光載毫米波系統(tǒng)的毫米波功率合成技術(shù)研究.pdf

1、寧波大學(xué)博士學(xué)位論文I光載毫米波系統(tǒng)的毫米波功率合成技術(shù)研究摘要光電探測器是光載無線系統(tǒng)（RadiooverFiberROF）的一個(gè)關(guān)鍵器件，它的性能直接影響整個(gè)ROF系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。光纖放大器的出現(xiàn)，改變了對(duì)光電探測器性能的要求，光纖放大器加光電探測器取代傳統(tǒng)的光電探測器加后置功率放大器這種模式已成為大勢(shì)所趨，因此高功率和大帶寬成為目前研究光電探測器亟待解決的問題。而且光纖放大器加光電探測器組成的系統(tǒng)性能將會(huì)更好，成本更低。本文

2、回顧了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程，從提高光電轉(zhuǎn)換效率的角度，考察了PINPD的原理和結(jié)構(gòu)，PINPD容易出現(xiàn)飽和的原因是空穴載流子遷移率低在耗盡區(qū)積聚從而引起空間電荷效應(yīng)，導(dǎo)致PINPD出現(xiàn)飽和。為了克服空間電荷效應(yīng)，出現(xiàn)了單行載流子光電二極管（UniTravelingCarrierPhotodiodeUTCPD）。文中對(duì)UTCPD結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究與分析并進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，得到了UTCPD的吸收層厚度與UTCPD的3dB帶寬的關(guān)系曲線、與響應(yīng)度之間

3、的關(guān)系曲線以及吸收層摻雜濃度與UTCPD的3dB帶寬的關(guān)系曲線。得到了集結(jié)層厚度和UTCPD的3dB帶寬的關(guān)系以及集結(jié)層摻雜濃度與UTCPD的3dB帶寬的關(guān)系曲線，分析了其物理原因。結(jié)果表明UTCPD的性能與吸收層和集結(jié)層的參數(shù)取值有極大關(guān)系，參數(shù)優(yōu)化取值要綜合考慮。模擬結(jié)果表明UTCPD比PINPD的性能如飽和功率和工作帶寬等有了極大的提高。無論P(yáng)INPD還是UTCPD都是通過改變單個(gè)光電二極管的結(jié)構(gòu)來提高光電探測器性能的。然而單個(gè)光

4、電二極管的性能再提高畢竟是有限的，將多個(gè)光電二極管集成制成光電探測器，則探測器的性能會(huì)得到極大地提高。多個(gè)光電二極管集成本質(zhì)上是多個(gè)光電二極管輸出的功率合成問題。本文全面研究了多個(gè)光電二極管的輸出合成問題。在三個(gè)方面取得了創(chuàng)新的結(jié)果：發(fā)現(xiàn)了并聯(lián)集成時(shí)光電二極管的最佳并聯(lián)個(gè)數(shù)；獲得了光電二極管級(jí)聯(lián)時(shí)級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)與工作波長的關(guān)系，依據(jù)該關(guān)系可優(yōu)選光電二極管級(jí)聯(lián)的最大個(gè)數(shù)；提出了一種新型級(jí)聯(lián)光電二極管陣列功率合成電路。將多個(gè)光電二極管并聯(lián)集成，其

5、輸出功率會(huì)提高，但光電二極管的結(jié)電容也會(huì)并聯(lián)，導(dǎo)致等效電容變大，工作帶寬降低，故不能在高頻段應(yīng)用。詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，由于每個(gè)光電二極管的分流作用，當(dāng)并聯(lián)八組以后再增加光電二極管的并聯(lián)組數(shù)，對(duì)輸出功率的貢獻(xiàn)越來越小。為了克服并聯(lián)集成會(huì)使工作帶寬降低的問題，出現(xiàn)了行波光電二極管陣列寧波大學(xué)博士學(xué)位論文IIIMillimeterWavePowerCombiningfRadiooverFiberSystemAbstractPhotodetectis

6、akeydevicefROFcommunicationsystems.ItsacteristicsdirectlyaffectstheperfmancedesignofROFsystem.Theemergenceofopticalfiberamplifiershaschangedtheperfmancerequirementsfphotodetect.Ithasbecomeatrendthattraditionalmoduleofpho

7、todectpostpoweramplifierisreplacedbythemoduleofopticalfiberamplifierphotodetect.Therefetheissuesofhighpowerwithhighbwidthbecomeurgentinphotodetectresearch.Infactasystemmadeupofopticalfiberamplifierphotodetecthasbetterper

8、fmancelowercost.ThisdissertationreviewsthehistyofphotoelectriceffectinvestigatestheprinciplestructureofPINPDfromtheperspectiveofimprovingconversionefficiency.ThereasonofPINPDsaturationisthatthemobilityofholecarriersislow

9、holecarriersgatherinthedepletionlayerwhichresultsinthespacegeeffect.IndertoovercomethiseffectUTCPDwasdesigned.InthisdissertationthestructureofUTCPDisstudiedanalyzed.TherelationshipbetweenthethicknessofUTCPDabsptionlayert

10、he3dBbwidthofUTCPDresponsedegreetherelationshipbetweenthethicknessofcollectionlayerUTCPD3dBbwidththerelationshipbetweenthedopedconcentrationofcollectionlayerUTCPD3dBareallobtainedphysicallyanalyzed.Theresultsshowthatthep

11、erfmanceofaUTCPDdependssignificantlyontheparametersoftheabsptionlayerthecollectionlayer.SimulationshowsthatUTCPDhasamuchhighersaturationpoweramuchwiderbwidthcomparedtoPINPD.TheperfmanceimprovementofbothPINPDUTCPDisimplem

12、entedbychangingthestructureofsinglephotodiode.Thereisalimitftheperfmanceimprovementfsinglephotodiode.Therefetheintegrationofseveralphotodiodesisapromisingtechnologytofurtherimprovebothoutputpowerwkingbwidthofphotodetect.

13、Sincethemajissueofphotodiodesintegrationispowercombiningthisdissertationmainlyfocusesonpowercombining.Threenovelresultsareobtained:theoptimumnumberofparallelphotodiodesareobtainedtherelationshipbetweenthenumberofcadephot

14、odiodesthelightwavelengthisrevealedwhichcanbeusedtodeterminethemaximumnumberofcadephotodiodesanewtypecadephotodiodearrayspowercombiningarchitectureisproposed.Theoutputpowerwillincreaseifphotodiodesareconnectedinparallel.