新型单片集成平衡探测器相关基础研究

Ballanced Photodector play an important role in high-performance radio-frequency (RF) photonic systems due to their capability to suppress laser relative intensity noise (RIN) and amplified spontaneous emission noise from erbium-doped fiber amplifiers. It can reduce the RF loss, then increase the SN ratio and the spurious free dynamic range(SFDR) by increasing the optical carrier power, which can be applied in remote antenna, optical phased array antenna system, photonic generation of microwave and millimeter-wave, and optical ocilator. Ballanced PD can also be applied in demodulation of DPSK signal and optical coherent receiver. The research of the project includes: uni-traveling carrier photodetectors with high saturation power, compact multimode interference (MMI) coupler, evanescently coupled waveguide and RF circuits design. The balanced PD will hopefully be manufactured with bandwidth over 25GHz, common mode rejection ratio (CMRR) over 25 dB and the the responsivity of each individual detector over 0.75A/W.

平衡探测器可以抑制激光器的相对强度噪声（RIN）和EDFA的放大自发辐射噪声（ASE）；可以通过增加光载波功率的方法来减小RF插损并提高外调链路的噪声特性和无寄生动态范围（SFDR），从而提高模拟光链路的性能，在天线遥控、光相控阵天线、光生微波和毫米波、光学振荡器等方面有重要应用。平衡探测器还可用于高速数字光纤通信中新型调制格式DPSK的解调以及相干通信系统的接收。本课题围绕平衡探测器的设计和制作开展研究：研究高饱和的单行载流子探测器，超紧凑型的锥形多模干涉仪以及倏逝波耦合的单片集成技术以及射频电路匹配技术，其预期研究目标是研制出超紧凑型单片集成器件：平衡模式下集成器件的3dB响应带宽大于25 GHz；同模抑制比（CMRR ＝(IPD1-IPD2)/(IPD1+IPD2)）大于25dB；探测器响应度大于0.75 A/W；器件3V反向偏压下探测器暗电流小于10nA

平衡探测器作为相干光通信系统的核心器件，与普通的单探测器构成的接收机相比可以抑制热噪声和散粒噪声，提高系统的灵敏度并可以消除环境温度的起伏对探测器灵敏度的影响，提高接收系统性能。单片集成平衡探测器具有体积小，重量轻，性能稳定的特点。 .本课题组围绕单片集成平衡探测器开展了深入的研究，开发了基于非对称双波导结构技术（ATG）和共下波导准对接技术（QBJ）的单片集成平衡探测器的材料生长技术，实现了ATG结构中包括缓冲层在内的21层外延结构，厚度超过5μm的无应变材料结构生长，其中包括渐变掺杂的吸收层。完成了共下波导浅脊对接结构的单片集成平衡探测器（QBJ-BPD）的材料生长及波导上盖层的二次外延生长，包括不同组分及不同掺杂类型的材料结构6层，厚度约1.35μm的无应变材料结构生长，满足器件设计和工艺要求。. 开发了ATG和QBJ两种探测器与无源波导单片集成技术，完成了高性能分立器件以及集成器件的仿真设计以及工艺优化；完成了ATG以及QBJ集成方案的平衡探测器的设计与制作，制定了详细工艺流程。实现了多模干涉仪（MMI）与双探测器集成的平衡探测器原型器件。 . 建立了高速探测器的测试平台，实现了探测器的暗电流、串联电阻、结开启电压，探测器的响应度，饱和特性测试以及探测器的高频性能测试。 . 基于ATG集成方案的探测器具有较高的响应度，达到0.68A/W，考虑到光纤的耦合损耗，响应度估计可达0.8A/W，偏振相关损耗低于1.47dB；基于QBJ的集成方案的探测器响应度达到0.52A/W，3dB带宽大于18GHz。通过减少吸收层厚度，3dB带宽可以达到30GHz。. 通过单片集成平衡探测器的研究，拓展了课题组基于InP光子集成技术平台，特别是QBJ单片集成技术，与课题组现有激光器、光放大器、调制器、布拉格反射器和相位调制器等工艺兼容，为实现更大规模的集成奠定了基础。基于该课题研究的成果，目前正在研究高速探测器与放大反馈双模激光器的单片集成，以实现光电震荡器的片上系统。