內容簡介
《Ⅲ-Ⅴ族光電探測器及其在光縴通信中的應用》全麵闡述瞭Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的基本理論、製備工藝、主要性能特點及未來發展趨勢,並詳細講述瞭Ⅲ-Ⅴ族光電探測器在光縴通信中的應用。全書共8章,具體內容為:光縴通信網概述、半導體物理基礎、Ⅲ-Ⅴ族光電探測器、Ⅲ-Ⅴ族光電探測器製備工藝、基於Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的解復用光接收器件、高性能Ⅲ-Ⅴ族光電探測器、高性能Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的應用以及Ⅲ一Ⅴ族光電探測器的未來發展趨勢等。
《Ⅲ-Ⅴ族光電探測器及其在光縴通信中的應用》可供高等院校、科研院所光信息科學與技術、光電信息工程、光電子技術等專業的高年級本科生和光學類、信息類、通信類等研究生作為必修課或選修課教材,對上述領域內從事研究、開發、生産的工程技術及研究人員也有重要的參考價值。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 光縴通信網概述
1.1 光縴通信網發展概述
1.2 光縴通信網的特點及架構
1.2.1 光縴通信網的特點
1.2.2 光縴通信網的架構
1.3 波分復用係統
1.3.1 波分復用係統的基本概念及特點
1.3.2 波分復用係統的構成
1.3.3 波分復用係統的波分復用器件和應用
參考文獻
第2章 半導體物理基礎
2.1 材料類型
2.1.1 半導體材料
2.1.2 其他材料
2.2 材料特徵
2.2.1 摺射率
2.2.2 工作波長
2.2.3 非綫性效應
2.2.4 偏振效應
2.3 半導體理論基礎
2.3.1 能帶理論
2.3 ,2能級躍遷和輻射
2.3.3 粒子數反轉
2.3.4 摻雜作用
2.3.5 PN結
參考文獻
第3章 Ⅲ-Ⅴ族光電探測器
3.1 光電探測器簡介
3.1.1 光接收機
3.1.2 光電探測器(光電檢測器)
3.2 新型光電探測器的分類
3.2.1 單行載流子光電探測器
3.2.2 波導型光探測器
3.2.3 雙吸收層型光探測器
3.3 光電探測器的工作特性
3.3.1 量子效率與響應度
3.3.2 響應速度
3.3.3 暗電流
3.3.4 綫性響應度
3.3.5 噪聲特性
參考文獻
第4章 Ⅲ-Ⅴ族光電探測器製備工藝
4.1 晶體的生長和外延
4.1.1 晶體的生長
4.1.2 外延生長技術
4.1.3 外延層的結構和存在問題
4.2 薄膜澱積
4.2.1 熱氧化
4.2.2 射頻濺射實現金屬化
4.3 基於光刻與刻蝕的平麵加工
4.3.1 光學曝光技術
4.3.2 電子束曝光技術
4.3.3 刻蝕技術
4.3.4 模型加工技術
參考文獻
第5章 基於Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的解復用光接收器件
第6章 高性能Ⅲ-Ⅴ族光電探測器
第7章 高性能Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的應用
第8章 Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的未來發展趨勢
前言/序言
光電子學的發展最早始於1887年,赫茲(Hertz)在這一年發現瞭光電效應,愛因斯坦(Einstein)於1905年對其成功地進行瞭解釋。1945年,希爾(Hill)等發明瞭真空光電管,後又發明瞭光電倍增管,這就是最早的光電管和光電器件。1969年,米勒(Miller)等提齣瞭集成光學的概念,立刻引起瞭科學界的諸多關注,集成光學的齣現是信息光學發展中裏程碑式的變革。光電集成技術到目前已經發展瞭三十餘年,在幾何光學以及經典電磁場理論的基礎上,製備瞭激光器、光開關、光探測器等簡單的光電集成器件以及光發射機、光接收機、光調製器等大規模光電集成芯片,應用於諸多技術領域,這些技術領域涉及瞭光縴通信技術、光縴傳感技術、光縴通信與計算機結閤的網絡技術、光存儲技術等。
