авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«И.Ю.Денисюк, Л.Н.Аснис, М.И. Фокина Н.О. Собещук Применение элементов фотоники в специальной аппаратуре Учебное ...»

-- [ Страница 2 ] --

Выходная мощность типичных лазеров 10-15 мВт. Преимуществом малогабаритных твердотельных лазеров является высокая возможная выходная мощность излучения (до нескольких сотен милливатт), недостатком – необходимость внешних модулирующих устройств. С другой стороны, максимальная допустимая мощность излучения требует дополнительных исследований с точки зрения допустимых фазовых шумов и, соответственно, долговременной и температурной стабильности фазы модуляции.

4.4 Фотодетекторы Одним из базовых компонентов волоконной оптики, посредством которой осуществляется регистрация оптического излучения, являются приемники оптического излучения. Приемники оптического излучения выполнены на основе фото-чувствительных полупроводниковых элементов, использующих явление фотопроводимости (внутреннего фотоэффекта), которое заключается в увеличении электропроводности при возбуждении светом носителей валентной зоны и зоны проводимости полупроводника. Для применения в ППМ АФАР наиболее приемлемым является приемник оптического излучения на базе р-НЕМТ (High Eleсtron Mobility Transistor) полевого транзистора, т.к. это устройство не требует дополнительных схем обеспечения работы, как у традиционных фотоприемников, таких как микрохолодильники, цепи согласования с СВЧ трактом и т.д. Приемники оптического излучения на базе р-НЕМТ полевых транзисторов имеют чувствительность 0,8-0,9 А/ВТ, требуют входную оптическую мощность 1-1,5 мВт и имеют темновой ток – менее 20 нА. Такие приемники оптического излучения могут применяться в передающем и приемных трактах ППМ.

В качестве высокочастотных фотодетекторов в оптических линиях используются, как правило, PIN- фоодетекторы с чувствительностью 0,3 0,8 А/Вт, частотной характеристикой свыше 10 ГГц и допустимой световой мощностью на входе 1 -15 мВт.

Решение проблемы аналого-цифрового преобразования на оптической несущей опирается на 3 подхода к этой проблеме. Первый подход связан с оптической дискретизацией и электронным квантованием для улучшения характеристик электронных АЦП. Достигнуты результаты: более 1 гигавыборки в секунду, максимальное отношение сигнал-шум 74 дБ (12 битов), динамический диапазон более 61 дБ. Данный тип устройств требует преобразование с оптической несущей в СВЧ и введение импульсного лазера с длительностью импульсов менее 50фс.

Вторым типом устройств являются электронно-оптические АЦП.

Модулированная СВЧ сигналом оптическая несущая подается в зависимости от разрядности преобразования на входы нескольких ЭОМ, т.е. делится демультиплексором. При приложении к плечу интерферометра Маха-Цендера соответствующего напряжения происходит рекомбинация фаз и в случае противофазного сложения получаем «0» и сложения в фазе - «1», если интенсивность превышает порог на фотоприемнике. Скорость работы такого АЦП более 1 ГГц с импульсами дискретизации менее 10 пс.

Третьим типом устройств являются устройства основанные на матричных фотоприемниках обеспечивающих съем СВЧ сигнала на высокоскоростные матричные сдвиговые регистры и преобразование сигнала в ненормированный код с последующим преобразованием на электронных однобитных АЦП в код, обеспечивающий последующую обработку в ЭВМ. Во втором типе устройств для снижения скорости ввода информации необходимо либо ступенчатое гетеродинирование оптической несущей промодулированной СВЧ сигналом путем подмешивание оптической несущей промодулированной СВЧ сигналом с более низкой частотой, либо применение метода предложенного в 3-м типе устройств.

4.5 Оценка оптических потерь в тракте Оптические потери в системе складываются из оптических потерь отдельных элементов и потерь на их стыковки.

Оптические потери в волокне системы составляют 0,34 дБ/км. По сравнению с другими потерями эта величина достаточно мала.

Оптические потери на стыковках элементов (4 - 5 элементов) составляют 2-5 дБ на одно соединение, т.е. оптические потери на стыковку элементов в одном канале могут составлять 8 – 25 дБ.

Минимальные (по опубликованным данным) оптические потери в модуляторе при условии достижения полуволнового напряжения находятся в диапазоне от 2 до 4 – 6 дБ.

Следовательно, общие оптические потери в канале составляют около 30 дБ.

Относительные шумы лазерного излучения для твердотельных лазеров с диодной накачкой менее -160дБ/Гц, для п/п лазеров – 140 дБ/Гц ( в паре с PIN фотодетектором ). Для уменьшения когерентных шумов в системе следует применять специальные коннекторы со скошенным торцом волокна типа АС/APC.

4.6 Перспективные элементы фотоники на основе кремниевой технологии Другим важным направлением в развитии перспективных фотонных элементов для передающих и приемных систем с фазированными антенными решетками является применение для изготовления кремниевой технологии, которая позволяет технологически организовать соединения фотонных схем с электронными схемами, которые традиционно делаются на основе кремниевой технологии.

Пока коммерческого использования этой технологии не существует, однако в последние годы созданы на основе кремниевой технологии практически все элементы – лазеры, фотодетекторы, разветвители, фазовые модуляторы и модуляторы по интенсивности на основе интерференционной схемы Маха Цендера, кремниевые волноводы и т.д. Удалось также создать монолитные интегральные схемы, соединенные на одной плате с электроникой.

Трудность в изготовлении кремниевых лазеров связана с тем, что в кремнии существует запрещенная энергетическая зона с непрямыми переходами, что приводит к тому, что вероятность безызлучательных переходов становится выше, чем испускание света. Для преодоления этого в кремний был введен эрбий. Если провести дополнительное легирование эрбия кислородом, то в решетке получаются оптически активные ионы.

В результате исследований уже создан как легированный одночастотный лазер, так и перестраиваемые лазеры.

Другой путь повышения эффективности излучения света - снижения количества безизлучательных переходов путем уменьшения диффузии носителей к центрам безызлучательной рекомбинации путем применения нанокристаллов или использования квантовых ям и дефектов кристаллической решетки.

На рис. 23 представлена схема лазера с внешним резонатором и кремниевого волокна с решеткой Брэгга в качестве фильтра для генерируемой длины волны.

Решетка Брэгга изготавливалась путем нанесения бороздок на пластину «кремний на изоляторе», а затем решетка помещалась в волокно, которое стыковалось с чипом усилителя. Решетка Брэгга служила одним зеркалом резонатора лазера, другим являлось зеркало с 90% отражающим покрытием на чипе усилителя.

Генерируемое излучение выходило со стороны 90% отражающего покрытия и попадало в конус одномодового волокна с линзой для увеличения связи между волокном и лазером.

Рис. 23. Схема лазера с внешним резонатором В 2005г. был создан кремниевый лазер непрерывного действия на основе эффекта Рамана. Лазерное излучение (излучение накачки) заводится в волокно, где фотоны поглощаются атомами кристаллической решетки, которые, с одной стороны начинают раскачиваться, образуя колебательные фотоны, с другой стороны, образуются оптические фотоны с меньшей частотой. При поглощении фотона с длиной волны 1,55 мкм образуются оптические фотоны с длиной волны 1,63 мкм. В отличие от эффекта Рамана в обычных волноводах, где требуются очень большие длины волокна, при использовании кремниевого волновода длина взаимодействия уменьшается и составляет несколько сантиметров.(настолько эффективнее взаимодействие в кремнии). Мощность излучения накачки можно увеличивать до определенного предела, пока не начнется двухфотонное поглощение, освобождение двух электронов и поглощение на них как излучения накачки, так и сигнального излучения, что ведет к уменьшению эффективности усиления.

Кремниевый лазер представляет собой pin-структуру, подобную схеме планарного транзистора (рис. 24). Используя лазер накачки мощностью в доли Вт, была получена плотность мощности 25 мВт/ см2.

В связи с трудностями юстировки лазера накачки с кремниевым волноводом была разработана схема гибридного лазера. В таком лазере активным материалом является фосфид индия, расположенный над кремниевым волноводом и отделен от него тонким слоем диэлектрика – оксида кремния. При приложении напряжения между электродами возникает поток электронов и через фосфид индия проходит электрический ток, где в процессе рекомбинации возникают фотоны, которые переходят в волноводный слой. Лазеры работают на длине волны 1,577 мкм с выходной мощностью до 1,8 мВт.

Рис. 24. Схема планарного транзистора Трудности изготовления быстродействующего модулятора на кремнии связаны с тем, что кремний не является электрооптическим материалом. На базе МОП – конденсатора, встроенного в пассивный кремниевый волновод, удалось создать фазовый модулятор на длину волны 1,5 мкм с частотой 2, ГГц, а на его базе модулятор Маха-Цендера. Все остальные способы получения модуляции (поглощение света на свободных носителях, термоэффект) позволяют работать только на относительно низких частотах.

