40Gb/s WD-PIN-PD/TIA 組件的光電特性及其測試
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3.1光電流和暗電流
光電流是探測器中作用區(qū)(又稱有源區(qū))吸收光產(chǎn)生載流子、通過高場下漂移或擴(kuò)散，進(jìn)而在PIN耗盡區(qū)產(chǎn)生附加電勢，并在外電路流過的電流。該電流與入射光功率、光耦合效率、入射面反射系數(shù)、探測器光敏面面積、探測器中吸收層材料的光吸收系數(shù)以及內(nèi)量子效率等因素緊密相關(guān)。根據(jù)連續(xù)性方程和邊界條件，光電流Iopt可以表示為:
Iopt = (1- R) Iopt (x) d x = (1-R) Iopt (0) e(-α(λ)x) d x (1)
這里，R為反射系數(shù);α(λ)為光吸收系數(shù)，對InGaAs ，α(λ)≈ (2-4) ×103 cm-1 ;
e-α(λ)反映入射光的利用率，當(dāng)作用區(qū)長度L> 1/α(λ) 時(shí)，光的利用率可達(dá)95%以上;Iopt (0) 為起始光電流。它與探測器作用區(qū)中的內(nèi)量子效率緊密相關(guān)，是材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏函數(shù)。
暗電流是指探測器在規(guī)定反向電壓下無光照時(shí)的電流。它對探測器光接收靈敏度是一種噪聲限制。也是衡量光探測器制作技術(shù)優(yōu)劣的主要指標(biāo)。該電流主要由PIN結(jié)耗盡區(qū)的產(chǎn)生電流、PIN結(jié)鄰近區(qū)域的擴(kuò)散電流、I區(qū)的隧道電流以及表面漏電流組成。對臺面型器件，重要的是裸露的PIN臺面周邊保護(hù)問題。如果臺面周邊裸露的PIN結(jié)保護(hù)不佳，將導(dǎo)致表面漏電流較大，甚至成為暗電流的主要成分。通常，光敏面直徑為45μm的平面型PIN-PD，暗電流一般小于1nA，而相同面積的臺面型PIN-PD，暗電流一般大于10nA。我們制作的40Gb/s WD-PIN-PD，-3.3V下暗電流在0.2 nA至20nA范圍。
3.2 光響應(yīng)速率和-3dB帶寬
數(shù)字通信光纖中傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字式光信號，對40Gb/s光信號接受來說，光探測器必須具有高速跟蹤信號的能力，其跟蹤能力就是光響應(yīng)速率。根據(jù)付立葉時(shí)域-頻域變換，光響應(yīng)速率可以用-3dB帶寬來表征。
光響應(yīng)速率受到載流子渡越時(shí)間，RC時(shí)間等因素的限制。
載流子渡越時(shí)間與反向偏壓大小、載流子飽和漂移速度、渡越區(qū)厚度有關(guān)。光生載流子有兩種——電子和空穴，它們的飽和漂移速度是不一樣的。In0.53Ga0.47As中穩(wěn)態(tài)電子、空穴飽和漂移速度與電場關(guān)系如圖3所示。
圖3 穩(wěn)態(tài)電子、空穴漂移速度與電場關(guān)系
40Gb/s WD-PIN-PD的RC時(shí)間可用其小信號等效電路的參數(shù)值RC來表示。40Gb/s WD-PIN-PD小信號等效電路如圖4表示：
圖4 40Gb/s WD-PIN-PD小信號等效電路
RC ≈（Rs + RL +jωLs）Cj = ε0εr（Rs + RL+jωLs ）A / w（2）
這里，A為PD的PN結(jié)面積，w為光作用區(qū)厚度。（2）式表明，要減小RC時(shí)間，就要盡量減小Rs 、RL和A；采用側(cè)面進(jìn)光的PIN-PD，目的就是減小A和w。
需要注意的是，對40Gb/s WD-PIN-PD 來說，Ls對傳輸特性和帶寬影響極大。100μm長的連線，阻抗將達(dá)20-30（它與連線粗度和形狀有關(guān)），電感將達(dá)30-40nH。因此，盡力減少互連線的長度對帶寬和傳輸損耗都是非常重要的。
40Gb/s WD-PIN-PD的帶寬Δf-3dB可通過測量其脈沖前沿上升時(shí)間t r來估算。
Δf-3dB與t r有如下近似關(guān)系：
Δf-3dB (GHz) ≈ 0.35 / t r (ns) (3)
如果t r 11 ps，則Δf-3dB > ≈31 GHz.。
這里 ，Δf-3dB 又可表示為：
Δf-3dB ≈ 1/[2π（ RC）2 + τn2 ]]-2 （4）
這里τn為電子的渡越時(shí)間。值得注意的是，RC和τn都與載流子渡越區(qū)厚度w有關(guān)。W越大，PIN結(jié)電容越小，而載流子的渡越時(shí)間則越大。這是相互矛盾的。因此W的選取應(yīng)折衷考慮。
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