论文部分内容阅读
随着移动互联网和大数据的迅速发展,全球数据业务呈现爆炸式增长,人们对网络带宽的需求也在飞速增长。为了适应这一需求,光纤通信系统持续向高速、大容量、长距离的方向发展。光探测器和激光器作为光纤通信系统中的核心器件,其性能的优化对光纤通信系统的发展起着至关重要的作用。针对光纤通信所使用的3个低损耗“窗口”:850nm波段、1310nm波段和1550nm波段,本论文提出并优化了一种新型宽光谱高速光探测器,使其能在从850nm到1550nm宽光谱范围内都能有良好的带宽和响应度。目前光纤通信中1550nm激光器多为InP基InGaAsP激光器,但InP材料成本较高,集成电路(IC)技术发展较不成熟,而GaAs材料价格相对较低,电学性能优良,集成电路技术更成熟。通过InP/GaAs异变外延生长的方式将InP器件良好的光学特性和GaAs材料的良好电学性能结合在一起可以极大地促进光电集成(OEIC)的发展。本论文以此为出发点,对GaAs基1550nm InP激光器的外延生长、外延材料的性能表征和器件的制备及测试进行了深入研究。本论文主要研究内容和创新如下:1、理论研究了 PIN光探测器的基本原理及性能参数,建立了光探测器的二维仿真模型,分析了光探测器各层厚度和掺杂浓度对其带宽和响应度的影响。2、提出并优化了一种新型宽光谱高速光探测器外延层结构。通过在顶部外延层采用带隙较宽的In0.52Al0.48As的方法,解决了传统InP基光探测器工作在短波长时由于顶部InP层表面复合现象导致的带宽和响应度急剧下降的问题。理论研究显示,在反偏电压为3V的条件下,有源区面积为20μm~2时,器件的3dB带宽在850nm、1310nm和1550nm波长下分别达到62.5GHz、61.7GHz和60.3GHz,对应的响应度分别为0.459A/W、0.517A/W和0.41A/W。器件在从850nm到1550nm宽光谱范围内都有良好的带宽和响应度。3、实验研究了 InP/GaAs异变外延生长。采用两步法生长方式,并利用超晶格和循环退火,在GaAs衬底上生长了高质量的InP外延层,经实验测得位错密度低至1.4×107cm-2左右。4、与人合作成功制备了 GaAs基InGaAsP激光器。P电极宽度为50μm、腔长500μm的宽接触条形激光器室温下实现脉冲激射,脉冲测试阈值电流为476mA,单边斜率效率为0.15mW/mA,注入电流为700mA时输出光谱的峰值波长为1549.5nm,在准连续模式下连续工作2000小时以上。条宽为30μm、腔长500μm的宽条激光器在室温下实现连续激射,阈值电流为326mA,阈值电流密度为2.07kA/cm~2,加速老化测试结果计算得激光器的寿命在1400小时以上。