В 2004г. был продемонстрирован модулятор, работающий на свободных носителях, с частотой модуляции 1 ГГц (Рис. 25). Присутствие свободных носителей в кремнии вызывает изменение коэффициента преломления, что ведет к изменению фазы проходящего света. Прикладывая напряжение к плечу или к обоим плечам интерферометра, производят модуляцию интенсивности на выходе.

Планируется получение частот модуляции до 10 ГГц.

Рис. 25. Модулятор на основе фазосдвигающей схемы На рис. 26 представлен кремниевый фазовый модулятор, основанный на эффекте рассеяния света на сводных носителях заряда.

Фотодетекторы, работающие на кремнии, уже применяются в оптоэлектронике, однако до недавнего времени рабочая длина волны их была ограничена областью 0,4 – 0,7 мкм. Для создания фотодетекторов на кремнии в области длин волн 1,3 и 1,5 мкм, где эти материалы прозрачны, в кремний вводятся примеси германия. Это приводит к увеличению уменьшению ширины запрещенной зоны и увеличению длины волны принимаемого света Изолятор Поликристаллический р-тип Si Поликристаллический р-тип Si SiO2 n-тип Si Si SiO SiO Si Рис. 26. Структурная схема оптического кремниевого фазового модулятора На рис. 27 представлен фотодетектор на базе оптических волноводов из SiGe.

Оптический волновод формируется выступом из кремния с p-проводимостью (p Si) и располагается перпендикулярно сечению. В области SiGe находится множество квантовых ям.

Рис. 27. Фотодетектор на базе оптических волноводов из SiGe.

Чувствительность достигала 0,1 А/Вт и выше.

Успехи, достигнутые в кремниевой технологии фотонных элементов, позволяют сказать, что через несколько лет эта технология будет ведущей для производства фотонных систем разного функционального назначения.

4. 7. Фотодиоды структуры Металл - Полупроводник - Металл основа фотоники диапазона 100 ГГц Рассмотренные в предыдущих разделах p-n и p-i-n фотодиоды составляют основу современной фотоники, обеспечивая полосу пропускания сигнала до 10 15 ГГц. Именно ограничение полосы пропускания электроники лимитирует полосу пропускания оптоволокна, составляющую порядка 1 ТГц. Это несоответствие между возможностями фотоприемников и оптоволоконных линий связи существенно тормозит освоение миллиметрового диапазона радиочастот при оптической обработке сигнала антенны.

Как было рассмотрено в предыдущих разделах ограничение полосы фотоприемника связано с накоплением и медленной диффузией носителей заряда в областях с низкой величиной напряженности электрического поля. Диоды Шоттки (металл - полупроводник) не имеют неосновных носителей, а электрическое поле приложено ко всей структуре. Следовательно здесь можно ожидать максимального быстродействия, определяемого только временем пролета носителей между электродами. Поэтому в последнее время наблюдается значительный исследовательский и практический интерес к фотодиодным структурам на основе выпрямляющих контактов в системе металл полупроводник-металл (МПМ).

Структура таких диодов достаточно проста: встречно-штыревые контакты методами фотолитографии формируются на поверхности активного слоя полупроводникового материала, выращенного на полуизолирующей подложке.

Световое излучение, падающее на поверхность МПМ диода, в пределах глубины поглощения создает электронно-дырочные пары, которые разделяются внутренним электрическим полем, создавая фототок во внешней цепи.

Уменьшение расстояния между встречно-штыревыми контактами при одновременном сжатии активной области диода рассматривается как основной путь увеличения быстродействия МПМ детектора. По мере развития технологических методов межконтактный зазор МПМ диода непрерывно уменьшался, переходя в область субмикронных и даже нанометровых размеров.

МПМ детектор с наименьшими размерами контактов (ширина штыря и зазора 25нм) был изготовлен методами электронной литографии. При этом для достижения балансированного влияния времени переноса носителей заряда и емкости МПМ диода с межконтактным зазором 25 нм его активная область уменьшена до 1 1 м, что приводит к трудноразрешимой проблеме фокусирования принимаемого излучения при использовании таких структур в реальном эксперименте. Импульсный отклик такого диода не был измерен, а моделирование в рамках одномерной модели методом Монте-Карло дает ширину полосы пропускания детектора (400 GHz) (-3dB) и постоянную времени=0.25 ps.

Скорость дрейфа носителей в междуэлектродном зазоре близка к скоростям насыщения. В этом случае время дрейфа носителей к соответствующим встречно штыревым контактам будет определяться t = dr 2V, (31) где 1 1 4 + = V 4 2 Ve Vh (32) t- зазор между встречно-штыревыми контактами;

- корректирующий коэффициент;

V - средняя скорость дрейфа носителей;

Ve, Vh - дрейфовая скорость насыщения для электронов и дырок соответственно.

Для GaInAs скорость максимальная носителей заряда равна 2 107 см/с.

4.7.1. Внутреннее поле и динамика транспорта носителей заряда Рассмотрим структуру МПМ диода. На рис. 28 дается расчетное распределение электрического поля в единичной ячейке МПМ фотодиода с величиной межэлектродного зазора 0.1 м. Моделирование показывает, что электрическое поле достаточно сильное в приповерхностной области, но быстро спадает при движении в глубь диода. Так, при напряжении смещения 1.5 В электрическое поле с напряженностью 2В/м находится примерно на глубине 0. м, в то время как на глубине 0.3 м напряженность поля уже в 20 раз меньше.

Сильная неоднородность внутреннего поля планарного МПМ диода с малым зазором приводит к модификации скорости пространственного разделения токовых носителей - дрейфовые скорости носителей заряда зависят от величины напряженности электрического поля, причем более «тяжелые» дырки движутся медленнее электронов. В результате электроны весьма быстро собираются на контактах, поскольку они имеют высокую скорость дрейфа как в области большой напряженности электрического поля, около поверхности диодной структуры, так и в области низких значений поля, в глубине диода. В отличие от дырок, скорость дрейфа которых постоянно спадает при уменьшении поля, скорость дрейфа электронов достигает своей максимальной величины при сравнительно низких полях.

Рис. 28. Распределение электрического поля (цифры у кривых, V/m) в единичной ячейке планарного GaInAs МПМ диода. Напряжение смещение на контактах диода 1.5 V.

Такое поведение обусловлено особенностями зонной структуры GaInAs:

междолинный переброс электронов из низлежащей Г долины зоны проводимости в энергетически более высокие L и Х долины ведет к снижению их скорости дрейфа. В то же время напряженность электрического поля в активном объеме диода слишком мала для большинства дырок и они движутся при скоростях, значительно меньших скорости насыщения. Между тем в области 0.5-1 м при движении в глубь диода электрическое поле весьма слабое, в том числе и для электронов, скорость их дрейфа здесь также мала. Все же электроны уходят из активной области диода (определяемой глубиной проникновения излучения) гораздо быстрее дырок. Моделирование показывает, что даже после 3 ps, когда все электроны уже покинули активную область диода, довольно много дырок все еще остается внутри диода, приводя к длинному «хвосту» в сигнале импульсного отклика планарного МПМ диода и уменьшенной квантовой эффективности (рис.

29). Таким образом, наряду с технологической сложностью изготовления МПМ структур с субмикронным зазором и трудностями фокусирования принимаемого излучения на малую светочувствительную площадку, основной проблемой таких структур является низкая эффективная глубина проникновения электрического поля в активный объем фотодиода. Как результат скорости дрейфа носителей заряда далеки от насыщения, непостоянны и сильно зависят от местоположения носителей заряда. Следует также заметить, что в планарных МПМ структурах с субмикронным и нанометровым зазором дистанции дрейфа фотогенерированных носителей заряда определяются не столько расстоянием между контактами, сколько глубиной проникновения принимаемого излучения, и примерно равны зазору между контактами только для носителей, которые фотогенерированы непосредственно в приповерхностной области диода (рис. 30). Дистанция дрейфа других носителей заряда к соответствующим контактам намного больше. В результате импульсный отклик детектора, несмотря на очень малый межэлектронный зазор, в значительной степени затягивается из-за влияния медленной компоненты дырочного тока (рис.29).

При этом FWHM (полная ширина сигнала импульсного отклика, измеренная на половине его амплитуды) равна 2.8 ps, а время спада отклика диода (по уровню 90-10%) составляет 5.5 ps. Увеличение напряжения смещения приводит лишь к незначительному улучшению рассматриваемой ситуации. Хотя скорость дрейфа дырок растет при увеличении смещения, в то же время скорость электронов несколько падает относительно своего пикового значения. Необходимо приложить еще большее напряжение смещения, чтобы компенсировать резкий спад напряженности поля в субмикронных структурах и достичь скоростей насыщения для большинства токовых носителей. Однако большое напряжение на обратно-смещенном барьере Шоттки приводит к высоким значениям напряженности поля на концах встречно-штыревых контактов, что ведет к лавинному пробою перехода. По этим причинам для достижения всех преимуществ структур с малым (доли микрона) межконтактным зазором фотогенерация носителей тока должна быть ограничена только приповерхностной областью полупроводника, т. е. областью сильного поля. МПМ диоды на основе многослойных полупроводниковых структур довольно широко используются в качестве детекторов оптического излучения на длинах волн 1.3 - 1.6 м. Обычно тонкий слой широкозонного полупроводникового материала вводится между светопоглощающим GaInAs и металлом Шоттки контакта, чтобы уменьшить темновой ток МПМ диода вследствие низкой высоты естественного барьера на GaInAs.