伴隨著對光縴通信傳輸容量需求的與日俱增,光縴通信係統對光電集成器件的可靠性、集成度、靈敏度、響應速率以及生産成本等提齣瞭更高的要求。解復用光接收集成器件作為光電集成器件中的一員,對波分復用(WDM)光網絡具有十分重要的作用。對於WDM係統中的解復用光接收器件而言,能夠精確探測各個信道波長光信號是極其重要的。然而在實際光通信係統中,激光器的不穩定和光信號在傳輸過程中受到的外界乾擾等因素,都會引起光信號的波長漂移。如果此時在光通信接收端的光探測器的響應譜是尖峰狀的,那麼由光信號的漂移所帶來的影響就會非常嚴重——光探測器對光信號的探測性能急劇下降。為瞭解決光信號波長漂移的問題,提高光探測器的容錯性,就需要設計高性能、高可靠性的光探測器來滿足光縴通信網絡的需要,這具有重要的現實意義。
本書的有關工作得到國傢自然科學基金(項目編號:60778017、61205065、61501214)、信息光子學與光通信國傢重點實驗室開放基金(項目編號:IPOC20158009)、山東省自然科學基金項目領目編號:ZR2014AM018、ZR2015FQ008)、企業橫嚮課題(項目編號:2014GJH04)等資助,在此一並錶示衷心的感謝。
本書是一本全麵闡述Ⅲ-Ⅴ族光電探測器基本理論、製備工藝、主要性能特點及其在光縴通信中應用實例的專著。作者在半導體物理、光器件、光縴通信網絡等領域開展瞭相關研究並閱讀瞭大量相關領域的文獻書籍,在此基礎上,總結自己多年從事半導體光電器件研究和教學工作的實踐經驗,結閤我國半導體光電器件現狀寫瞭本書,力求做到內容新穎,同時具有實用價值。由於水平有限,加之Ⅲ-Ⅴ族光電探測器技術日新月異、發展迅速,書中難免存在不妥之處,敬請讀者批評指正。
《Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的光電特性與通信領域前沿應用》 導言 在飛速發展的現代信息社會,信息傳輸的速度和容量是衡量技術水平的關鍵指標。而作為信息傳輸“高速公路”的光縴通信,其性能的提升在很大程度上依賴於高性能光電子器件的進步。在眾多半導體材料中,Ⅲ-Ⅴ族化閤物半導體以其獨特的能帶結構和優異的光電特性,在光電器件領域占據著舉足輕重的地位,尤其是在高速、高效率的光信號産生、傳輸和接收方麵,展現齣不可替代的優勢。 本書深入探討瞭Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的 fundamental 光電物理機製,並聚焦於其在光縴通信領域的最新、最前沿的應用,旨在為從事光電子器件研發、光縴通信係統設計以及相關領域的研究人員和工程師提供一份全麵而深入的參考。本書內容詳實,理論與實踐相結閤,力求清晰地闡述Ⅲ-Ⅴ族半導體材料如何支撐起現代光縴通信的基石,並展望未來的發展方嚮。 第一部分:Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的光電基礎 本部分將從基礎層麵剖析Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的獨特性質,為後續應用部分的理解奠定堅實的基礎。 第一章:Ⅲ-Ⅴ族化閤物半導體概述 晶體結構與能帶理論: 詳細介紹Ⅲ-Ⅴ族半導體的晶體結構,如閃鋅礦結構,並深入闡述其獨特的能帶結構,特彆是直接帶隙的形成及其對光電轉換效率的影響。對比矽等間接帶隙材料,突齣Ⅲ-Ⅴ族材料在發光和吸光方麵的優勢。 基本物理性質: 討論Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的關鍵物理參數,包括載流子遷移率、擊穿電壓、熱導率、光學吸收與發射係數等,以及這些參數如何影響器件的性能。 常見的Ⅲ-Ⅴ族材料體係: 介紹幾種在光電器件中應用最廣泛的Ⅲ-Ⅴ族材料體係,如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)及其固溶體,如磷化銦鎵(InGaAs)、砷化鎵鋁(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)等。分析不同材料體係的能帶隙、晶格常數以及光學帶隙與化學成分的關係,為材料選擇提供依據。 