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摘 要

最近几年，光通信已经成为信息技术革命的奠基石，而单片光电集成是实现高速大容量通信的唯一出路，光互连可以最大限度的消除由于外界电磁干扰和模块间封装互连所引起的噪声影响。同时，光电集成器件与分立封装的光电组件相比，还具有体积小、寄生效应低、成品率高、性能优越和可靠性高等诸多优点。

本文中主要简单介绍了光接收机的发展现状和应用前景，并针对光接收机最前端的器件光电探测器进行研究。文中首先介绍了光电转换和探测器的工作原理，并对现在市售光电探测器的类型做了简单探究，为探测器选型确定方法。在制作工艺上，使用标准CMOS工艺是降低光电探测器成本的一个良好办法，文中针对几种典型的CMOS工艺下光电探测器的物理结构进行了分析，调研各种结构的优缺点，了解量子效应、响应度和结电容与物理结构之间的关系，并对不同结构使用软件进行仿真以探究其带宽特性。其中最大的带宽能达到8GHz左右，并针对这种结构探究了其响应度，瞬态等方面特性。最后讨论了几种常用建模方法，并利用Matlab软件对该结构进行拟合建模，得到关于其频率特性的高斯建模表达式，且各方面误差均较小。

关键词：光电探测器，光接收机，CMOS工艺，带宽特性，雪崩光电探测器

Abstract

In recent years, optical communication has become a cornerstone of the information technology, and the only way to achieve high-speed and large-capacity communications is the monolithic OEIC. Optical interconnects can eliminate external electromagnetic interference and inter-module package interconnect which results in noise. Beside, compared to discrete packaging optoelectronic components, optoelectronic integrated device has many advantages, such as small size, low parasitic effects, high quality, superior performance and high reliability.

In this paper, it is introduced in the first section about the current situation and prospect of development of the first component of the optical receivers, photodetector. And some researches are made about the photodetector devices. In this paper it illustrates some basic mechanisms of photo detection and how the photodetector works. Some comparisons are made between the current commercially available photodetectors. In the production process, using a standard CMOS technology is a good way to reduce the cost. This paper analyses the physical structure of several typical CMOS compatible photodetectors and compares their advantages and disadvantages considering the close relationship between quantum effects, responsivity and junction capacitance and different structures. Meanwhile, ATLAS simulation software is used in this paper to explore the bandwidth of whose structures. The biggest bandwidth can reach 8 GHz and some analysis is made for this structure to explore its characteristics. In the final section of this paper, some common modeling methods are discussed. And a mathematical model is proposed for this structure’s bandwidth by using the Matlab software.

KEY WORDS: Photodetector, OEIC, CMOS technology, bandwidth, APD

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 光接收系统简介 2

1.3 光接收机的发展现状 2

1.4 光接收机的未来展望 3

第二章 光电探测器的基本原理及性能参数 5

2.1 常用光电探测器 5

2.1.1 MSM探测器 5

2.1.2 PIN探测器 6

2.1.3 APD雪崩光电探测器 7

2.2 光电探测器的物理效应 8

2.3 常见光电探测器的基本原理 9

2.4 光电探测器的性能参数指标 12

2.4.1 响应度 13

2.4.2 本征带宽 13

2.4.3 光电流与暗电流之比 13

2.4.4 噪声 14

2.4.5 等效结电容 14

第三章 光电探测器结构仿真 15

3.1 仿真软件简介 15

3.2 几种探测器结构比较 15

3.2.1 基本CMOS兼容的硅光电探测器 15

3.2.2 CMOS工艺下空穴注入型和电子注入型硅雪崩光电探测器 18

3.2.3 硅基雪崩光电探测器 22

第四章 光电探测器的拟合与建模 27

4.1 数据拟合概述 27

4.2 几种拟合方法简介 27

4.2.1 拉格朗日插值法 27

4.2.2 牛顿插值法 27

4.2.3 最小二乘法 27

4.2.4 信赖域算法 28

4.3 带宽特性的拟合 29

第五章 总结与展望 33

参考文献： 34

致谢 35

绪论

1.1 研究背景

自从英国科学家W.R.Smith在1873年发现了硒的光电导效应以来，光电探测器的研制与发展取得了飞速的进步，其光谱范围也相应的向短波和长波不断延伸，响应度得到不断地提升。上世纪50年代末期，Kirby发明了硅基微电子集成电路（Integrated Circuit, IC）,这是一项影响人类社会的革命性技术，对人们的生活方式产生了深刻的影响。60年代，Alferov和Kroemer在III-V半导体异质结构技术方面取得了创新性的成就，进而创立了现代异质结构物理学和电子学，同时也为光电子技术的发展打下了坚实的基础^[1]。到80年代中期，出现了基于导带跃迁的新型光电探测器——量子阱探测器，这种探测器可以工作于8-12um的远红外波段。随着光信息处理技术的快速发展，元器件的灵敏度、响应度、稳定性等方面也面临着更高的要求，考虑到电路和器件本身的物理限制，早期已有的探测器已经难以同时满足以上多方面的要求，实现高速大容量通信的唯一出路就是单片光电集成。光电集成器件与之前分立封装的光电器件相比具有许多优点，例如体积小、寄生效应低、成品率高、性能优越和可靠性高等^[2]，很好的迎合了光通信的发展需求，已经成为现在光通信和光电子领域的前沿研究热点和重大课题。

随着光电探测器性能的不断提高，其种类也变得越来越多，光电探测器的测试与定标方法也一直随着时代在发展。英国NPL实验室建立的光电探测器绝对光谱响应定标标准^[3]，覆盖的光谱范围是20nm-400um，其测量的不确定度为10^-4-10^-2。美国实验室建立了可见光及红外波段和近红外波段的高精度光谱响应定标标准^[4]。与此同时，中国国家计量科学院通过低温辐射计建立了488nm-786nm的可见光波段的绝对光谱响应定标标准^[5]。全球市场有许多厂商都致力于研究和生产光电探测器设备，例如美国的TEK公司、海洋光学公司，日本的滨松半导体公司，国内的九星电子公司、背景卓立汗光一起有限公司等，但市场上的这些设备大多数只注重于单种探测器类型。

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