Рис. 29. Импульсный отклик Рис.30. Распределение планарного GaInAs МПМ на длинне электронов/дырок в единичной волны 750 нм. Ширина электрода и ячейке GaInAs МПМ диода в первый межэлектродный зазор 100 нм, момент после прибытия импульса напряжение смещения 1.5 В. оптического возбуждения на длине волны 750 нм.

Рис. 31. Разрез InP/GaInAs гетерофотодиодной структуры. 1 – встречно штыревые контакты, 2 – 100 нм InP, 3 – 800 нм GaInAs, 4 – 300 нм InP (буфер), 5 – полуизолирующая подложка InP.

При этом добавочный слой не поглощает световое излучение в длинноволновой области, а образующийся гетеробарьер является вредным, поскольку препятствует эффективному проникновению электрического поля в активный GaInAs. Исследуются возможности быстродействующего детектирования оптического сигнала, которая заключается в использовании InP/ GaInAs гетеробарьера для эффективного блокирования носителей заряда, фотогенерированных в области слабого поля. Последовательность полупроводниковых слоев такой гетерофотодиодной структуры состоит из 800 нм GaInAs и верхнего слоя InP толщиной 100нм (рис. 31). Металлические встречно штыревые контакты формируются поверх слоя InP. Моделирование показывает, что присутствие гетеробарьера, его местоположение, напряжение смещения, плотность оптического возбуждения – все эти факторы в значительной степени изменяют условия дрейфа фотогенерированных токовых носителей. При этом активный InP слой должен быть по возможности тонким, чтобы обеспечить максимальную скорость отбора носителей, а с точки зрения эффективности детектора его толщину следует выбирать достаточной, чтобы обеспечить поглощение большей части излучения в этом слое. Коэффициенты поглощения оптического излучения в этих полупроводниках различны. Если выбрать толщину слоя InP равной 100 нм, в этом случае поглощается 30% падающего на диод излучения на длине волны 750 нм и тем самым обеспечивается разумный компромисс между быстродействием детектора и его эффективностью. Влияние гетеробарьера проявляется в резком скачке электрического поля вследствие различий в зонной структуре InP и GaInAs: ширина запрещенной зоны InP равна 1.35 еV, в то время как у GaInAs - 0.73 еV. Величина гетеробарьера между InP и GaInAs достаточна, чтобы уменьшить дистанции дрейфа носителей заряда в МПМ гетерофотодиоде и сделать их равными толщине InP слоя.

Пространственное распределение электронов и дырок в активной области детектора по времени иллюстрирует эффект гетеробарьера (рис. 32).

Моделирование показывает, что гетеробарьер в значительной степени предотвращает возможность сбора на контактах диода медленных носителей заряда, фотогенерируемых в области слабого электрического поля. Видно, что спустя 3 ps после прибытия импульса оптического возбуждения почти все носители заряда уже покинули слой InP.

Рис. 32. Импульсный отклик МПМ гетерофотодиода на воздействие импульса оптического возбуждения с энергией 0,01 пДж на длине 750 нм.

Напряжение смещения 1,5 В.

При этом на контактах МПМ диода собираются только носители, фотогенируемые в верхнем полупроводниковом слое, приводя к очень быстрому отклику детектора (рис. 33). Фотогенерированные носители либо собираются на встречно-штыревых контактах, либо рекомбинируют в узкозонном полупроводниковом материале на временном интервале, много большем, чем время переноса из активного слоя к контактам, и не дают заметного вклада в фототок. При этом захват носителей заряда на центрах рекомбинации в узкозонном полупроводниковом материале является полезным с точки зрения увеличения широкополосности детектора, поскольку в этом случае уменьшается «хвост» в сигнале отклика диода. Моделирование показывает, что МПМ структура с гетеробарьером позволяет реализовать сверхбыстрый режим фотодетектирования для энергий фотона, превышающих ширину запрещенной зоны InP, расчетная величина FWHM сигнала отклика гетеробарьерной МПМ структуры с шириной зазора 0.1 м и площадью встречно-штыревой системы контактов 10 10 м2 составляет 0.6 ps (рис. 33). Это в пять раз короче отклика обычного МПМ детектора с такой же геометрией (рис. 29) и сравнимо с откликом МПМ диода на низкотемпературном GaAs. Улучшение в скорости отклика детектора сопровождается снижением его эффективности. Моделирование показывает, что квантовая эффективность МПМ гетерофотодиода составляет 0,1.

Такие фотодиодные структуры представляют интерес в случаях, когда скорость отклика является более важной характеристикой детектора, чем его эффективность.

Рис. 33. Распределение электронов (а) и дырок (b) в активном объеме InP/GaInAs МПМ гетерофотодиода спустя 3 пс после прибытия импульса оптического возбуждения с энергией 0,01 пДж на длинне волны 750 нм.

5. Сверхширокополосные фотоприемники бегущей волны Фотоприемник (ФП) – ключевой компонент систем телекоммуникации и фотонной обработки радиосигнала. Базовые требования к ФП - это высокая эффективность;

и это требование сейчас становится особо актуальным, поскольку системы становятся быстрее. Уже были продемонстрированы оптоволоконные системы со скоростью передачи данных до 40 Гб/с на канал, и максимум усилий направлен на повышение эффективности ФП для систем, работающих на подобных или более высоких скоростях. Среди нескольких разработок, нацеленных на преодоление теоретического ограничения значений эффективной полосы пропускания у стандартных вертикально освещаемых фотоприемников (VPD), наилучшие результаты имеют приемники бегущей волны. Недавно эта технология была применена в некоторых измерительных системах с диапазоном частот более 100 Ггерц.

Развитие оптоволоконных усилителей создало новое требование к фотоприемникам с высокой номинальной мощностью. В некоторых новых системах волоконный усилитель используется в качестве предусилителя в приемнике, который ослабляет или полностью поглощает шум электрического предусилителя. В таких системах входящий свет усиливается и попадает в фотоприемник. Это означает, что максимально возможные входная мощность и выходной ток более чем на два порядка выше, чем в стандартных фотоприемниках. Следовательно, улучшение тока насыщения крайне важно для подобных устройств, особенно для длинноволновых, в которых оптоволоконный усилитель обеспечивает усиление. Волоконно-оптические линии связи для миллиметровых диапазонов (30–90 GHz) радиокоммуникационных систем – типичный пример аналогового применения, также как оптическая связь 40Gb/s управляющая схема прямого доступа. Таким образом, два основных направления в развитии фотоприемников – это большая эффективная полоса пропускания и получение высокого тока насыщения. Далее будут рассмотрены технологии создания фотоприемников на основе волноводных фотодиодов (WGPD);

в итоге будет представлена недавно разработанная на основе WGPD оптоэлектронная интегральная схема.

Данная технология обеспечивает создание наиболее широкополосных на настоящее время фотоприемников и в сочетании с фотоприемными элементами структуры металл-полупроводник-металл позволяет создать приемники с полосой вплоть до 1 ТГц, что является рекордным показателем.

5.1. Фотоприемники с большой эффективной полосой пропускания Большой эффективная полоса пропускания – основная причина, по которой усилия направлены на то, чтобы полностью использовать потенциал приемника.

На частотах свыше 20GHz более высокая эффективность помогает ослаблять шум, создаваемый электрическими компонентами по причине увеличения входного сигнала от фотоприемника, а также упрощает их интеграцию. Некоторые структуры и были разработаны как способы преодоления лимита эффективной полосы пропускания, свойственного обычным фотодиодам. Рис. 34 показывает соотношения эффективность-полоса пропускания для фотодиодов с различной структурой. В этом разделе мы обсудим плюсы и минусы каждого фотоприемника и увидим, какой из них обладает максимальными преимуществами.

Рис. 34. Соотношения эффективность-полоса пропускания для фотодиодов с различной структурой (VPD, WGPD, TWPD, RCE-PD, RFPD, APD).

Рис. 35. Структуры устройств: а – WGPD, b – WG-fed-PD, c – TWPD, d – P TWPD 5.1.1. «Компромисс» между шириной полосы пропускания и эффективностью В фотоприемниках имеется фотопоглощающий слой, преобразующий входящее излучение в носители зарядов, такие как электроны и дырки. Для ультраширокополосного отклика, время переноса носителей в фотопоглощающем слое должно быть много меньше, чем время отклика системы.

Электрическая полоса частот на уровне 3-х децибел ft, ограниченная временем переноса носителей заряда связана с межконтактным зазором D определяется следующим соотношением:

3. f (33) 2D t 1 1 = 4+ 2 e h (34), где e, h - дрейфовые скорости насыщения для электронов и дырок соответственно. Полагая = 5.3106 cm/s для InGaAs (для длин волн 1.3-1.6 m) или GaAs (для 0.85 m) фотопоглощающего слоя, получаем зазоры D менее 0.3 и 0.1 m, соответственно, необходимые для полос шириной 100- и 300- GHz.

