空間耦合高速光電探測(cè)器的等效建模與實(shí)現(xiàn)

吳 丹 ,梁赫西 ,沈天浩 ,代永紅

(1.國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心,北京 100027;2.湖北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖北 黃石 435002;3.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072)

空間相干光通信領(lǐng)域中,由高速光電探測(cè)芯片為核心構(gòu)成的平衡光電探測(cè)器是相干光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一[1-2]。高速光電探測(cè)芯片的光敏面直徑、通信帶寬等參數(shù)直接影響著相干光通信系統(tǒng)的性能。目前,空間光耦合到光電探測(cè)器光敏面上的方式主要有單模光纖耦合和直接耦合。單模光纖的芯徑較小,對(duì)探測(cè)器光敏面的面積無(wú)太高要求,但耦合效率不高,損耗達(dá)3～8 dB;通過(guò)將空間光直接耦合到探測(cè)光敏面上會(huì)進(jìn)一步提高耦合效率、減少損耗、提高系統(tǒng)探測(cè)靈敏度,但要盡可能地增大探測(cè)器探測(cè)光敏面的面積,以克服大氣湍流效應(yīng)帶來(lái)的光斑抖動(dòng)的影響[3-6]。隨著半導(dǎo)體工藝水平的不斷提升,利用電學(xué)元件評(píng)估等效高速光電探測(cè)器件進(jìn)行建模,分析探測(cè)器光敏面面積及通信帶寬等參數(shù)性能已成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。早在1964 年,Lucovsky 等[7]就提出了光電二極管的數(shù)值分析模型,利用載流子運(yùn)動(dòng)來(lái)描述光電二極管內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。1994 年,陳維友等[8]建立了PIN 光電二極管的等效電路模型。隨后的近二十年間許多學(xué)者采用數(shù)值分析模型的方法獲得光電二極管內(nèi)部空間動(dòng)力學(xué)特性,進(jìn)行光電器件生長(zhǎng)過(guò)程中材料及器件等效結(jié)構(gòu)研究[9-11]。但采用以上方法建模在實(shí)際工程應(yīng)用中較為復(fù)雜,器件微帶網(wǎng)絡(luò)、封裝及高頻特性考慮較少。

本文針對(duì)空間相干光通信空間耦合方式對(duì)探測(cè)器光敏面大面積、高帶寬的需求,建立了PIN 光電二極管等效電路模型及TO 封裝電路模型。通過(guò)仿真分析了其光脈沖、頻率等特性,實(shí)驗(yàn)采用InGaAs-PIN 光電二極管驗(yàn)證了高頻等效電路的正確性,其性能參數(shù)優(yōu)于商業(yè)主流PD 供應(yīng)商COSEMI 公司[12]的產(chǎn)品PDA1003S,在保證大面積探測(cè)光敏面的同時(shí),提高了通信帶寬,進(jìn)一步優(yōu)化了探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度[13]。

1 等效電路建模

實(shí)際工程應(yīng)用中PIN 光電二極管的器件結(jié)構(gòu)由多層構(gòu)成,物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化分析,文中以摻雜的P 區(qū)、N 區(qū)及本征I 區(qū)為研究對(duì)象,且假設(shè)N、P 區(qū)耗盡層寬度相對(duì)于I 區(qū)可以忽略;本征I 區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻,邊緣效應(yīng)可以忽略。

根據(jù)載流子速率方程、電流連續(xù)性方程及邊界條件可知電路標(biāo)準(zhǔn)性方程為[7]:

式中:Pin為入射光功率;hν為光子能量;R為光電二極管端面的反射系數(shù);Wn、Wi、Wp分別為N、I、P 區(qū)域?qū)挾?αn、αi、αp分別為N、I、P 區(qū)光功率吸收系數(shù);Vn、Vi、Vp分別表示N、I、P 區(qū)電壓;νn和νp分別為I 區(qū)電子與空穴的漂移速度;τnr表示電子復(fù)合壽命;τnt表示電子漂移時(shí)間;ξn和ξp分別表示電子和空穴的碰撞激化率;C0為與電荷總量相關(guān)的電容;Ip、In分別為P 區(qū)和N 區(qū)電流。

根據(jù)式(1)、(4)得到PIN 光電二極管的N 區(qū)的等效模型,由式(2)、(5)得到PIN 光電二極管的P 區(qū)的等效模型、由式(3)可以得到PIN 光電二極管的I 區(qū)等效電路模型,則PIN 光電二極管的等效電路模型[8]如圖1 所示,左邊為光信號(hào)輸入級(jí)等效,中間從上到下分別對(duì)應(yīng)N 區(qū)、P 區(qū)與I 區(qū)的等效模型,虛線左邊為光端口,右邊為電端口。

