Ⅲ-Ⅴ族光电探测器及其在光纤通信中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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白成林，范鑫烨，房文敬，王欢欢 著

图书标签:

• 光电探测器
• Ⅲ-Ⅴ族材料
• 光纤通信
• 探测器物理
• 半导体器件
• 光电子学
• 通信技术
• 材料科学
• 器件应用
• 光纤传感

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030511362

版次：1

商品编码：12117962

包装：精装

丛书名： 光学与光子学丛书

开本：16开

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：143

字数：181000

正文语种：中文

内容简介

　　《Ⅲ-Ⅴ族光电探测器及其在光纤通信中的应用》全面阐述了Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的基本理论、制备工艺、主要性能特点及未来发展趋势，并详细讲述了Ⅲ-Ⅴ族光电探测器在光纤通信中的应用。全书共8章，具体内容为：光纤通信网概述、半导体物理基础、Ⅲ-Ⅴ族光电探测器、Ⅲ-Ⅴ族光电探测器制备工艺、基于Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的解复用光接收器件、高性能Ⅲ-Ⅴ族光电探测器、高性能Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的应用以及Ⅲ一Ⅴ族光电探测器的未来发展趋势等。
　　《Ⅲ-Ⅴ族光电探测器及其在光纤通信中的应用》可供高等院校、科研院所光信息科学与技术、光电信息工程、光电子技术等专业的高年级本科生和光学类、信息类、通信类等研究生作为必修课或选修课教材，对上述领域内从事研究、开发、生产的工程技术及研究人员也有重要的参考价值。

内页插图

目录

前言
第1章 光纤通信网概述
1．1 光纤通信网发展概述
1．2 光纤通信网的特点及架构
1．2．1 光纤通信网的特点
1．2．2 光纤通信网的架构
1．3 波分复用系统
1．3．1 波分复用系统的基本概念及特点
1．3．2 波分复用系统的构成
1．3．3 波分复用系统的波分复用器件和应用
参考文献

第2章 半导体物理基础
2．1 材料类型
2．1．1 半导体材料
2．1．2 其他材料
2．2 材料特征
2．2．1 折射率
2．2．2 工作波长
2．2．3 非线性效应
2．2．4 偏振效应
2．3 半导体理论基础
2．3．1 能带理论
2．3 ，2能级跃迁和辐射
2．3．3 粒子数反转
2．3．4 掺杂作用
2．3．5 PN结
参考文献

第3章 Ⅲ-Ⅴ族光电探测器
3．1 光电探测器简介
3．1．1 光接收机
3．1．2 光电探测器（光电检测器）
3．2 新型光电探测器的分类
3．2．1 单行载流子光电探测器
3．2．2 波导型光探测器
3．2．3 双吸收层型光探测器
3．3 光电探测器的工作特性
3．3．1 量子效率与响应度
3．3．2 响应速度
3．3．3 暗电流
3．3．4 线性响应度
3．3．5 噪声特性
参考文献

第4章 Ⅲ-Ⅴ族光电探测器制备工艺
4．1 晶体的生长和外延
4．1．1 晶体的生长
4．1．2 外延生长技术
4．1．3 外延层的结构和存在问题
4．2 薄膜淀积
4．2．1 热氧化
4．2．2 射频溅射实现金属化
4．3 基于光刻与刻蚀的平面加工
4．3．1 光学曝光技术
4．3．2 电子束曝光技术
4．3．3 刻蚀技术
4．3．4 模型加工技术
参考文献

第5章 基于Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的解复用光接收器件
第6章 高性能Ⅲ-Ⅴ族光电探测器
第7章 高性能Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的应用
第8章 Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的未来发展趋势