Оценим верхний предел ширины полосы пропускания для стандартных вертикально освещаемых фотоприемников. В вертикально освещаемых фотоприемниках могут применяться p-i-n, Шоттки или металл-полупроводник металл структуры;

сначала обсудим первые два типа. Наиболее распространенный способ увеличения внутренней квантовой эффективности VPD – это двухпроходная схема, использующая возврат света, отраженного электродом. Этот метод легко применим для прозрачной InP подложки (для длинных длин волн), тогда как для поглощающей GaAs подложки (для коротких длин волн) необходим добавочный процесс, такой как удаление подложки.

Непосредственно после того, как свет вертикально входит в поглощающий слой, внутренняя квантовая эффективность определяется выражением:

int = (1 + re d )(1 e d ) (1 + r )d (35), где r,, и d – коэффициенты отражения электрода, коэффициент поглощения и толщина фотопоглощающего слоя, соответственно. Рассмотренное выше приближение справедливо для высокоскоростных фотоприемников с малой толщиной фотопоглощающего слоя d. Из выражений (33) и (34), в которых D=d для VPD, следует, что лимит эффективности использования полосы частот равен:

3.5 (1 + r ) f t int 2 (36) В случае r = 0 - 1 ширина полосы частот 20-40GHz и 34-68GHz на 1.55 и 1.3m для InGaAs при значении коэффициентов поглощения для InGaAs 0.68 m- на 1.55 m и 1.16 m-1 на 1.3 m, и 30-60GHz на 0.85m для GaAs при значении коэффициента поглощения 1.0 m-1.

Для МПМ фотоприемника межконтактный зазор D приблизительно равен D d 2 + Wg2, где Wg - величина зазора. После оценки эффективности МПМ фотоприемника по формуле (35), получаем такое же соотношение между эффективностью и шириной полосы, как и в случае p-i-n и Шоттки приемников.

В реальных же фотодиодах рабочие характеристики хуже теоретических за счет таких факторов, как время релаксации емкостного сопротивления или потери при соединении оптических элементов. Окружности на рисунке 34 показывают рабочие характеристики рассмотренных ранее VPD с большой эффективной полосой пропускания, возможная ширина полосы лежит в границах от 20 до ГГц.

5.1.2. Сопряженный волноводный фотоприемник (edge-coupled WGPD) Название данного фотоприемника подразумевает наличие в нем волноводной структуры, позволяющей сделать наиболее независимыми эффективность и ширину полосы частот, за счет того, что внутренняя эффективность определяется не только толщиной фотопоглощающего слоя d, но и длиной волны излучения в волноводе. В 1986 году был продемонстрирован первый высокоскоростной сопряженный WGPD, обладавший шириной полосы GHz и эффективностью 25%.

Основным недостатком этих фотоприемников является то, что трудно добиться хорошего соединения оптических элементов или большой площади перекрытия поля входящего оптического излучения и излучения внутри фотоприемника. Эти трудности объясняются тем, что диаметр входного пучка, даже при фокусировке с помощью системы линз, не менее 2 m, в то время как распределение поля внутри фотоприемника с тонким поглощающим слоем менее 1 m.

Один из путей решения данной проблемы – увеличение области рассеяния светового поля в фотоприемнике без увеличения толщины фотопоглощающего слоя. Для реализации данной идеи в 1991 году были предложены многомодовые волноводные структуры на сопряженных волноводах. Двойной волновод состоит из промежуточных прозрачных слоев, содержащих запрещенные зоны, расположенных возле и/или ниже поглощающего слоя. В результате появляются широко распределенные поля высокого порядка, наведенные между двумя слоями оболочки. В то же время электрически генерируемый перенос носителей и электростатические характеристики остаются прежними, так как внутренний слой по-прежнему является только светопоглощающим. На рисунке 36 представлена полученная расчетным путем внешняя квантовая эффективность InP/InGaAs (g = 1.3 m)/InGaAs/InGaAsP (g = 1.3 m)/InP волноводного фотоприемника, в случае, когда толщина сопряженного волновода постоянна и равна 1.8m;

для сравнения также представлена эффективность стандартного двойного волноводного фотоприемника. Предполагается, что размер пятна входного излучения 1.3 m, что является стандартным при фокусировке двухлинзовой системой. Данные структуры предназначены для приема излучения с длиной волны 1.55 m.

Расчетная эффективность двухволноводной сопряженной структуры достигает 80% при варьировании толщины фотопоглощающего слоя. В то же время эффективность стандартной структуры менее 60% вблизи 0.2-1.0 m;

к сожалению, данная толщина необходима для получения полосы в 30-150GHz.

Благодаря высокой сопряженной эффективности многомодовая сопряженная волноводная структура стала очень популярной в волноводных фотоприемниках, на рисунке 34 им соответствуют концентрически расположенные треугольники. Эти WGPD имеют ширину полосы пропускания порядка 20GHz, будучи первым прорывом в области WGPD.

Рис. 36. Расчетная внешняя Рис. 37. Расчетные характеристики квантовая эффективность WGPD и VPD.

InP/InGaAs (g = 1. m)/InGaAs/InGaAsP (g = 1. m)/InP волноводного фотоприемника.

Что же является ограничением использования полосы частот в случае этих фотоприемников? Т.к. с точки зрения электроники WGPD – это устройство с плотной упаковкой компонентов, то время релаксации емкостного сопротивления является другим ограничивающим фактором. Таким образом, максимальная ширина полосы частот выражается, как:

f f = = t cr f (37) 3 dB 2 f f + + 1 t cr f f cr t fCR = 2C (RS + RL ) (38), где С – емкость фотоприемника, а RS и RL - паразитное сопротивление и сопротивление нагрузки. Данное уравнение означает, что f3dB уменьшает в 1/ раз, когда fCR сопоставимо с ft и, кроме того, f3dB зависит от fCR при fCR меньшем, чем ft.

Начиная со значения RL = 50 Ом, С должно быть увеличено. Таким образом, целью предыдущих работ было увеличение диапазона частот с 40- до 50-GHz для WGPD. В WGPD c малой областью премной площадки (менее 50мкм2), RS, контактное сопротивление на конце/вершине волновода и поперечное сопротивление на нижнем слое оболочки возрастают, и нахождение «компромисса» между С и RS становится очередной проблемой при увеличении f3dB. Этот компромисс становится еще более важным, когда мы пытаемся найти большую f3dB, т.к. увеличение ft требует уменьшение толщины поглощающего слоя, что, в свою очередь, приводит к увеличению С. К примеру, для получения 100GHz полосы требуется, чтобы толщина жилы была менее 0.3m, в результате чего емкость стандартного WGPD достигает 30 фемтоФ. Если же контактное сопротивление в таком маленьком WGPD порядка 40 Ом, то общее сопротивление для системы с 50 Ом достигает 90 Ом. При том, что максимальное значение fCR - 60 Ом. Для преодоления компромисса в 1994 году была предложена волноводная структура, получившая название мезаструктуры (mushroom-mesa). В этой структуре слои оболочки и слои с промежуточными запрещенными зонами шире, чем центральная жила. Казалось бы можно было ожидать незначительно малого паразитического напряжения, сравнимого с 50 Ом нагрузкой. Рисунок показывает полученную расчетным путем характеристику 1.55 m волноводного фотоприемника с комбинацией мезаструктуры и двужильного волновода;

для сравнения там же приведена характеристика вертикально освещаемого фотоприемника. При расчете так же учитывалось время перезарядки емкости. В случае волноводного фотоприемника не наблюдается падения эффективности при ширине полосы до 100GHz, а при ширине более 100GHz эффективная полоса пропускания принимает значения 70-90GHz в соответствии с компромиссом между емкостью и внутренней эффективностью.

На больших длинах волн, волноводный фотоприемник длиной 10m и шириной 1.5 m достигает ширины полосы в 100GHz и эффективности в 50% (эффективная полоса пропускания 55GHz), обладая емкостью в 15фемтоФ и сопротивлением менее 10 Ом. На рисунке 34 показано, что мезаструктура была вторым прорывом в области широкополосных волноводных фотоприемников. Как выяснилось, мезатехнология может быть использована не только для сопряженных фотодиодов, таких как фотодиоды бегущей волны или волоконно возбуждаемые фотодиоды, описываемые ниже, а также в вертикально освещаемых диодах и диодах с преломляющими гранями (RFPD). Фактически, вертикально освещаемый диод, использующий такую же технологию, обеспечивает ширину полосы пропускания до 120GHz.

Для большей ширины проблемой является увеличение Г – эффективного поглощения (Г – оптический ограничивающий коэффициент, – коэффициент поглощения), данная проблема характерна для устройств с большой плотностью элементов.

При большом коэффициенте поглощения целесообразным будет использование экситонного поглощения в поглощающем слое со сверхрешеткой.