量子尺寸效應與低維結構: 探討量子阱、量子綫、量子點等低維Ⅲ-Ⅴ族結構,以及量子尺寸效應對其光電特性的調控作用。分析這些結構在提高器件效率、改變發射/吸收波長等方麵的重要意義。 第二章:Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的光電轉換原理 光吸收機製: 詳細闡述Ⅲ-Ⅴ族半導體材料對光的吸收過程,包括直接躍遷和間接躍遷。分析吸收係數與材料組分、溫度、載流子濃度等因素的關係。重點討論在不同波長範圍內,不同材料體係的吸收特性。 光激發載流子動力學: 描述光吸收後産生的電子-空穴對的産生、漂移、復閤等過程。分析俄歇復閤、輻射復閤、陷阱復閤等不同復閤機製對光電轉換效率的影響。 光輻射機製: 深入講解Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的發光原理,包括電子-空穴復閤發光。重點分析輻射復閤效率,以及如何通過材料設計和摻雜來優化發光效率。 載流子輸運特性: 討論電場作用下,Ⅲ-Ⅴ族半導體材料中電子和空穴的輸運行為,包括遷移率、散射機製、飽和速度等。這些特性對於理解光電探測器中光生載流子的收集效率至關重要。 光電導效應與光伏效應: 解釋光電導效應在光電器件中的應用,以及PN結、PIN結、APD等結構中光伏效應的原理,這是光電探測器工作的基本原理。 第二部分:Ⅲ-Ⅴ族半導體光電探測器及其前沿研究 本部分將聚焦於Ⅲ-Ⅴ族半導體材料在構建高性能光電探測器中的具體應用,並介紹當前的研究熱點和前沿進展。 第三章:Ⅲ-Ⅴ族半導體材料在光電探測器中的應用基礎 光電探測器的基本結構與工作原理: 介紹光電探測器的基本組成部分(吸收區、傳輸區、收集區)和工作流程。闡述光信號如何被轉換為電信號,並分析關鍵性能指標,如響應度、量子效率、帶寬、噪聲等。 PN結型光電探測器: 介紹基於PN結的簡單光電探測器,分析其結構、工作特性以及在低速通信中的應用。 PIN型光電探測器: 詳細闡述PIN結構(本徵層)的優勢,以及其如何降低結電容、提高響應速度和光電流。分析其在光縴通信中作為接收器組件的廣泛應用。 雪崩光電二極管(APD): 深入講解APD的倍增機製,即載流子碰撞電離,以及如何實現信號的內部放大。分析APD的增益、噪聲係數、響應速度等,並探討不同材料體係APD的特點。 肖特基結光電探測器: 介紹肖特基結在光電探測器中的應用,其優點在於高速度和低暗電流,尤其適用於高頻應用。 光電導探測器: 介紹光電導探測器的基本原理,以及其在特定應用場景下的優勢。 第四章:特定波段Ⅲ-Ⅴ族光電探測器 可見光及近紅外波段(~850nm/1310nm)探測器: 重點介紹GaAs、AlGaAs等材料體係在850nm波段的應用。深入分析InGaAsP/InP材料體係在1310nm波段的應用,討論材料的能帶工程設計如何優化器件性能,以及如何實現高速、低噪聲的探測。 長波紅外波段(1550nm)探測器: 詳細探討InGaAs/InP材料體係在1550nm波段的應用,這是光縴通信的主流工作波長。分析1550nm探測器對材料純度、晶體質量、界麵控製等方麵的嚴苛要求。介紹如何通過優化量子阱結構、錶麵鈍化等工藝來提升探測器的性能。 特種波段探測器: 討論在一些特殊應用場景下,如短波紅外(SWIR)、中波紅外(MWIR)或需要特定探測波長的應用中,Ⅲ-Ⅴ族材料如何通過閤金化、量子結構設計等方式實現目標波段的探測。 第五章:Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的新型結構與前沿技術 量子點(QD)光電探測器: 探討量子點材料在構建光電探測器中的潛力,如量子點紅外光電探測器(QDIP)和量子點光電導探測器(QDPC)。分析量子點尺寸、形狀、成分可調性如何實現寬光譜響應或特定波段的增強吸收。 多層量子阱(MQW)探測器: 介紹多層量子阱結構如何通過能級工程設計,實現對特定波長光的高效吸收和探測。分析其在提高響應度、降低噪聲方麵的優勢。 光子晶體光電探測器: 探討將光子晶體技術與Ⅲ-Ⅴ族半導體材料結閤,以實現對光場的高效控製和增強吸收,從而提升探測器的靈敏度和工作效率。 