40Gb/s WD-PIN-PD/TIA 组件的光电特性及其测试

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。

图1 具有CPW的40Gb/s WD-PIN-PD结构示意图

图1 为CPW输出和WD- PIN-PD的一体化结构。这种结构的核心是40Gb/s WD- PIN-PD。它由掺Fe的半绝缘InP衬底、n+-InP过渡层、n-InP光匹配层、n-In0.52Al0.48As光波导层、i-In0.53Ga0.47As光吸收层、P-In0.52Al0.48As光波导层、P+-InP光匹配层和P+-In0.53Ga0.47As接触层构成，其中i-In0.53Ga0.47As光吸收层厚度为0.52-0.58μm。

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

3. 40Gb/s WD-PIN-PD的光电特性

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。 [page]

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

图3表明，当电场强度达5× 104 V/cm以上时，电子、空穴分别达到稳态饱和漂移速度2×106 Cm/s。 若渡越区厚度为0.58μm，电场强度为E = 5× 104 V/cm ，则这时所需外加反向偏置电压为2.9 v ，这时空穴渡越时间τP少于29ps，电子渡越时间τn少于10 ps。

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：

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。 [page]
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.