前言/序言

　　光电子学的发展最早始于1887年，赫兹（Hertz）在这一年发现了光电效应，爱因斯坦（Einstein）于1905年对其成功地进行了解释。1945年，希尔（Hill）等发明了真空光电管，后又发明了光电倍增管，这就是最早的光电管和光电器件。1969年，米勒（Miller）等提出了集成光学的概念，立刻引起了科学界的诸多关注，集成光学的出现是信息光学发展中里程碑式的变革。光电集成技术到目前已经发展了三十余年，在几何光学以及经典电磁场理论的基础上，制备了激光器、光开关、光探测器等简单的光电集成器件以及光发射机、光接收机、光调制器等大规模光电集成芯片，应用于诸多技术领域，这些技术领域涉及了光纤通信技术、光纤传感技术、光纤通信与计算机结合的网络技术、光存储技术等。
　　伴随着对光纤通信传输容量需求的与日俱增，光纤通信系统对光电集成器件的可靠性、集成度、灵敏度、响应速率以及生产成本等提出了更高的要求。解复用光接收集成器件作为光电集成器件中的一员，对波分复用（WDM）光网络具有十分重要的作用。对于WDM系统中的解复用光接收器件而言，能够精确探测各个信道波长光信号是极其重要的。然而在实际光通信系统中，激光器的不稳定和光信号在传输过程中受到的外界干扰等因素，都会引起光信号的波长漂移。如果此时在光通信接收端的光探测器的响应谱是尖峰状的，那么由光信号的漂移所带来的影响就会非常严重——光探测器对光信号的探测性能急剧下降。为了解决光信号波长漂移的问题，提高光探测器的容错性，就需要设计高性能、高可靠性的光探测器来满足光纤通信网络的需要，这具有重要的现实意义。
　　本书的有关工作得到国家自然科学基金（项目编号：60778017、61205065、61501214）、信息光子学与光通信国家重点实验室开放基金（项目编号：IPOC20158009）、山东省自然科学基金项目领目编号：ZR2014AM018、ZR2015FQ008）、企业横向课题（项目编号：2014GJH04）等资助，在此一并表示衷心的感谢。
　　本书是一本全面阐述Ⅲ-Ⅴ族光电探测器基本理论、制备工艺、主要性能特点及其在光纤通信中应用实例的专著。作者在半导体物理、光器件、光纤通信网络等领域开展了相关研究并阅读了大量相关领域的文献书籍，在此基础上，总结自己多年从事半导体光电器件研究和教学工作的实践经验，结合我国半导体光电器件现状写了本书，力求做到内容新颖，同时具有实用价值。由于水平有限，加之Ⅲ-Ⅴ族光电探测器技术日新月异、发展迅速，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。

《Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的光电特性与通信领域前沿应用》 导言 在飞速发展的现代信息社会，信息传输的速度和容量是衡量技术水平的关键指标。而作为信息传输“高速公路”的光纤通信，其性能的提升在很大程度上依赖于高性能光电子器件的进步。在众多半导体材料中，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体以其独特的能带结构和优异的光电特性，在光电器件领域占据着举足轻重的地位，尤其是在高速、高效率的光信号产生、传输和接收方面，展现出不可替代的优势。 本书深入探讨了Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的 fundamental 光电物理机制，并聚焦于其在光纤通信领域的最新、最前沿的应用，旨在为从事光电子器件研发、光纤通信系统设计以及相关领域的研究人员和工程师提供一份全面而深入的参考。本书内容详实，理论与实践相结合，力求清晰地阐述Ⅲ-Ⅴ族半导体材料如何支撑起现代光纤通信的基石，并展望未来的发展方向。 第一部分：Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的光电基础 本部分将从基础层面剖析Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的独特性质，为后续应用部分的理解奠定坚实的基础。 第一章：Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体概述 晶体结构与能带理论： 详细介绍Ⅲ-Ⅴ族半导体的晶体结构，如闪锌矿结构，并深入阐述其独特的能带结构，特别是直接带隙的形成及其对光电转换效率的影响。对比硅等间接带隙材料，突出Ⅲ-Ⅴ族材料在发光和吸光方面的优势。 基本物理性质： 讨论Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的关键物理参数，包括载流子迁移率、击穿电压、热导率、光学吸收与发射系数等，以及这些参数如何影响器件的性能。 常见的Ⅲ-Ⅴ族材料体系： 介绍几种在光电器件中应用最广泛的Ⅲ-Ⅴ族材料体系，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）及其固溶体，如磷化铟镓（InGaAs）、砷化镓铝（AlGaAs）、氮化镓（GaN）等。分析不同材料体系的能带隙、晶格常数以及光学带隙与化学成分的关系，为材料选择提供依据。 量子尺寸效应与低维结构： 探讨量子阱、量子线、量子点等低维Ⅲ-Ⅴ族结构，以及量子尺寸效应对其光电特性的调控作用。分析这些结构在提高器件效率、改变发射/吸收波长等方面的重要意义。 第二章：Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的光电转换原理 光吸收机制： 详细阐述Ⅲ-Ⅴ族半导体材料对光的吸收过程，包括直接跃迁和间接跃迁。分析吸收系数与材料组分、温度、载流子浓度等因素的关系。重点讨论在不同波长范围内，不同材料体系的吸收特性。 光激发载流子动力学： 描述光吸收后产生的电子-空穴对的产生、漂移、复合等过程。分析俄歇复合、辐射复合、陷阱复合等不同复合机制对光电转换效率的影响。 光辐射机制： 深入讲解Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的发光原理，包括电子-空穴复合发光。重点分析辐射复合效率，以及如何通过材料设计和掺杂来优化发光效率。 载流子输运特性： 讨论电场作用下，Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中电子和空穴的输运行为，包括迁移率、散射机制、饱和速度等。这些特性对于理解光电探测器中光生载流子的收集效率至关重要。 光电导效应与光伏效应： 解释光电导效应在光电器件中的应用，以及PN结、PIN结、APD等结构中光伏效应的原理，这是光电探测器工作的基本原理。 