40Gb/s WD-PIN-PD/TIA 组件的光电特性及其测试
时间:11-06
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1.前言
对于单通道40Gb/s 光传输系统来说,其光探测器一般不能采用正面进光的PIN-PD结构。因为这种正面进光的探测器PN结电容和杂散电容大、载流子渡越时间长,从而限制了它的光响应速率(或传输带宽)。为了提高光响应速率(带宽),探测器采用了窄条型侧面进光的波导型PIN结构(WD-PIN-PD)。这种结构的PN结电容可小于80ff (1ff = 10-15f ),且由于采用了半绝缘衬底,降低了杂散电容;通过减小光吸收区的厚度,减小了载流子渡越时间。这些结构上的变化,使波导型PIN光探测器的光响应带宽可大于30GHz,有的甚至达到50GHz以上。
2003年,我们开始设计、试制40Gb/s WD-PIN-PD,通过近两年的实践,我们成功地制作了40Gb/s WD-PIN-PD。测量结果表明,该探测器的暗电流小于15nA,光响应度可大于0.46A/W,而-3dB模拟带宽达32GHz。用它和40b/s TIA组装在一起,光接受灵敏度可达-7dBm。
2.40Gb/s WD-PIN-PD结构
40Gb/s WD-PIN-PD有几种不同的结构。我们设计了一种准共面波导(CPW)-侧面进光的波导型探测器一体化结构,其示意图如图1所示。
为便于形成平如镜面的进光面,先把它制作成一个双台面孪芯结构,如图2所示,最后通过解理技术,形成单个管芯.这种孪芯结构已申报了国家专利。双台面孪芯结构如图2所示。
40Gb/s WD-PIN-PD的光电特性包括I-V特性、波长响应特性、光电转换特性、开关特性等,它可以用光电流、暗电流、击穿电压、PN结电容、波长响应范围、光响应度、-3dB带宽、相对强度噪等技术指标来衡量其光电特性的优劣。对于40Gb/s WD-PIN-PD来说,关键的技术指标是暗电流、-3dB带宽和光响应度。
3.1光电流和暗电流
光电流是探测器中作用区(又称有源区)吸收光产生载流子、通过高场下漂移或扩散,进而在PIN耗尽区产生附加电势,并在外电路流过的电流。该电流与入射光功率、光耦合效率、入射面反射系数、探测器光敏面面积、探测器中吸收层材料的光吸收系数以及内量子效率等因素紧密相关。根据连续性方程和边界条件,光电流Iopt可以表示为:
Iopt = (1- R) Iopt (x) d x = (1-R) Iopt (0) e(-α(λ)x) d x (1)
这里,R为反射系数;α(λ)为光吸收系数,对InGaAs ,α(λ)≈ (2-4) ×103 cm-1 ;
e-α(λ)反映入射光的利用率,当作用区长度L> 1/α(λ) 时,光的利用率可达95%以上;Iopt (0) 为起始光电流。它与探测器作用区中的内量子效率紧密相关,是材料结构参数的灵敏函数。
暗电流是指探测器在规定反向电压下无光照时的电流。它对探测器光接收灵敏度是一种噪声限制。也是衡量光探测器制作技术优劣的主要指标。该电流主要由PIN结耗尽区的产生电流、PIN结邻近区域的扩散电流、I区的隧道电流以及表面漏电流组成。对台面型器件,重要的是裸露的PIN台面周边保护问题。如果台面周边裸露的PIN结保护不佳,将导致表面漏电流较大,甚至成为暗电流的主要成分。通常,光敏面直径为45μm的平面型PIN-PD,暗电流一般小于1nA,而相同面积的台面型PIN-PD,暗电流一般大于10nA。我们制作的40Gb/s WD-PIN-PD,-3.3V下暗电流在0.2 nA至20nA范围。
3.2 光响应速率和-3dB带宽
数字通信光纤中传输的信号是数字式光信号,对40Gb/s光信号接受来说,光探测器必须具有高速跟踪信号的能力,其跟踪能力就是光响应速率。根据付立叶时域-频域变换,光响应速率可以用-3dB带宽来表征。
光响应速率受到载流子渡越时间,RC时间等因素的限制。
载流子渡越时间与反向偏压大小、载流子饱和漂移速度、渡越区厚度有关。光生载流子有两种——电子和空穴,它们的饱和漂移速度是不一样的。In0.53Ga0.47As中稳态电子、空穴饱和漂移速度与电场关系如图3所示。
40Gb/s WD-PIN-PD的RC时间可用其小信号等效电路的参数值RC来表示。40Gb/s WD-PIN-PD小信号等效电路如图4表示:
