空間耦合高速光電探測器的等效建模與實現

吳 丹 ,梁赫西 ,沈天浩 ,代永紅

(1.國家計算機網絡與信息安全管理中心,北京 100027;2.湖北師范大學 計算機與信息工程學院,湖北 黃石 435002;3.武漢大學 電子信息學院,湖北 武漢 430072)

空間相干光通信領域中,由高速光電探測芯片為核心構成的平衡光電探測器是相干光通信系統的關鍵器件之一[1-2]。高速光電探測芯片的光敏面直徑、通信帶寬等參數直接影響著相干光通信系統的性能。目前,空間光耦合到光電探測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,對探測器光敏面的面積無太高要求,但耦合效率不高,損耗達3～8 dB;通過將空間光直接耦合到探測光敏面上會進一步提高耦合效率、減少損耗、提高系統探測靈敏度,但要盡可能地增大探測器探測光敏面的面積,以克服大氣湍流效應帶來的光斑抖動的影響[3-6]。隨著半導體工藝水平的不斷提升,利用電學元件評估等效高速光電探測器件進行建模,分析探測器光敏面面積及通信帶寬等參數性能已成為了該領域的研究熱點。早在1964 年,Lucovsky 等[7]就提出了光電二極管的數值分析模型,利用載流子運動來描述光電二極管內部光電轉換過程。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者采用數值分析模型的方法獲得光電二極管內部空間動力學特性,進行光電器件生長過程中材料及器件等效結構研究[9-11]。但采用以上方法建模在實際工程應用中較為復雜,器件微帶網絡、封裝及高頻特性考慮較少。

本文針對空間相干光通信空間耦合方式對探測器光敏面大面積、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。通過仿真分析了其光脈沖、頻率等特性,實驗采用InGaAs-PIN 光電二極管驗證了高頻等效電路的正確性,其性能參數優于商業主流PD 供應商COSEMI 公司[12]的產品PDA1003S,在保證大面積探測光敏面的同時,提高了通信帶寬,進一步優化了探測系統的探測靈敏度[13]。

1 等效電路建模

實際工程應用中PIN 光電二極管的器件結構由多層構成,物理結構復雜,為了簡化分析,文中以摻雜的P 區、N 區及本征I 區為研究對象,且假設N、P 區耗盡層寬度相對于I 區可以忽略;本征I 區電場強度分布均勻,邊緣效應可以忽略。

根據載流子速率方程、電流連續性方程及邊界條件可知電路標準性方程為[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;Wn、Wi、Wp分別為N、I、P 區域寬度;αn、αi、αp分別為N、I、P 區光功率吸收系數;Vn、Vi、Vp分別表示N、I、P 區電壓;νn和νp分別為I 區電子與空穴的漂移速度;τnr表示電子復合壽命;τnt表示電子漂移時間;ξn和ξp分別表示電子和空穴的碰撞激化率;C0為與電荷總量相關的電容;Ip、In分別為P 區和N 區電流。

根據式(1)、(4)得到PIN 光電二極管的N 區的等效模型,由式(2)、(5)得到PIN 光電二極管的P 區的等效模型、由式(3)可以得到PIN 光電二極管的I 區等效電路模型,則PIN 光電二極管的等效電路模型[8]如圖1 所示,左邊為光信號輸入級等效,中間從上到下分別對應N 區、P 區與I 區的等效模型,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 二極管寄生的串聯電阻Rs,封裝過程中的寄生參數,可通過一個小信號等效電路模型描述PIN 光電二極管高頻等效電路模型,同時小信號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和封裝寄生參數兩部分組成。如圖2 所示,其中Rd表示結電阻,Cd表示結電容,Ls表示饋線電感,Cp表示焊盤電容,Rp表示焊盤電阻。小信號模型在材料結構清晰的條件下,光電二極管的等效電路建模適用于對二極管芯片的優化與設計。