第二部分：Ⅲ-Ⅴ族半导体光电探测器及其前沿研究 本部分将聚焦于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料在构建高性能光电探测器中的具体应用，并介绍当前的研究热点和前沿进展。 第三章：Ⅲ-Ⅴ族半导体材料在光电探测器中的应用基础 光电探测器的基本结构与工作原理： 介绍光电探测器的基本组成部分（吸收区、传输区、收集区）和工作流程。阐述光信号如何被转换为电信号，并分析关键性能指标，如响应度、量子效率、带宽、噪声等。 PN结型光电探测器： 介绍基于PN结的简单光电探测器，分析其结构、工作特性以及在低速通信中的应用。 PIN型光电探测器： 详细阐述PIN结构（本征层）的优势，以及其如何降低结电容、提高响应速度和光电流。分析其在光纤通信中作为接收器组件的广泛应用。 雪崩光电二极管（APD）： 深入讲解APD的倍增机制，即载流子碰撞电离，以及如何实现信号的内部放大。分析APD的增益、噪声系数、响应速度等，并探讨不同材料体系APD的特点。 肖特基结光电探测器： 介绍肖特基结在光电探测器中的应用，其优点在于高速度和低暗电流，尤其适用于高频应用。 光电导探测器： 介绍光电导探测器的基本原理，以及其在特定应用场景下的优势。 第四章：特定波段Ⅲ-Ⅴ族光电探测器 可见光及近红外波段（~850nm/1310nm）探测器： 重点介绍GaAs、AlGaAs等材料体系在850nm波段的应用。深入分析InGaAsP/InP材料体系在1310nm波段的应用，讨论材料的能带工程设计如何优化器件性能，以及如何实现高速、低噪声的探测。 长波红外波段（1550nm）探测器： 详细探讨InGaAs/InP材料体系在1550nm波段的应用，这是光纤通信的主流工作波长。分析1550nm探测器对材料纯度、晶体质量、界面控制等方面的严苛要求。介绍如何通过优化量子阱结构、表面钝化等工艺来提升探测器的性能。 特种波段探测器： 讨论在一些特殊应用场景下，如短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）或需要特定探测波长的应用中，Ⅲ-Ⅴ族材料如何通过合金化、量子结构设计等方式实现目标波段的探测。 第五章：Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的新型结构与前沿技术 量子点（QD）光电探测器： 探讨量子点材料在构建光电探测器中的潜力，如量子点红外光电探测器（QDIP）和量子点光电导探测器（QDPC）。分析量子点尺寸、形状、成分可调性如何实现宽光谱响应或特定波段的增强吸收。 多层量子阱（MQW）探测器： 介绍多层量子阱结构如何通过能级工程设计，实现对特定波长光的高效吸收和探测。分析其在提高响应度、降低噪声方面的优势。 光子晶体光电探测器： 探讨将光子晶体技术与Ⅲ-Ⅴ族半导体材料结合，以实现对光场的高效控制和增强吸收，从而提升探测器的灵敏度和工作效率。 垂直腔面发射激光器（VCSEL）与光电探测器的集成： 讨论将VCSEL和探测器集成在同一芯片上，实现光信号的收发一体化，这对于光互连和小型化光通信模块具有重要意义。 表面等离激元增强光电探测器： 探讨利用表面等离激元效应，增强光在近表面区域的吸收，从而提高薄膜型Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的探测效率。 拓宽带隙材料与新型器件： 介绍例如氮化镓（GaN）基材料在可见光和紫外光探测领域的应用，以及如何通过材料体系的拓展来满足更广泛的光电应用需求。 第三部分：Ⅲ-Ⅴ族光电探测器在光纤通信中的应用 本部分将重点阐述Ⅲ-Ⅴ族光电探测器如何在现代光纤通信系统中发挥关键作用，并探讨其在不同应用场景下的具体实现。 第六章：高性能光电探测器在光纤通信系统中的核心作用 光接收模块： 详细介绍Ⅲ-Ⅴ族光电探测器作为光接收模块中的核心组件，如何接收来自光纤的光信号，并将其转换为电信号。分析不同类型探测器（PIN, APD）在不同通信速率和传输距离下的适用性。 高速光信号接收： 讨论随着通信速率的不断提升（如25Gbps, 100Gbps, 400Gbps甚至更高），对光电探测器的响应速度、带宽和灵敏度提出了极高的要求。分析Ⅲ-Ⅴ族材料如何通过优化结构设计和材料特性来满足这些需求。 低噪声探测： 强调在光纤通信中，探测器的噪声对信号质量的影响。