对于单通道40Gb/s 光传输系统来说,其光探测器一般不能采用正面进光的PIN-PD结构。因为这种正面进光的探测器PN结电容和杂散电容大、载流子渡越时间长,从而限制了它的光响应速率(或传输带宽)。为了提高光响应速率(带宽),探测器采用了窄条型侧面进光的波导型PIN结构(WD-PIN-PD)。这种结构的PN结电容可小于80ff (1ff = 10-15f ),且由于采用了半绝缘衬底,降低了杂散电容;通过减小光吸收区的厚度,减小了载流子渡越时间。这些结构上的变化,使波导型PIN光探测器的光响应带宽可大于30GHz,有的甚至达到50GHz以上。
2003年,我们开始设计、试制40Gb/s WD-PIN-PD,通过近两年的实践,我们成功地制作了40Gb/s WD-PIN-PD。测量结果表明,该探测器的暗电流小于15nA,光响应度可大于0.46A/W,而-3dB模拟带宽达32GHz。用它和40b/s TIA组装在一起,光接受灵敏度可达-7dBm。
2.40Gb/s WD-PIN-PD结构
40Gb/s WD-PIN-PD有几种不同的结构。我们设计了一种准共面波导(CPW)-侧面进光的波导型探测器一体化结构,其示意图如图1所示。
图1 具有CPW的40Gb/s WD-PIN-PD结构示意图
为便于形成平如镜面的进光面,先把它制作成一个双台面孪芯结构,如图2所示,最后通过解理技术,形成单个管芯.这种孪芯结构已申报了国家专利。双台面孪芯结构如图2所示。
图2 双台面孪芯结构示意图
40Gb/s WD-PIN-PD的光电特性包括I-V特性、波长响应特性、光电转换特性、开关特性等,它可以用光电流、暗电流、击穿电压、PN结电容、波长响应范围、光响应度、-3dB带宽、相对强度噪等技术指标来衡量其光电特性的优劣。对于40Gb/s WD-PIN-PD来说,关键的技术指标是暗电流、-3dB带宽和光响应度。
3.1光电流和暗电流
光电流是探测器中作用区(又称有源区)吸收光产生载流子、通过高场下漂移或扩散,进而在PIN耗尽区产生附加电势,并在外电路流过的电流。该电流与入射光功率、光耦合效率、入射面反射系数、探测器光敏面面积、探测器中吸收层材料的光吸收系数以及内量子效率等因素紧密相关。根据连续性方程和边界条件,光电流Iopt可以表示为:
Iopt = (1- R) Iopt (x) d x = (1-R) Iopt (0) e(-α(λ)x) d x (1)
这里,R为反射系数;α(λ)为光吸收系数,对InGaAs ,α(λ)≈ (2-4) ×103 cm-1 ;
e-α(λ)反映入射光的利用率,当作用区长度L> 1/α(λ) 时,光的利用率可达95%以上;Iopt (0) 为起始光电流。它与探测器作用区中的内量子效率紧密相关,是材料结构参数的灵敏函数。
暗电流是指探测器在规定反向电压下无光照时的电流。它对探测器光接收灵敏度是一种噪声限制。也是衡量光探测器制作技术优劣的主要指标。该电流主要由PIN结耗尽区的产生电流、PIN结邻近区域的扩散电流、I区的隧道电流以及表面漏电流组成。对台面型器件,重要的是裸露的PIN台面周边保护问题。如果台面周边裸露的PIN结保护不佳,将导致表面漏电流较大,甚至成为暗电流的主要成分。通常,光敏面直径为45μm的平面型PIN-PD,暗电流一般小于1nA,而相同面积的台面型PIN-PD,暗电流一般大于10nA。我们制作的40Gb/s WD-PIN-PD,-3.3V下暗电流在0.2 nA至20nA范围。
3.2 光响应速率和-3dB带宽
数字通信光纤中传输的信号是数字式光信号,对40Gb/s光信号接受来说,光探测器必须具有高速跟踪信号的能力,其跟踪能力就是光响应速率。根据付立叶时域-频域变换,光响应速率可以用-3dB带宽来表征。
光响应速率受到载流子渡越时间,RC时间等因素的限制。
载流子渡越时间与反向偏压大小、载流子饱和漂移速度、渡越区厚度有关。光生载流子有两种——电子和空穴,它们的饱和漂移速度是不一样的。In0.53Ga0.47As中稳态电子、空穴饱和漂移速度与电场关系如图3所示。
图3 稳态电子、空穴漂移速度与电场关系
40Gb/s WD-PIN-PD的RC时间可用其小信号等效电路的参数值RC来表示。40Gb/s WD-PIN-PD小信号等效电路如图4表示:
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