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光探测器等效电路模型的建立与参数提取

作　者: 许文彪
导　师: 陈福深
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光电集成电路等效电路模型速率方程遗传算法参数提取
分类号: TN36
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光纤通信技术的飞速发展,对光纤通信系统的灵敏度,响应速率和可靠性提出了更高的要求,分立光电子器件的简单组合已经很难达到理想的效果,具有高速、高度集成特性的光电集成电路(OEIC)成为了研究的热点。分立光电子器件的等效电路模型对于准确模拟OEIC的性能来说是必不可少的,光探测器是OEIC光接收机的关键部分,因而研究光探测器的等效电路模型具有重要的意义。本文建立了雪崩光探测器(APD)的等效电路模型和PIN光探测器等效电路模型,并分别进行了仿真分析与参数提取的研究。首先,本文介绍了光探测器的工作原理,讨论了表征光探测器性能的基本参数,包括响应度、量子效率、暗电流、噪声电流、响应时间和带宽特性等,并详细分析了APD的平均雪崩增益和内部的电场分布,为后续的研究提供了充分的理论依据。然后,基于光探测器的工作原理和性能参数的分析,建立了一种新的APD的等效电路模型,该模型从载流子速率方程出发,引入了暗电流、噪声电流和寄生效应,能够精确反映器件的性能。为了验证模型的准确性,在PSpice软件中建立了APD等效电路模块,并基于该模块仿真分析了APD的基本特性参数,讨论了结构参数对APD性能的影响,研究了APD封装结构参数的优化问题。从分析中我们得到:APD的增益、带宽相互制约,在高增益区增益带宽积约为一个常数; APD的各层结构参数决定了APD的性能,需合理设计各层的厚度才能得到理想的APD性能;在封装结构的优化设计过程中适当选择金丝引线的长度,调整封装寄生电感的大小能够起到提高APD芯片带宽性能的效果。最后,从PIN光探测器的基本的物理结构出发,建立了PIN光探测器的小信号等效电路模型。对自适应遗传算法做了部分改进,并基于matlab软件的遗传算法工具箱(gatbx)编写了自适应遗传算法程序。利用自适应遗传算法程序提取了PIN光探测器等效电路模型元件的参数值,并通过S21参数的测试曲线与计算曲线的比对,证明了参数提取算法的有效性和PIN光探测器等效电路模型的合理性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-19
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 研究现状  14-18
    1.2.1 APD 等效电路模型  14-16
    1.2.2 PIN 光探测器等效电路模型  16-18
  1.3 本文主要工作及内容安排  18-19
第二章光探测器的工作原理和性能参数  19-30
  2.1 光探测器的工作原理  19-24
    2.1.1 光探测器的物理基础  19-20
    2.1.2 PD 的工作原理  20-21
    2.1.3 PIN 光探测器的工作原理  21-22
    2.1.4 APD 的工作原理  22-24
  2.2 光探测器工作特性和参数  24-29
    2.2.1 响应度和量子效率  24-25
    2.2.2 暗电流  25-26
    2.2.3 噪声特性  26-28
    2.2.4 响应特性  28-29
  2.3 本章小结  29-30
第三章 APD 等效电路模型的建立与仿真  30-56
  3.1 APD 等效电路模型的建立  30-39
    3.1.1 内部电场分布  31-33
    3.1.2 平均雪崩增益  33-35
    3.1.3 模型的建立  35-39
  3.2 PSpice 软件中APD 模块的实现  39-43
    3.2.1 PSpice 软件概述  39-41
    3.2.2 APD 模块的实现  41-43
  3.3 基于PSpice 软件的APD 特性分析  43-55
    3.3.1 APD 基本特性参数分析  43-49
    3.3.2 内部结构参数对APD 特性影响的分析  49-53
    3.3.3 封装寄生参数对APD 特性影响的分析  53-55
  3.4 本章小结  55-56
第四章 PIN 光探测器等效电路模型的建立与参数提取  56-74
  4.1 PIN 光探测器等效电路模型的建立  56-57
  4.2 PIN 光探测器的S 参数  57-62
    4.2.1 微波网络与S 参数  58-59
    4.2.2 光探测器的S 参数  59-61
    4.2.3 模型S 参数的计算  61-62
  4.3 电路模型参数提取算法  62-68
    4.3.1 自适应遗传算法  63-66
    4.3.2 自适应遗传算法的实现  66-68
  4.4 PIN 光探测器等效电路模型参数提取与验证  68-73
    4.4.1 带封装结构的PIN 光探测器芯片参数提取与分析  68-71
    4.4.2 PIN 光探测器芯片参数提取与分析  71-73
  4.5 本章小结  73-74
第五章总结与展望  74-76
致谢  76-77
参考文献  77-80
硕士研究生期间取得的研究成果  80-81
个人简介  81-82

光探测器等效电路模型的建立与参数提取

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