5.1.3. Волоконный светодиод Другой способ избежать проблему сопряжения двойных фотодиодов – использование волоконных фотодиодов. В данной структуре волновод отделяют от поглощающего слоя, как показано на рис. 32 (b). Он играет роль входящего волновода и может способствовать лучшему сопряжению с падающим излучением, используя или волновод с рассеянным полем, или волновод переменного сечения/сужающийся волновод.

Данная схема изначально была разработана для использования в фотонных интегрированных схемах таких, как когерентные волновые приемники, и в период с 1970 до 1990 годов было разработано множество схем, с сопряженным соединением. В середине 90-х, несмотря на активную разработку активированных эрбием волоконных усилителей, ослабивших необходимость в когерентном детектировании, исследования, направленные на увеличение полосы пропускания с использованием волоконных светодиодов, были продолжены, и диод со стыковым соединением достиг ширины полосы в 20GHz, в то время как диод с плавным соединением достиг 70GHz на длине волны 1.55m. «Плавный» тип достиг внутренней эффективности в 90%, даже в случае диода длиной 20 m, соcтоящего из четырех оптически согласованных слоев. Несмотря на то, что эффективная полоса пропускания таких устройств достигает всего лишь 20Ghz из-за потерь на соединении на переднем торце волновода, они обладают возможностью обеспечивать такую же эффективную полосу пропускания, как и волноводные фотодиоды. Данные фотодиоды основаны на p-i-n структуре, хотя их реализация на основе структуры металл-полупроводник-металл будет так же эффективна, однако, до сих пор разработки в области МПМ-диодов были сфокусированы на фотоприемника/фотодиодах бегущей волны, речь о которых пойдет ниже.

5.1.4. Фотоприемники с распределенными параметрами Фотоприемники с распределенными параметрами впервые были предложены в 1990, как фотоприемники бегущей волны, в которых поглощение света происходит в распределенном режиме по всей длине линии передачи.

Фотоприемник бегущей волны был изучен как в гибридном, так и в монолитном исполнении.

Сейчас мы рассмотрим только монолитные типы, так как они являются более скоростными. Оптическая структура цельных фотоприемников бегущей волны совпадает с волноводными или волоконными фотоприемниками, однако, их электрическая структура способна преодолеть ограничение, накладываемое емкостным сопротивлением. В одном из возможных вариантов свет проходит по поглощающему волноводу, как и в WGPD, сопутствующему линии передачи.

Несмотря на то, что эти схемы кажутся схожими, их электрические характеристики различны;

в первом случае скорость электрической волны составляет одну треть от скорости оптической, тогда как во втором она приблизительно на 35% больше скорости световой волны. Сегодня первое устройство носит имя фотоприемника стоячей волны, а второе фотоприемника периодической стоячей волны или согласованного по скорости распределенного фотоприемника. Для удобства будем использовать обозначения TWPD и P-TWPD.

В TWPD и P-TWPD скоростная несогласованность между световыми и электрическими волнами, за исключением времени переноса зарядов, ограничивает ширину полосы пропускания. Предельная ширина полосы пропускания f3dB может быть описана, как:

ft f 3 dB = (39), f 1+ t f VM где fVM – ширина полосы пропускания, ограниченная рассогласованностью скоростей. Прежде всего, эта несогласованность возникает из-за того, что электрическая волна распространяется по линии передачи медленнее (быстрее) в TWPD(P-TWPD), чем световая волна по полупроводниковому слою. К тому же происходит наложение со сдвигом по фазе идущей прямо и обратно электрических волн, что является вторым фактором, вызывающим несогласованность.

Характеристики p-i-n TWPD были теоретически подробно изучены, значения электрической фазовой частота Ve и импеданса Z0 приблизительно равны:

Ve = (40) Lu CU LU Z0 = (41), CU где LU и СU – индуктивность и емкость на единицу длины линии передач, соответственно. Непосредственно СU – емкость безпримесного фотопоглощающего слоя выражается:

CU = 0 r (42), d где 0 и r – диэлектрическая проницаемость в вакууме и диэлектрическая константа, и d – ширина и толщина поглощающего слоя.

Учитывая предыдущие рассуждения, прежде всего мы рассмотрим оптические/электрические частотные расхождения. Исходя из выражений (40) и (42), можно вывести связь между Ve, d и :

d Ve = 0 rZ 0 (43) В случае Z=50 Ом рассмотренная выше связь может быть представлена в графическом виде ( в качестве параметра) вместе с ft, рассчитанной по формуле (33) на рисунке 38. Эффективности в скобках на рисунке рассчитаны согласованием эффективностей фотодиода и входящего излучения с шириной пучка 1.3 m. Здесь мы полагаем, что общая эффективность в вертикальном направлении достигает 80 % в соответствии с связанной волноводной многомодовой конфигурацией. Можно заметить, что общая эффективность возрастает при увеличении из-за потерь в горизонтальном направлении.

Используя эти результаты, можно спроектировать TWPD, как изложено ниже.

Во-первых, если базовая ширина полосы пропускания f3dB=100 GHz, то ft расположена на 150 GHz. Во-вторых, для ft=150 GHz выбирается d = 0.2 m, далее, возможные комбинации = 1 m и Ve = 5.2109 sm/s или = 2 m и Ve = 2.6109 sm/s. Наконец, можно рассмотреть суммарные оптические эффективности для 45 % и 70 % с = 1 m и = 2 m, соотвественно. Можно заметить, что реальная ширина в несколько микронов создает Ve много меньше, чем оптическая частота (порядка 8.6109 sm/s). Поэтому TWPD обладают низкими скоростными волновыми характеристиками и оптической/электрической несогласованностью, которая является главным фактором, ограничивающим ширину полосы пропускания.

Далее рассмотрим ограничение ширины полосы пропускания рассогласовании скорости. Распределительные фотоприемники имеют две возможные схемы: с открытой нагрузкой и согласованной нагрузкой на выходе. В случае TWPD с открытой нагрузкой отстающая волна отражается на входном соединении и накладывается на опережающую волну, вызываю несогласованность. С другой стороны, в экранированном TWPD, несмотря на то, что мешающая отстающая волна поглощается экраном, фототок или внутренняя частота все равно уменьшаются вдвое.

Рис. 38. Расчет внутренней эффективности и скорости электрической волны TWPD.

В одной из работ по данной теме был сделан вывод, что fVM TWPD может быть выражена, как:

Ve fVM V (с согласованным экраном) (44) 2 1 e V Ve fVM (с открытой нагрузкой) (45), где Г и V0 – оптический ограничивающий коэффициент и оптическая волновая скорость, соответственно.

Основываясь на результатах, изложенных выше, мы можем оценить эффективную полосу пропускания данного фотоприемника. Начиная с момента, когда Ve/V0 достигают значения 0,3 ( = 2 m) - 0.6 ( = 1 m), экранированный TWPD обладает шириной полосы в 2-4 раза большей, чем TWPD с открытой нагрузкой. Принимая во внимание не только ширину полос, но и то, что в экранированных TWPD эффективность уменьшается вдвое, а так же сопряженные эффективности в 70% ( = 2 m) – 40% ( = 1 m), можно сделать вывод, что эти два разных типа TWPD обладают одинаковой эффективной полосой пропускания.

Более того, замечено, что свет поглощается на эффективной длине поглощения равной 1.5/Г и fVM будет такой же, как и у WGPD с такой же эффективной длиной, даже в случае, если TWPD буде намного длиннее WGPD. Таким образом, несмотря на то, что оба фотоприемника были созданы для получения одинаковой полосы частот, TWPD может обладать 100% внутренней эффективностью, тогда как для WGPD может достигать значения только в 78%. Получаем, что эффективная полоса частот экранированного фотоприемника бегущей волны или фотоприемника бегущей волны с открытой нагрузкой будет больше, чем у волноводного фотоприемника в 1.3 раза (= 0.78-1).

На длине волны 0.83 m TWPD длиной 7 m и шириной 1 m, изготовленный на основе GaAs p-i-n фотодиода, обладает шириной полосы частот 172GHz и эффективностью 42%;

его характеристика схематически изображена на рисунке 34 (квадраты). На больших длинах волн TWPD длиной 1 m, изготовленный на основе InGaAs фотодиода Шоттски, обладает шириной полосы 40GHz, что доказывает независимость ширины полосы от длины устройства.

Основной трудностью при уширении частотной полосы является увеличение Г, а также повышение общей эффективности. Идея увеличения Г состоит в увеличении значений тока насыщения. Для повышения общей эффективности в TWPD может быть применена сопряженная волноводная многомодовая структура, так как скоростная несогласованность между каждой оптической модой будет незначительна по причине короткой эффективной поглощающей длины TWPD.

Идея P-TWPD была впервые реализована в фотонно-микроволновом преобразователе. P-TWPD состоит из массива отдельных фотодиодов, последовательно соединенных длинным пассивным волноводом и линией передач.