分析Ⅲ-Ⅴ族探测器如何通过降低暗电流、优化热噪声和散粒噪声等来提高信噪比（SNR）。 波分复用（WDM）系统中的应用： 介绍在WDM系统中，需要多个独立的光电探测器来接收不同波长的光信号。分析Ⅲ-Ⅴ族材料如何通过调控能带隙来实现对不同波长的精确探测。 光模块的集成化与小型化： 讨论III-V族光电探测器如何与其他光电子器件（如激光器、调制器）集成在同一芯片上，实现光模块的小型化、低功耗和高集成度，满足数据中心、5G基站等应用的需求。 第七章：光电探测器在特定光纤通信场景下的应用实例 长距离传输系统： 分析在海底光缆、跨洋光缆等长距离传输系统中，对高灵敏度、低噪声的APD的需求。讨论如何通过多级倍增或优化倍增层设计来提升APD的性能。 数据中心互连： 探讨数据中心内部对高密度、高带宽光互连的需求。介绍高速PIN和APD在短距离、高密度光模块中的应用。 5G/6G通信网络： 分析5G/6G网络对光通信带宽、时延和可靠性的新要求。讨论Ⅲ-Ⅴ族光电探测器如何在基站、核心网以及用户终端的光连接中发挥作用。 光传感应用： 提及Ⅲ-Ⅴ族光电探测器在一些光纤传感应用中的潜力，例如光时域反射仪（OTDR）中的高灵敏度探测。 其他前沿通信技术： 简要介绍Ⅲ-Ⅴ族光电探测器在激光雷达（LiDAR）、自由空间光通信等新兴技术领域的潜在应用。 第八章：Ⅲ-Ⅴ族光电探测器技术面临的挑战与未来发展趋势 材料成本与制造工艺： 探讨Ⅲ-Ⅴ族材料相对于硅的较高成本以及复杂的生长与加工工艺，分析如何通过技术革新来降低成本，提高产量。 可靠性与稳定性： 讨论Ⅲ-Ⅴ族光电器件在长期工作下的可靠性问题，如界面老化、材料退化等，并介绍提高器件稳定性的研究方向。 高性能化与集成化： 展望未来Ⅲ-Ⅴ族光电探测器向更高速度、更高灵敏度、更低噪声方向发展。重点关注与CMOS技术的异质集成，以及微型化、三维集成等发展趋势。 新型材料体系的探索： 讨论对新型Ⅲ-Ⅴ族及其相关复合材料的探索，以实现更优异的光电性能，覆盖更广泛的通信波段。 智能化与自适应技术： 展望未来光电探测器将具备一定的智能化功能，如自适应增益控制、故障诊断等，以提高光通信系统的智能化水平。 结论 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料以其卓越的光电性能，在光纤通信领域扮演着至关重要的角色。从基础的光电物理特性，到高性能光电探测器的设计与制造，再到在复杂光纤通信系统中的实际应用，本书系统性地梳理了Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的发展脉络和前沿动态。随着通信技术的不断演进，对光电探测器的需求将持续增长，而Ⅲ-Ⅴ族半导体材料及其相关器件的创新与突破，必将为下一代光纤通信网络的构建提供强大的技术支撑。 本书希望能够启发读者对Ⅲ-Ⅴ族光电探测器及其在光纤通信领域应用的更深层次理解，并激励更多研究者投身于这一充满活力和挑战的领域，共同推动信息时代的持续发展。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉是，它试图建立起一个从基础科学理论到前沿应用之间的坚实桥梁。书名中的“Ⅲ-Ⅴ族”很容易让人联想到其独特的电子和光学性质，比如直接带隙，这使得它们成为制造高效发光器件和光探测器的理想材料。因此，我猜想，这本书很可能从Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的物理特性入手，比如其能带结构、载流子动力学、光学吸收和发射机制等，深入解释这些特性如何使其适用于光电探测。接着，它会详细介绍各种基于Ⅲ-Ⅴ族材料的光电探测器，例如PIN光电二极管、APD、甚至可能包括更先进的探测器技术，分析它们的结构、工作原理、以及各自的优缺点。而“在光纤通信中的应用”这个部分，则会将理论与实践紧密结合，探讨这些探测器如何在光纤通信系统中实现高速、灵敏的信号检测，解决信号衰减、噪声干扰等问题，并可能涉及一些关于光模块设计、光传输系统的整体架构等内容。这本书的价值，在于它能够帮助读者全面而深入地理解Ⅲ-Ⅴ族光电探测器的技术内涵及其在现代通信技术中的重要作用。