益区增益带宽积约为一个常数; APD的各层结构参数决定了APD的性能,需合理设计各层的厚度才能得到理想的APD性能;在封装结构的优化设计过程中适当选择金丝引线的长度,调整封装寄生电感的大小能够起到提高APD芯片带宽性能的效果。最后,从PIN光探测器的基本的物理结构出发,建立了PIN光探测器的小信号等效电路模型。对自适应遗传算法做了部分改进,并基于matlab软件的遗传算法工具箱(gatbx)编写了自适应遗传算法程序。利用自适应遗传算法程序提取了PIN光探测器等效电路模型元件的参数值,并通过S21参数的测试曲线与计算曲线的比对,证明了参数提取算法的有效性和PIN光探测器等效电路模型的合理性。