С тех пор, как отстающая волна начинает серьезно искажать опережающую по всей длине линии передач, необходимо использование поглощающего экрана, который, однако, уменьшает эффективность вдвое. Скорость электрической волны в линии передач на полупроводниковой основе примерно на 35% больше, чем у оптической волны, тогда как в случае TWPD ситуация диаметрально противоположна. Огромным преимуществом P-TWPD является способность осуществлять оптическое/электрическое согласование, используя электрическую линию задержки или электрическую медленную волноводную линию;

после согласования частот этот фотоприемник получил имя VMDP. Активные разработки медленноволновой линии велись при создании микро- и милли метровых схем, и были реализованы в виде периодической емкостной нагрузки, которая может быть представлена, как емкость массива периодически расположенных отдельных фотодиодов в P-TWPD.

Были представлены два выражения, описывающие ширину частотной полосы для P-TWPD, оба предсказывали бесконечную fVM при осуществлении согласования по скорости. Таким образом, исходя из выражения (39), ширина полосы пропускания P-TWPD ограничена временем переноса носителей заряда каждого отдельного фотодиода. Стоит добавить, что на практике рассогласованность электрических/оптических волн имеет место внутри любого фотодиода длиной в несколько микрон.

Поэтому ожидается, что частотный отклик P-TWPD будет таким же, как и у короткого (длиной в несколько микрон) экранированного TWPD. Преимуществом P-TWPD является то, что эффективность может быть увеличена до 50%. А ток насыщения может быть увеличен без уменьшения ширины полосы пропускания.

Возникновение и влияние таких негативных факторов, как отражение и рассеяние света на отдельных фотодиодах, зависит от сложности структуры, можно ожидать схожие значения паразитических факторов для TWPD и WGPD. P-TWPD, основанный на GaAs-МПМ-фотодиоде (для коротких длин волн) обладает шириной полосы 50GHz (эффективность не рассматривается), а P-TWPD, в основе которого лежит InGaAs-МПМ-фотодиод (для больших длин волн) обладает шириной полосы 78GHz (при эффективности 7.5%).

5.1.5. Другие фотоприемники Другим подходом к увеличению эффективной полосы пропускания в вертикально освещаемых фотоприемниках является создание объемного резонатора. Как показано на Рисунке 39(а), резонансный фотоприемник состоит из тонкого фотопоглощающего слоя, помещенного между двумя отражателями.

Падающий свет интерферирует с отраженным пучком, процесс сходен с резонаторным лазером с поверхностным излучением. Теоретические исследования показывают, что нижний отражатель с коэффициентом отражения 0.99 поднимет эффективность VPD до 90% и более процентов (т.е. увеличит ее в раза), даже если толщина фотопоглощающего слоя будет менее 0.1m, в итоге возможно получения фотоприемника с эффективной полосой пропускания порядка 140GHz. Другим преимуществом этих фотоприемников является их волновая селективность, что делает возможным их использование в качестве приемников в волновых разделяющих мультиплексорах. Поэтому некоторые ранние работы были направлены на улучшении эффективности и селективной способности, а не на уширение полосы частот. Возбуждения глубокого резонанса было впервые продемонстрировано в 1990 году в коротковолновых фототранзисторах Шоттски и фототранзисторах с гетеропереходом, использующих в качестве заднего отражателя четверть-волновый брэгговский отражатель. Позднее в RCE были применены p-i-n, МПМ и лавинные фотодиоды, как для коротких, так и для больших длин волн. Большие эффективные полосы пропускания в 17GHz(17GHz*99%) и в 20GHz(100GHz*20%) были получены у коротковолновых GaAs p-i-n RCE-PD и у RCE-PD Шоттки, соответственно (на рисунке 34 отмечены значком «крестик в квадрате»).

Рис. 39. Структуры устройств: а – RCE-PD, b - RFPD Однако с помощью брэгговских отражателей гораздо сложнее обеспечить высокую отражательную способность для больших длин волн, нежели для малых., т.к. разница в показателях преломления между InP и InGaAs в два раза меньше, чем между GaAs и AlAs. Для разрешения этой проблемы GaAs/AlAs отражатель был припаян к длинноволновому InGaAs p-i-n фотодиодному слою. Результатом было увеличение эффективности в 14 раз (до 94 %) и ширина спектральной линии до 14 nm.


Когда же важна не ширина полосы, а возможность ее изменять в пределах 30-50 GHz, становится целесообразным использования RFPD, который был впервые продемонстрирован в 1996 году как фотодиод для недорогой смешанной интегральной технологии. В RFPD, как показано на рисунке 39(b), входящий свет преломляется наклонной гранью и проходит через поглощающий слой под углом, поэтому эффективный оптический путь возрастает на величину 1/sin, а внутренняя эффективность становится выше, чем у VPD с таким же эпитаксиальным слоем. Рисунок 40 показывает расчетные внутренние эффективности RFPD ( = 30° и 54°44') и VPD также как ширина полосы ограниченная временем переноса носителей заряда, допуская использование двухпроходной схемы со 100 % -м отражением на вершине электрода. При толщине фотопоглощающего слоя в 0.6-1.0 m, что соответствует ширине полосы в 30-50 GHz, RFPD с отклонением грани в 54°44' обеспечивает эффективность более 80%, что превышает эффективность VPD в полтора раза. Грани с углом 54о 44’ были получены травлением кристалла InP по поверхности (001). Комплексный RFPD c фотопоглощающий слоем на основе InGaAs толщиной 1m обладает шириной полосы в 38 GHz (иногда реальная ширина превышает расчетную из-за пикового эффекта ) и эффективностью до 80% на длине волны 1.55 m. Данный фотоприемник отмечен на рисунке 34, ромбом.

Рис. 40. Расчет внутренней эффективности RFPD ( = 30° и 54°44') и VPD Другим преимуществом RFPD является то, что он обладает меньшей зависимостью эффективности от отклонения входящего излучения от вертикали, чем сопряженный фотоприемник. Это объясняется тем, что вертикальное смещение пучка на грани соответствует горизонтальному смещению после преломления. Поэтому для RFPD с шириной полосы 30-50GHz определенная инвариантность к смещениям пучка может быть получена путем увеличения длины устройства с сохранением границы лимита емкостного сопротивления. Это способствует снижению издержек производства путем упрощения оптических соединительных компонентов.

Огромное количество работ было посвящено лавинным фотодиодам, работающим в 10 Gb/s диапазоне. Обычно для улучшения эффективности усилителя (произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания) и ослабления мультиплексорного шума используется структура с раздельным поглощением и мультипликацией. Схема с VPD часто используема в APD;

и ширина полосы в 17 GHz, эффективность до 74% и 4х-кратное мультиплицирование, в итоге давшие эффективную полосу пропускания до GHz, были получены на больших длинах волн в SAM-APD со сверхрешеткой при толщине поглощающего слоя 0.8 m (это устройство было сконструировано для работы на скорости 10 Gb/sс и максимальная эффективность усилителя в 110 GHz наблюдается около этой частоты). Большая ширина полосы требует более тонкого поглощающего слоя, что приведет к ослаблению эффективности по той же причине, что и в случае VPD.

Используя методику, описанную выше, WGPD были исследованы на предмет увеличения эффективной полосы пропускания. Впервые о создании APD с волноводной сверхрешеткой было объявлено в 1995 году. Позже APD с волноводной сверхрешеткой с толщиной поглощающего слоя 0.3 m достигли 72% эффективности 3.2-кратного мультиплицирования на 20 GHz и на длине волны 1.55 m, т.е. эффективная полоса пропускания равна 47 GHz.

Характеристики волноводного APD и вертикально освещаемого APD отмечены на рисунке 34 значком: перевернутый черный треугольник.

Так же от RCE структуры было ожидаемо уширение полосы в лавинных фотодиодах, так в 1991 году RCE-APD показал эффективность 49% даже при толщине фотопоглощающего слоя в 0.09 m. В последнее время RCE-APD диаметром 14 m и с толщиной фотопоглощающего слоя 0.035 m достигают единичного усиления полосы до 23GHz и имеют эффективную полосу пропускания около 40GHz на 20GHz частоты на коротких длинах волн, данная структура обозначена на рисунке 34 следующим символом: незакрашенный перевернутый треугольник. (Это устройство было сконструировано для работы со скоростями передачи до 10 Gb/s, и наибольшая эффективная полоса пропускания в 130 GHz была получена на скорости около 10 Gb/s). Фактором, ограничивающим эффективную ширину полосы, является время релаксации емкостного сопротивления, решение проблемы возможно за счет уменьшения диаметра фотодиода.

5.2. Фотоприемники с высоким током насыщения 5.2.1. Ограничивающие факторы Основным фактором, препятствующим получению максимально возможного выходного тока, является нелинейность отклика фотоприемника.