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名让我联想到它可能是一本非常务实的工程技术手册。想象一下，捧着这本书，我仿佛能触摸到那些精密的芯片和光纤连接器。它可能详细介绍了各种Ⅲ-Ⅴ族半导体材料（如砷化镓GaAs、磷化铟InP及其衍生物）在制备光电探测器时的具体工艺流程，从材料的生长、外延，到器件的器件结构设计、光刻、刻蚀、金属化等一系列微电子制造过程。我推测，书中可能会包含大量的器件结构图、工艺流程图、性能测试曲线和实际应用案例，这对于工程师来说，无疑是极其有价值的实践指导。而且，“在光纤通信中的应用”这一点，让我觉得这本书不仅仅停留在理论层面，更会深入到实际的光模块设计、系统集成以及性能评估等工程实践中。也许它还会涉及一些具体的通信标准、接口协议，以及如何根据不同的通信需求（如数据速率、传输距离、误码率等）选择和优化合适的Ⅲ-Ⅴ族光电探测器。这本书的出现，可能会帮助工程师们更有效地解决实际工程中的难题，缩短产品研发周期，提升通信系统的整体性能。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名本身就传达出一种前沿科技的信号，给我一种它能够引领我探索未来通信技术发展的方向。我推测，这本书不会仅仅停留在对现有技术的介绍，而是会包含对未来发展趋势的展望。例如，在光电探测器的部分，它可能会探讨一些新兴的Ⅲ-Ⅴ族材料，如量子点、超晶格等，以及它们在提升探测器性能（如响应速度、灵敏度、光谱选择性）方面的潜力。同时，在光纤通信的应用方面，它也许会关注下一代高速率、大容量通信系统的需求，分析Ⅲ-Ⅴ族光电探测器如何应对这些挑战，比如在太赫兹通信、自由空间光通信等新兴领域的应用前景。此外，书中可能还会涉及到一些与系统集成相关的技术，比如如何将光电探测器与光信号处理、电子信号处理单元进行高效集成，以构建更紧凑、更高效的光通信模块。这本书的潜在价值在于，它能够为研究者提供新的研究方向，为工程师提供创新的技术灵感，从而推动整个光电探测器和光纤通信技术的不断进步。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我一种非常详实、严谨的学术研究气息。从书名来看，它似乎是一部深度聚焦于某一特定领域的技术专著，而非泛泛而谈的科普读物。我猜想，这本书的读者群体可能是对半导体物理、光电子学以及通信工程有一定基础的研究人员、研究生或者相关行业的工程师。它可能涉及了Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的晶体结构、能带理论、掺杂机理等基础物理概念，并在此基础上深入探讨了各种光电探测器的设计原理、制造工艺、性能参数（如响应度、带宽、噪声系数、量子效率等）的优化方法，以及不同类型探测器（如PIN光电二极管、雪崩光电二极管APDs、光电倍增管PMTs等）的特点和适用场景。更重要的是，它还会详细阐述这些高性能探测器在光纤通信系统中扮演的关键角色，例如如何作为光源端或接收端的关键组件，如何实现高速、低损耗的信息传输，以及如何应对通信过程中面临的各种挑战，比如色散、衰减等。这本书的出版，无疑为从事相关研究和开发的人员提供了一份宝贵的参考资料，也可能为行业内的技术革新提供新的思路和方向。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计给我一种非常专业且具有学术深度的感觉，深邃的蓝色背景搭配着银白色的书名，仿佛预示着这本书将带我进入一个充满科技魅力的世界。我一直对半导体材料在现代通讯技术中的应用充满好奇，尤其是那些在电子和光学领域都扮演着重要角色的材料。这本书的书名直接点明了其核心内容，"Ⅲ-Ⅴ族光电探测器"，这几个字本身就充满了技术感，让我联想到那些精密的器件和复杂的光电转换过程。而“在光纤通信中的应用”更是将这一前沿技术与我们日常生活中不可或缺的通信方式紧密联系起来，这激起了我想要了解更多关于它们如何驱动着信息时代的进步的强烈愿望。这本书的内容，我相信一定能够满足我对这方面知识的渴求，让我深入理解这些神奇的材料是如何工作的，又是如何改变着我们接收和发送信息的。我期待这本书能为我打开一扇通往光电探测器和光纤通信领域大门的钥匙，让我能够站在更高的视角去审视和理解现代科技的脉络。