圖1 PIN 光電二極管高頻等效電路模型Fig.1 The high frequency equivalent circuit model of PIN photodiode

考慮PIN 二極管寄生的串聯(lián)電阻Rs,封裝過(guò)程中的寄生參數(shù),可通過(guò)一個(gè)小信號(hào)等效電路模型描述PIN 光電二極管高頻等效電路模型,同時(shí)小信號(hào)模型可描述分析封裝后的PIN 光電二極管,該模型由芯片自身寄生參數(shù)和封裝寄生參數(shù)兩部分組成。如圖2 所示,其中Rd表示結(jié)電阻,Cd表示結(jié)電容,Ls表示饋線電感,Cp表示焊盤(pán)電容,Rp表示焊盤(pán)電阻。小信號(hào)模型在材料結(jié)構(gòu)清晰的條件下,光電二極管的等效電路建模適用于對(duì)二極管芯片的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

圖2 PIN 光電二極管高頻小信號(hào)等效電路模型Fig.2 Simplified model of high frequency equivalent circuit of PIN photodiode

2 封裝評(píng)估建模

光電二極管高頻等效電路模型是否與實(shí)際工程相符,可以通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀進(jìn)行評(píng)估,利用S參數(shù)對(duì)光電二極管高頻等效電路模型評(píng)估,原理如圖3 所示。

圖3 PIN 光電二極管S 參數(shù)測(cè)試原理圖Fig.3 S parameter test schematic of PIN photodiode

圖3 中激光調(diào)制器的S參數(shù)矩陣可表示為:

光電二極管的S參數(shù)矩陣可表示為:

激光管和光電二極管級(jí)聯(lián)的鏈形散射矩陣可表示為:

式(8)轉(zhuǎn)化為S參數(shù)矩陣為:

若封裝寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的S參數(shù)矩陣為:

則含有封裝寄生網(wǎng)絡(luò)的總級(jí)聯(lián)S參數(shù)矩陣可表示為:

根據(jù)微波S參數(shù)理論,考慮封裝參數(shù)建立光電二極管TO 封裝評(píng)估等效電路模型如圖4 所示。

圖4 PIN 光電二極管TO 封裝高頻電路模型Fig.4 High frequency circuit model for PIN photodiode TO package

圖4 中,I(jω) 為理想光電二極管的電流源,CJ為PIN 光電二極管的結(jié)電容,RJ為PIN 光電二極管反向偏置時(shí)的結(jié)電阻,R1為金絲燒結(jié)引入的串聯(lián)電阻,L1為綁定金絲的電感,C1為金絲綁定引入的寄生電容,R2為T(mén)O 封裝座引入的串聯(lián)電阻,L2和L3以及C2和C3分別是TO 封裝引入的寄生電感與寄生電容。元件參數(shù)的選取可以用實(shí)測(cè)的S參數(shù),采用擬合的方式確定。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)將PIN 光電二極管進(jìn)行了封裝,如圖5 所示。

圖5 PIN TO 封裝Fig.5 TO packaging on PIN

根據(jù)圖4 所示的TO 封裝等效電路模型參數(shù),直徑25 μm 的金絲單位長(zhǎng)度的等效電感為1 nH/mm,等效電阻為2 Ω/mm[14]。L1的封裝長(zhǎng)度為450 μm,對(duì)應(yīng)的電感取樣為0.45 nH,對(duì)應(yīng)的等效串聯(lián)電阻取值是0.9 Ω。參數(shù)CJ是PIN 光電二極管重要的高頻參數(shù),通 過(guò) Advanced Design System (ADS) 軟 件 與R&SZNB40 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工具進(jìn)行模擬仿真,ADS軟件調(diào)節(jié)元件CJ的參數(shù)值,使S22的擬合曲線與實(shí)際測(cè)試盡可能一致,表1 給出了模擬元件參數(shù)值。

表1 PIN 光電二極管TO 封裝的等效元件參數(shù)表Tab.1 Equivalent element parameter table for PIN photodiode TO package PIN

PIN 光電二極管的相應(yīng)帶寬和光電二極管的結(jié)電容與通信速率之間的仿真關(guān)系如圖6 所示,從圖6(a)可以看出,仿真的數(shù)據(jù)表明在10 Gbps 的通信速率下,均可以保持響應(yīng)度的一致性,而圖6(b)結(jié)電容仿真圖表明,在10 Gbps 通信速率的條件下,其結(jié)電容大約在0.5 pF。