Нелинейность вызывает возникновения гармонической силы, которая снижает соотношение фототок-шум в аналоговых системах. Нелинейность высокоскоростных фотоприемников с высокой энергией излучения была исследована, как расcчетно, так и экспериментально. Эти исследования показали, что нелинейность возникает вследствие возрастания электрического поля с последующим уменьшением скорости носителей заряда, вызываемым эффектом объемного заряда или экранирующим эффектом электрического поля. Эффект объемного заряда становится более значительным с уширением частотной полосы фотоприемника, так как подобные фотоприемники обычно имеют тонкий фотопоглощающий слой толщиной порядка 1m и их концентрация носителей значительно возрастает под действием излучения с высокой энергией. Другими словами, здесь мы имеем «компромисс» между шириной полосы и током насыщения.

Чтобы получить представление об эффекте объемного заряда, для начала нужно рассмотреть максимальные мгновенные плотности носителей во внутреннем фотопоглощающем слое InGaAs, полагая, что скорости переноса носителей заряда постоянны, как показано на рисунке 41(а), где Jph максимальная мгновенная плотность. Напряженность электрического поля E рассчитывается по уравнению Пуассона, как показано на рисунке 41(b), принимая Jph как параметр.

Здесь подразумевается, что излучение распределяется равномерно по всему объему, толщина d = 0.2 m, напряжение смещения Vb = 1.5 В, скорость электронного насыщения e= 6.5106 sm/s, скорость насыщения переноса дырок h = 4.81015 sm-1. можно заметить, что каждое электрическое поле имеет минимальное значение при x = dh/( e + h), что объясняется эффектом объемного заряда. Несмотря на то, что эти оценки выполнены для модели с постоянным током, они так же могут давать хорошее приближение в случае, когда излучение модулируется по частотам много меньшим ft. (В это случае, начиная с ft = 150GHz при d = 0.2 m, данная аппроксимация может быть применима до 10GHz). Для модулированного излучения Jph означает сумму постоянного тока и тока радиочастотного сигнала. Если предположить, что критическое значение поля, создаваемого переносом дырки, будет равно 50 кВ/см, то дырочные переходы не будут успевать за модуляцией и возникнет нелинейность, когда Jph станет порядка 200 kA/sm2, как показано на рисунке 41(b).

Рис. 41. а – плотность тока, b – электрическое поле для p-i-n Фотодиода.

Электрическое поле имеет максимальное значение при x = d, и это значение возрастает при увеличении Jph. Установлено, что спад возникает, когда максимальное значение поля превышает критическое, которое равняется кV/sm, - это второй фактор, ограничивающий значение максимально возможного выходного тока. Третьим ограничивающим условием является негативное влияние повышения температуры, возникающее из-за поглощения электрической энергии внутри фотоприемника. (Данный эффект надо рассматривать для каждого устройства отдельно, т.к. коэффициент диффузии для тепловых фононов сильно зависит от трехмерного строения структуры. Поэтому мы не будем рассматривать этот эффект в данном разделе, а уделим ему внимание ниже).

Основываясь на расчетах, графически представленных на рисунке 41(b), мы рассчитали минимальную и максимальную напряженности электрического поля, используя в качестве параметров d и Vb, и затем, установив возможную плотность фототока, которая удовлетворяет условиям: Emin50 кV/см и Emax250 кV/см.

Сплошные и пунктирные линии на рисунке 42 показывают критические плотности тока при Emin50 кV/см и Emax250 кV/см для фотопоглощающих слоев толщиной 0.1-, 0.2- и 0.4- m. Очевидно, что при выборе оптимального напряжения смещения, максимально возможная плотность тока будет возрастать при уменьшении d. Однако на практике низкочастотный фототок вызывает падение напряжения, обусловленное выходным импедансом в 50 Ом. Это падение напряжения (1V для низкочастотного фототока Iph до 20mА и 2В на 40mА) не может не приниматься в расчет при высоком фототоке. Поэтому, в реальных устройствах плотность фототока должна удерживаться на определенном «умеренном» уровне, чтобы не превысить лимит даже в случае падения напряжения смещения. Длины горизонтальных стрелок на рисунке показывают флуктуации напряжения смещения с низкочастотным фототоком до 20 и в 40 мА. (Строго говоря, стрелки должны лежать на линии нагрузки в 50 Ом, когда глубина модуляции равняется 100%). Поэтому горизонтально расположенные стрелки показывают возможные плотности тока для радиосигнала до 20mА и в 40mА. Можно заметить, что падение напряжения смещения более значительно при тонком фотопоглощающем слое.

Таким образом рисунок 41 может быть использован при проектировании размеров фотоприемника с заданной величиной тока. Например, размеры фотоприемника для получения 40 mА тока рассчитываются так:

1) Сначала для заданного значения тока в 40mА выбирается падение напряжения смещения в 2V.

2) Далее выбирается d = 0.2 m, т.к. при этом достигается большее значение Jph в 100кА/sm2 и принимается величина 2 В.

3) Если излучение равномерно, выводится выражение для возможной области (40mА)/(100кА/sm2 = 40 m 2) 4) Наконец определяется удовлетворяет ли полоса, определяемая постоянной времени CR желаемой полосе.

Рис. 42. Расчет тока насыщения на p-i-n Фотодиоде.

В случае неоднородного излучения насыщение чаще всего возникает в точке, где плотность фототока максимальна. Например, Jph возле выхода WGPD примерно в три раза выше среднего значения тока, что выражается в уменьшении максимального значения тока в три раза, поэтому однородное освещение один из способов увеличения тока насыщения. Так же необходимо уменьшать среднюю плотность фототока увеличением эффективной фотопоглощающей области вследствие использования распределяющей схемы.


5.2.2. Оптимизация структуры Основная идея увеличения тока насыщения состоит в распределения фотопоглощения равномерно по длине волокна, что приводит к ухудшению полосы пропускания в WGPD. Ток насыщения WGPD был сначала изучен на ГГц устройстве, где подтвердилось, что прямой ток насыщения не превышал mА. Численные исследования WGPD также показательны, и говорят о том, что насыщение ограничено более высоким фототоком вблизи входного конца благодаря экспоненциальному уменьшению фотопоглощения. Клиновидный WGPD [распределенное фотопоглощение WGPD (DWGPD)] был предложен как один из возможных путей формирования равномерного поглощения на всей длине WGPD. DWGPD имеет две главных особенности – очень тонкий слой поглощения (0.06- м) встроенный в боковой клиновидный прозрачный внутренний слой и наличие основного гибкого волновода. В DWGPD оптическое сужение постепенно возрастает по длине волновода в 10 раз, что выливается в равномерную фотоабсорбцию.

Экспериментальные результаты показывают что 300- m p-i-n DWGPD дает линейный микроволновый фототок в 8 mA, так же как 20-GHz полосу пропускания на длине волны 1.53 m (прямой фототок предположительно намного превышает 8 mА). TWPD имеет ту же особенность экспоненциального затухания фотоабсорбции как и WGPD. Таким образом в порядке увеличения тока насыщения фотоабсорбция должна быть распределена по длине волокна. Однако, как сказано выше TWPD имеет отличительные свойства, структуры с плотной упаковкой элементов, благодаря рассогласованию электрических/оптических волн.

Таким образом, он являет компромисс между током насыщения и полосой пропускания. Так как TWPD с согласованной нагрузки оказался близок по полосе пропускания к WGPD. С другой стороны TWPD с согласованной нагрузкой может иметь полосу пропускания в 2-4 раза большую, чем у несогласованного TWPD.

Таким образом, TWPD с согласованной нагрузкой может обеспечивать ток насыщения 2-4 раза больше чем WGPD c такой же полосой пропускания, хотя эффективность снижается наполовину. Хотя экспериментальная оценка тока насыщения еще не получена, использованный при пробном эксперименте nm p-i-n TWPD обеспечивал передачу коротковолнового излучения.

P-TWPD должен обладать очень высоким током насыщения при согласовании оптических и электрических волн. Симулятор устройства показал токи насыщения около 50 и 20 mA в P-TWPD, предназначенном для получения полос шириной 50 и 100 GHz. В результате измерений импульсного отклика в коротковолновой области было найдено, что при использовании GaAs-MSM структуры, P-TWPD достигал пика тока насыщения выше 60mА, так же как и ширины пропускания 40 GHz. Хотя ток насыщения является завышенным, если мы используем импульсный отклик, т. к. генерируется меньший пространственный заряд или меньше носителей при использовании синусоидально моделированного света, результаты показывают значительное улучшение тока насыщения в сравнении с импульсным откликом WGPD.

5.2.3. Оптимизация переноса Рис. 43. Диаграмма энергетических зон для UTC-PD.

