40Gb/s WD-PIN-PD/TIA 组件的光电特性及其测试

图4 40Gb/s WD-PIN-PD小信号等效电路

图4中，Iph 为40Gb/s WD-PIN-PD等效电流源，RJ为PD反向便置下的等效内阻，通常在50 MΩ以上；Cj 为PIN结电容，一般小于80f F；CP 为杂散电容，通常把它略去；Rs为PD等效串连接触电阻，一般小于15Ω；RL为负载电组；Ls为互连线等效电感。对40Gb/s WD-PIN-PD，RC可表示为：

RC ≈（Rs + RL +jωLs）Cj = ε0εr（Rs + RL+jωLs ）A / w（2）

这里，A为PD的PN结面积，w为光作用区厚度。（2）式表明，要减小RC时间，就要尽量减小Rs 、RL和A；采用侧面进光的PIN-PD，目的就是减小A和w。

需要注意的是，对40Gb/s WD-PIN-PD 来说，Ls对传输特性和带宽影响极大。100μm长的连线，阻抗将达20-30（它与连线粗度和形状有关），电感将达30-40nH。因此，尽力减少互连线的长度对带宽和传输损耗都是非常重要的。

40Gb/s WD-PIN-PD的带宽Δf-3dB可通过测量其脉冲前沿上升时间t r来估算。

Δf-3dB与t r有如下近似关系：

Δf-3dB (GHz) ≈ 0.35 / t r (ns) (3)

如果t r 11 ps，则Δf-3dB > ≈31 GHz.。
这里 ，Δf-3dB 又可表示为：

Δf-3dB ≈ 1/[2π（ RC）2 + τn2 ]]-2 （4）

这里τn为电子的渡越时间。值得注意的是，RC和τn都与载流子渡越区厚度w有关。W越大，PIN结电容越小，而载流子的渡越时间则越大。这是相互矛盾的。因此W的选取应折衷考虑。
3.3 光响应度

衡量40Gb/s WD-PIN-PD的另一重要指标是光响应度(Re)，它是所产生的光生电流与入射光功率的比值。光响应度不仅与吸收层材料的吸收率、吸收长度、内量子效率、入射面反射率等有关，还与PN结离表面的距离和光纤耦合效率等紧密相关。对40Gb/s WD-PIN-PD仅有0.5×6μm2的进光面来说，光纤耦合效率及光纤定位是最关键的问题。

我们设计并制作了一种楔形光纤，采用一种特定垫片和特定固化胶，使40Gb/s WD-PIN-PD在200μW光功率下，光生电流达95-120μA。

3.4 40Gb/s PIN-PD-TIA组件光接收灵敏度

通过共面波导，把40Gb/s WD-PIN-PD和40Gb/s TIA精细组装起来，40Gb/s PIN-PD-TIA组件便制作完成了。经初步测试，该组件的光接收灵敏度可达-7dBm。

4.光电特性测试

我们通过湖北省电子产品质量检验监督所和中科院微电子所（测试S21），测量了40Gb/s SDH光纤通信设备用PIN-TIA组件，其检测结果如表1所示。

表1 40Gb/s SDH光纤通信设备用PIN-TIA组件检测结果

40Gb/s WG-PIN-PD的暗电流、响应度实测装置如图5所示。

图5 40Gb/s WG-PIN-PD的暗电流、响应度实测装置

结论

通过近2年不懈的努力，我们设计并制作出了具有自己知识产权40Gb/s CE侧面进光的波导型光探测器。初步测试表明，该光探测器在-3.3V下暗电流一般可小于15nA，光响应度可大于0.45A/W，-3dB下模拟电带宽可达32GHz。

作者单位：武汉电信器件有限公司
谢辞 在40Gb/s WD-PIN-PD研制工作中，罗飙、周鹏、王进、汪飞参加了工艺制作，张学军、雷诚进行了管芯安装、光耦合和测试，在此表示衷心的感谢。

参考文献
John E. Bowers and Charles A .Burrus, Ultrawide-Band Long-Wavelength P-I-N Photodetectors, J. of Lightwave Technology, vol. LT-5,No. 10, pp.1339-1350, October 1987.