垂直腔麵發射激光器(VCSEL)與光電探測器的集成: 討論將VCSEL和探測器集成在同一芯片上,實現光信號的收發一體化,這對於光互連和小型化光通信模塊具有重要意義。 錶麵等離激元增強光電探測器: 探討利用錶麵等離激元效應,增強光在近錶麵區域的吸收,從而提高薄膜型Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的探測效率。 拓寬帶隙材料與新型器件: 介紹例如氮化鎵(GaN)基材料在可見光和紫外光探測領域的應用,以及如何通過材料體係的拓展來滿足更廣泛的光電應用需求。 第三部分:Ⅲ-Ⅴ族光電探測器在光縴通信中的應用 本部分將重點闡述Ⅲ-Ⅴ族光電探測器如何在現代光縴通信係統中發揮關鍵作用,並探討其在不同應用場景下的具體實現。 第六章:高性能光電探測器在光縴通信係統中的核心作用 光接收模塊: 詳細介紹Ⅲ-Ⅴ族光電探測器作為光接收模塊中的核心組件,如何接收來自光縴的光信號,並將其轉換為電信號。分析不同類型探測器(PIN, APD)在不同通信速率和傳輸距離下的適用性。 高速光信號接收: 討論隨著通信速率的不斷提升(如25Gbps, 100Gbps, 400Gbps甚至更高),對光電探測器的響應速度、帶寬和靈敏度提齣瞭極高的要求。分析Ⅲ-Ⅴ族材料如何通過優化結構設計和材料特性來滿足這些需求。 低噪聲探測: 強調在光縴通信中,探測器的噪聲對信號質量的影響。分析Ⅲ-Ⅴ族探測器如何通過降低暗電流、優化熱噪聲和散粒噪聲等來提高信噪比(SNR)。 波分復用(WDM)係統中的應用: 介紹在WDM係統中,需要多個獨立的光電探測器來接收不同波長的光信號。分析Ⅲ-Ⅴ族材料如何通過調控能帶隙來實現對不同波長的精確探測。 光模塊的集成化與小型化: 討論III-V族光電探測器如何與其他光電子器件(如激光器、調製器)集成在同一芯片上,實現光模塊的小型化、低功耗和高集成度,滿足數據中心、5G基站等應用的需求。 第七章:光電探測器在特定光縴通信場景下的應用實例 長距離傳輸係統: 分析在海底光纜、跨洋光纜等長距離傳輸係統中,對高靈敏度、低噪聲的APD的需求。討論如何通過多級倍增或優化倍增層設計來提升APD的性能。 數據中心互連: 探討數據中心內部對高密度、高帶寬光互連的需求。介紹高速PIN和APD在短距離、高密度光模塊中的應用。 5G/6G通信網絡: 分析5G/6G網絡對光通信帶寬、時延和可靠性的新要求。討論Ⅲ-Ⅴ族光電探測器如何在基站、核心網以及用戶終端的光連接中發揮作用。 光傳感應用: 提及Ⅲ-Ⅴ族光電探測器在一些光縴傳感應用中的潛力,例如光時域反射儀(OTDR)中的高靈敏度探測。 其他前沿通信技術: 簡要介紹Ⅲ-Ⅴ族光電探測器在激光雷達(LiDAR)、自由空間光通信等新興技術領域的潛在應用。 第八章:Ⅲ-Ⅴ族光電探測器技術麵臨的挑戰與未來發展趨勢 材料成本與製造工藝: 探討Ⅲ-Ⅴ族材料相對於矽的較高成本以及復雜的生長與加工工藝,分析如何通過技術革新來降低成本,提高産量。 可靠性與穩定性: 討論Ⅲ-Ⅴ族光電器件在長期工作下的可靠性問題,如界麵老化、材料退化等,並介紹提高器件穩定性的研究方嚮。 高性能化與集成化: 展望未來Ⅲ-Ⅴ族光電探測器嚮更高速度、更高靈敏度、更低噪聲方嚮發展。重點關注與CMOS技術的異質集成,以及微型化、三維集成等發展趨勢。 新型材料體係的探索: 討論對新型Ⅲ-Ⅴ族及其相關復閤材料的探索,以實現更優異的光電性能,覆蓋更廣泛的通信波段。 智能化與自適應技術: 展望未來光電探測器將具備一定的智能化功能,如自適應增益控製、故障診斷等,以提高光通信係統的智能化水平。 結論 Ⅲ-Ⅴ族半導體材料以其卓越的光電性能,在光縴通信領域扮演著至關重要的角色。從基礎的光電物理特性,到高性能光電探測器的設計與製造,再到在復雜光縴通信係統中的實際應用,本書係統性地梳理瞭Ⅲ-Ⅴ族光電探測器的發展脈絡和前沿動態。隨著通信技術的不斷演進,對光電探測器的需求將持續增長,而Ⅲ-Ⅴ族半導體材料及其相關器件的創新與突破,必將為下一代光縴通信網絡的構建提供強大的技術支撐。 本書希望能夠啓發讀者對Ⅲ-Ⅴ族光電探測器及其在光縴通信領域應用的更深層次理解,並激勵更多研究者投身於這一充滿活力和挑戰的領域,共同推動信息時代的持續發展。