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

2 封裝評估建模

光電二極管高頻等效電路模型是否與實際工程相符,可以通過矢量網絡測試儀進行評估,利用S參數對光電二極管高頻等效電路模型評估,原理如圖3 所示。

圖3 PIN 光電二極管S 參數測試原理圖Fig.3 S parameter test schematic of PIN photodiode

圖3 中激光調制器的S參數矩陣可表示為:

光電二極管的S參數矩陣可表示為:

激光管和光電二極管級聯的鏈形散射矩陣可表示為:

式(8)轉化為S參數矩陣為:

若封裝寄生參數網絡對應的S參數矩陣為:

則含有封裝寄生網絡的總級聯S參數矩陣可表示為:

根據微波S參數理論,考慮封裝參數建立光電二極管TO 封裝評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 光電二極管的結電容,RJ為PIN 光電二極管反向偏置時的結電阻,R1為金絲燒結引入的串聯電阻,L1為綁定金絲的電感,C1為金絲綁定引入的寄生電容,R2為TO 封裝座引入的串聯電阻,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。元件參數的選取可以用實測的S參數,采用擬合的方式確定。

3 仿真與實驗

實驗將PIN 光電二極管進行了封裝,如圖5 所示。

圖5 PIN TO 封裝Fig.5 TO packaging on PIN

根據圖4 所示的TO 封裝等效電路模型參數,直徑25 μm 的金絲單位長度的等效電感為1 nH/mm,等效電阻為2 Ω/mm[14]。L1的封裝長度為450 μm,對應的電感取樣為0.45 nH,對應的等效串聯電阻取值是0.9 Ω。參數CJ是PIN 光電二極管重要的高頻參數,通 過 Advanced Design System (ADS) 軟 件 與R&SZNB40 矢量網絡分析儀工具進行模擬仿真,ADS軟件調節元件CJ的參數值,使S22的擬合曲線與實際測試盡可能一致,表1 給出了模擬元件參數值。

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

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

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

圖7 給出了測試與ADS 軟件模擬的S22曲線對比圖。模擬參數S22的結果與測試端口的S22參數基本吻合,說明模擬結果的正確性,同時也說明了PIN 光電二極管等效電路建模的合理性。

圖7 測量結果與模擬建模的對比圖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的實部與虛部,圖8(b)表示了測試電路的TO 封裝的測試座的S21響應參數,圖中顯示電路3 dB 帶寬點為6.106 GHz,遠遠滿足通信速率5 Gbps 穩定通信要求。

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

將同一批次的兩個光電二極管的樣品進行TO 封裝,一個樣品在中國華東電子測量儀器研究所光電計量校準中心進行相對頻率響應度測試,另一個根據光電二極管TO 封裝的等效元件參數表1,采用ADS 軟件對相對頻率響應進行了仿真擬合,圖9 給出仿真擬合結果與測試樣片的相對頻率響應的對比圖。

圖9 PIN 光電二極管相對頻率響應測試圖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)區間內,模擬的頻率響應和實際的測試值比較接近,在不同頻率點下探測器的頻響波動不超過0.4 dB,在3.5～5.5 GHz 之間測試曲線稍微有點隆起,這是封裝金絲的長度有一定的差異或者是同一基片上的兩個樣片之間存在一定差異;但截止頻率響應也與實際的測試曲線基本一致,反映了高頻等效電路建模的正確性。

實驗選用光敏面直徑為100 μm,通信速率為5 Gbps 的光電探測芯片,選用的一致性高于98.5%,兩只PIN 光電二極管應用于平衡探測器封裝如圖10 所示。

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

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

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

4 結論

本文建立了基于載流子速率方程和微波網絡端口特性的PIN 光電二極管高頻等效模型和TO 封裝模型,并將其應用于相干探測體系中平衡探測器整體封裝中。通過參數模擬及實驗驗證顯示:測試參數與模擬參數曲線近似一致,InGaAs-PIN 光電二極管光敏面直徑為100 μm,結電容為0.47 pF,帶寬為5 GHz,成功應用于空間相干探測體系平衡探測器模塊。實驗充分證明了模型的有效性和正確性,這對大面積高速光電探測芯片研制及相干體系中平衡探測器的模塊開發提供了參考。