圖6 PIN 光電二極管帶寬與結(jié)電容仿真圖Fig.6 PIN photodiode bandwidth and junction capacitance simulation

圖7 給出了測(cè)試與ADS 軟件模擬的S22曲線對(duì)比圖。模擬參數(shù)S22的結(jié)果與測(cè)試端口的S22參數(shù)基本吻合,說(shuō)明模擬結(jié)果的正確性,同時(shí)也說(shuō)明了PIN 光電二極管等效電路建模的合理性。

圖7 測(cè)量結(jié)果與模擬建模的對(duì)比圖Fig.7 Comparison of measurement results with analog modeling

PIN 光電二極管封裝后的S22和S21參數(shù)曲線如圖8所示。圖8(a)表示了TO 封裝座的輸出端口S22的實(shí)部與虛部,圖8(b)表示了測(cè)試電路的TO 封裝的測(cè)試座的S21響應(yīng)參數(shù),圖中顯示電路3 dB 帶寬點(diǎn)為6.106 GHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足通信速率5 Gbps 穩(wěn)定通信要求。

圖8 PIN 光電二極管封裝后反射系數(shù)與傳輸系數(shù)Fig.8 Reflection coefficient and transmission coefficient of PIN photodiode package

將同一批次的兩個(gè)光電二極管的樣品進(jìn)行TO 封裝,一個(gè)樣品在中國(guó)華東電子測(cè)量?jī)x器研究所光電計(jì)量校準(zhǔn)中心進(jìn)行相對(duì)頻率響應(yīng)度測(cè)試,另一個(gè)根據(jù)光電二極管TO 封裝的等效元件參數(shù)表1,采用ADS 軟件對(duì)相對(duì)頻率響應(yīng)進(jìn)行了仿真擬合,圖9 給出仿真擬合結(jié)果與測(cè)試樣片的相對(duì)頻率響應(yīng)的對(duì)比圖。

圖9 PIN 光電二極管相對(duì)頻率響應(yīng)測(cè)試圖Fig.9 Relative frequency response test of PIN photodiode

從圖9 可以看出:在頻率小于3.5 GHz(通信速率5 Gbps)區(qū)間內(nèi),模擬的頻率響應(yīng)和實(shí)際的測(cè)試值比較接近,在不同頻率點(diǎn)下探測(cè)器的頻響波動(dòng)不超過(guò)0.4 dB,在3.5～5.5 GHz 之間測(cè)試曲線稍微有點(diǎn)隆起,這是封裝金絲的長(zhǎng)度有一定的差異或者是同一基片上的兩個(gè)樣片之間存在一定差異;但截止頻率響應(yīng)也與實(shí)際的測(cè)試曲線基本一致,反映了高頻等效電路建模的正確性。

實(shí)驗(yàn)選用光敏面直徑為100 μm,通信速率為5 Gbps 的光電探測(cè)芯片,選用的一致性高于98.5%,兩只PIN 光電二極管應(yīng)用于平衡探測(cè)器封裝如圖10 所示。

圖10 空間耦合的平衡探測(cè)器封裝示意圖Fig.10 Schematic diagram of spatial coupled balanced detector package

平衡探測(cè)器在單端輸入工作狀態(tài)下測(cè)試通信眼圖如圖11 所示。測(cè)試結(jié)果顯示,大面積高速光電探測(cè)芯片用于空間耦合平衡探測(cè)器可正常工作在100 Mbps～5 Gbps 通信速率下(10-9誤碼率);通過(guò)搭建空間耦合相干測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試結(jié)果顯示其相干探測(cè)靈敏度在5 Gbps 時(shí),靈敏度可達(dá)-43.4 dBm。

圖11 5 Gbps 通信眼圖Fig.11 5 Gbps communication eye diagram

4 結(jié)論

本文建立了基于載流子速率方程和微波網(wǎng)絡(luò)端口特性的PIN 光電二極管高頻等效模型和TO 封裝模型,并將其應(yīng)用于相干探測(cè)體系中平衡探測(cè)器整體封裝中。通過(guò)參數(shù)模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示:測(cè)試參數(shù)與模擬參數(shù)曲線近似一致,InGaAs-PIN 光電二極管光敏面直徑為100 μm,結(jié)電容為0.47 pF,帶寬為5 GHz,成功應(yīng)用于空間相干探測(cè)體系平衡探測(cè)器模塊。實(shí)驗(yàn)充分證明了模型的有效性和正確性,這對(duì)大面積高速光電探測(cè)芯片研制及相干體系中平衡探測(cè)器的模塊開(kāi)發(fā)提供了參考。