新型低功耗单片集成高速、大功率、高线性光探测器阵列芯片研究

With the rapid development of the information age, the application of optical fiber communication technology has brought great development space for the demand for long distance transmission and broadband mobile access of vast amounts of data which has been growing rapidly. This project would carry out basic researches on the key component of optical fiber communication networks and broadband wireless optical network - monolithic integrated high-speed, high-power, high linearity photodetectors and photodetector array chips, aiming at obtaining high-performance photodetectors for optical fiber communications, wireless communications, and military fields. We propose a novel UTC photodetector array, which contains improved single-heterojunction UTC photodetectors to resolve the nonlinear problems and low frequency noise problems of traditional UTC Photodetectors. Zero-biased and low-biased photodetectors would be designed to lower heating effect and reduce dark current of the devices. Photodetector array is purposed to reduce the absorption layer thickness of each device, thereby increasing the overall array chip frequency response and output power, and furthermore reducing the heat generation effect of the device and ease the design complexity of single photodetectors. Combining those technologies we would realize high-speed, low-power-consumption, high-output-power, high linearity, low noise photodetector array chips. The project is expected to provide new prototype devices and technical solutions for fiber-optic communications networks and broadband wireless optical networks, and will contribute to the development of high performance optoelectronic devices for microwave photonics.

随着信息化时代的到来，人们对海量数据的长距离传输和宽带移动接入的需求日益突显，光纤通信技术的应用为此带来了极大的发展空间。本项目围绕光纤通信网络和宽带无线光网络中的关键器件--单片集成高速、大功率、高线性光探测器及阵列芯片开展基础研究，旨在获得应用于光纤通信、无线通信和军事领域的高性能光探测器。我们提出了新型UTC光探测器阵列，即采用改进的单异质结UTC光探测器，以解决器件低频段的非线性问题和带来的噪声问题；采用零偏压和低偏压设计，降低器件的发热效应并降低器件的暗电流；采用阵列方式，以减小每个器件的吸收层厚度，从而提高阵列芯片整体的高速响应和输出功率，降低器件的发热效应，同时缓解单一器件在设计上的复杂度。最终实现低功耗单片集成高速、大功率、高线性、低噪声光探测器阵列芯片。项目的研究有望为光纤通信网络和宽带无线光网络提供新型原型器件和技术方案，并将有助于微波光子学领域高性能光电子器件的发展。

随着现代社会信息化进程不断加速，网络通信量呈“爆炸式”提高，人们对海量数据的长距离传输和宽带移动接入的需求日益凸显，高速、超高速光纤通信技术及宽带光载无线技术作为解决这些问题的主要方法得到了极大的关注。光探测器作为系统中的核心器件，其性能的优劣对整个光纤通信系统的性能起着关键性作用，特别是具备高速响应和高饱和、大功率特性的光探测器及其阵列器件受到了特别关注。本项目通过器件结构改进和制备工艺的创新，设计并制备了高线性、高速、大功率、低噪声的光探测器阵列芯片及与光栅分束器集成的阵列芯片。项目取得的主要研究成果包括：. 1、成功设计并制备了零偏置和低偏置高速运行的UTC-PD，具有20μm和14μm台面直径的UTC-PD，在零偏置下，3dB带宽分别为20.8GHz和40GHz，而反向偏压为1V时，3dB带宽分别为36.6GHz和大于40GHz。. 2、成功研制高速、大功率、高线性光探测器阵列芯片，在1550nm波段高速响应带宽为22GHz，交流饱和电流86.8mA，器件饱和输出功率21dBm，三阶交调点为28.28dBm；-1V偏压下暗电流为2nA。. 3、提出并制备了SOI基偏振不敏感的二维亚波长光栅功率1×2、1×3和1×4分束耦合器。. 4、提出并制备了与亚波长光栅分束耦合器集成的对称排布二元UTC光探测器阵列以及多元光探测器阵列，其中具有40μm直径管芯的二元结构阵列3dB带宽为23.8GHz，饱和电流87.7mA，在12GHz下射频输出功率大于16dBm。具有30μm直径管芯的三元结构阵列和四元结构阵列带宽分别为19.1GHz和17.2GHz，在15GHz下射频输出功率分别为11.5dBm和13.1dBm。. 5、提出一个包含陷阱辅助隧穿机制的完整的暗电流模型；对光探测器偏压调制技术进行了理论和实验研究；提出了光探测器微分电容模型；提出并制备了与DBR、高反射率会聚光栅集成的反射增强型UTC。. 6、提出一种屋脊型和锥顶型光学微腔，与平行结构的F-P腔相比，品质因子大幅提升，有效模式体积减小，并可以应用于光探测器中以提升器件性能。. 项目在理论和器件制备方面均取得突破性成果，在国内外知名学术刊物上发表SCI收录论文33篇，申请发明专利10项，其中授权5项；培养博士5人，硕士18人。