Как описано выше, эффект пространственного заряда вызван низкой скоростью носителей в состоянии насыщения. Если мы могли бы использовать перемещения электронов на их повышенных скоростях, ток насыщения мог бы значительно возрасти. Фотодиод с одинаковыми носителями заряда UTC-PD разработан в соответствии с концепцией, предложенной в 1997. UTC-PD, по существу, основывается на p-i-n структуре, имеющий слой с дырочным поглощением и прозрачный обедненный широкозонный слой, как показано на рисунке 43. UTC механизм следующий: дырки, рождаемые в фотопоглощающем слое в основном являются носителями, реагирующими очень быстро по сравнению со временем диэлектрической релаксации, и потому не создают вклада в фототок. Напротив, электроны генерируемые в фотопоглощающем слое диффузно проникают в обедненный слой и проходят его, тем самым формируя фототок. Таким образом эффект пространственного заряда обусловлен только электронами, двигающимися в обедненном слое. Кроме того, в обедненном слое тоньше, чем 0.2 m электроны могут двигаться на повышенных скоростях, в пять раз больших скорости насыщения. Таким образом, плотность носителей в обедненном слое составляет 1/50 плотности в обычной p-i-n структуре. Что касается полосы пропускания, время электронной диффузии в фотоабсорбционном слое доминирует над временем переноса носителей. Время диффузии пропорционально квадрату толщины d. (В сравнении, время переноса носителей также пропорционально d в p-i-n структурах). При условии что обедненный и фотопоглощающий слой имеют близкую толщину, полоса пропускания UTC-PD оказывается меньше, чем у обычных p-i-n PD с толщиной большей 0.1m. Эффект квазиэлектрического поля, вызванный отклонением зоны проводимости, значительнен и может быть использован для увеличения полосы пропускания. Отклонение зоны проводимости только на 50 mV, которое может быть легко получено постепенным изменением структуры материала от более широкой запрещенной зоны, к более узкой, может увеличить полосу пропускания до значений обычной структуры. Для грубой оценки эффекта пространственного заряда в UTC-PD, мы сначала рассмотрели электронную плотность в обедненном слое, как показано на рисунке 44. Здесь мы принимаем, что аномальная скорость постоянна и составляет 4107 cm/s пока электроны дрейфуют в тонком слое, который оценен теоретически и экспериментально на InGaAs гетеропереходном биполярном транзисторе (HBT’s) с низким напряжением смещения толщиной 0.3m (это значение несколько выше, чем некоторые полученные “аномальные скорости” в тонком слое). Мы так же предполагаем, что фотогенерированные электроны не рекомбинируют и освещение является равномерным. Равномерный электрический ток демонстрирует характерные особенности UTC- PD.

Рис. 44. а - перенос плотности и b- электрическое поле на UTC-PD.

Электрическое поле E посчитано как показано на рис. 44(b), допуская, 110-15 cm-3. (Более точные d=0.2 m Vb=1.5В, и концентрацию примесей зависимости могут быть найдены при рассмотрении изменения скорости электронов под действием поля и изменения поля за счет движения электронов) Важно отметить, что E min не обращается в нуль при x=0 (n-область). Так как скорость электронов значительно снижается в электрическом поле с напряженностью меньше 5 kV/cm, критическая для нелинейности напряженность поля полагается равной kV/cm для UTC-PD. Допущение что электроны движутся на «сверхскорости» оправдывается, из-за низкой напряженности электрического поля вблизи подобной критической точки. Далее, вычисляются Emin и Emax на UTC-PD, используя d и Vb в качестве параметра, и находится возможное Jph, удовлетворяющее граничным условиям Emin5, Emax250kV/cm. Сплошные и пунктирные линии на рисунке 45 показывают критическую плотность тока для Emin=5 и Emax=250 kV/cm, для 0.1-, 0.2-, и 0.4- m фотопоглощающего слоя. Можно увидеть, что полученная Jph схожа с Jph стандартного фотодиода, но имеет практически втрое большее значение. К тому же, возможное усовершенствование состоит в использовании более широкой запрещенной зоны в обедненном слое (как в InP), что увеличивает Emax. Что касается теплового эффекта, то его влияние так же негативно, как и в случае других фотодиодов с плотной упаковкой элементов. Таким образом, насыщение реального UTC-PD может быть определено данным эффектом (см. раздел 4).

Рис. 45. Расчет тока насыщения на p-i-n Фотодиоде.

Недавние экспериментальные результаты показывают превосходные характеристики UTC-PD’s. Вертикально-освещенный UTC-PD с 0.14 m ступенчато-нанесенным фотопоглощающем слоем и 0.2. m обедненнsм слоем демонстрирует импульсный отклик максимальным значением фототока в 76 mА (1.9 V при нагрузке в 25 Ом), полосу пропускания 119GHz и эффективность 13%.

Так как толщина слоя фотопоглощения меньше, чем 0.3 m, существенно влияет на работу UTC, низкая эффективность неизбежна при вертикальном освещении.

Для улучшения эффективности, UTC структура была встроена в WGPD. После применения сопряженного двойного многомодового волновода и мезаструктуры UTC-WGPD показал импульсный отклик с пиковым током в 26 мА (1.3V при нагрузке в 50 Ом), полосу пропускания в 55 GHz и эффективность 32%.

5.3. Создание фотодиодов В этом разделе мы просуммируем ключевые технологии создания WGPD’s и характеристики некоторых последних разработок WGPD. Технология сосредоточена не только на процессе создания полупроводниковых слоев, но так же на процессе сборки модулей, так как оба процесса являются важными инструментами в получении высококачественных PD’s.

5.3.1. WGPD Как было сказано в предыдущем разделе, теоретические результаты предсказывали наивысшую эффективность, но на деле экспериментально наблюдаемые характеристики строго ограниченны нежелательными паразитными явлениями, таким как добавочное сопротивление (ток утечки), внутренняя емкость и индуктивность. Особенно важным является то, что когда толщина фотопоглощающий слоя понижается для увеличения широкополосности, емкость увеличивается и компромиссное решение становится крайне критичным. Таким образом, технологии изготовления WGPD’ в основном направлены на борьбу с этими паразитными явлениями за счет использования селективного мезаструктурного травления для понижения сопротивления и покрытия мезаструктуры полиимодом для снижения емкости. Рисунок 46 показывает структуру длинноволнового WGPD’s для 100GHz полосы пропускания. Толщина InGaAs фотопоглощающего слоя по проекту составляет 0.2m в целях достижения 100 GHz. InGaAsP промежуточные слои с запрещенными зонами, создающие многомодовую конфигурацию, формируют двойную сердцевину толщиной 1.8m, с таким же распределением оптического поля, как и в двойном связанном волноводе с толщиной 1.8 m.

Рис. 46. Структура длинноволнового WGPD’s для 100GHz полосы пропускания.

Мезаволновод толщиной 6 m был сформирован плазменным травлением в BBr3 с последующим удалением 0,05 m поврежденной поверхности равномерным химическим травлением. При этом фотоабсорбционные слои был сужены до 0,8 или до 1,5 m методом травления серной кислотой. Эксперимент показывает, что верхний p-типа и нижнии n-типа слои шириной 6 m обеспечивают добавочное сопротивление ниже чем 10 Ом с 0,86 m шириной мезаструктуры, p- и n- электроды были сформированы на нижнем и верхнем примесном слое. Для уменьшения емкости, выходные концы, подключенные к этим электродам были выложены на полеимидовом слое, прилегающем к мезаструктуре. Полиимидовый слой центрифугированием был сформирован так, что толщина слоя окружающей мезаструктуры равномерно уменьшается.

Результатом анизотропного травления полиимидового слоя явился равномерный наклон вокруг мезаструктуры. Следовательно, емкости устройства, были 10 и фемтоФ при толщине мезаструктур 0,8-1,5 m. Исходя из этих результатов, мы рассчитали широкополосный предел связанный с временем релаксации емкостного сопротивления, он составил 270 и 180 GHz, при сопротивлении в Ом. В заключении изделие было разрезано для формирования WGPD’s длиной m, чьи разрезанные грани были покрыты с силиконовой антиотражающей пленкой (AR).

Рис. 47. Измерение отклика от Рис. 48. Частотный отклик WGPD.

короткого импульса для WGPD.

Полуширина отклика 1.55 m короткого импульса для обоих WGPD’s показана как функция от изменения напряжения на рисунке 47. Они были измерены методом электрооптической выборки. FWHM’s имеет наклонную зависимость от толщины структуры, так FWHM’s составляет 2.0 пс при 0.8 микрон мезаструктуре и 3.3 пс при 1.5- микрон мезаструктуре при напряжении питания 2 В.

Разница в FWHM’s показывает, что емкость определяет ширину полосы пропускания, если мезаструктура толще, чем 0,8m. Кривая на рисунке демонстрирует Фурье преобразование наблюдаемого наиболее короткого импульса отклика для 1,5 мезаструктуры. Точки на рис. 48 соответствуют частотному отклику, полученному спектральным анализом. Согласованность результатов, полученных при использовании различных методов, говорит о справедливости оценки 3-dB полосы пропускания на 110 GHz.

Измеренная эффективность составила 20% для 0,8 m зазора и 50% для 1, m зазора для WGPD, спаянного с полусферическим окончанием волокна. Таким образом, эффективная полоса пропускания изделия с 1.5 m зазором составила GHz. Отличие от расчетных значений являются следствием потерь на соединениях в горизонтальном направлении, где эффективность должна достигает 80%, если входящий пучок имеет малое сечение. Малое сечение может наблюдаться, если использовать двухлинзовую систему внутри модуля, как будет описано ниже.

5.3.2. UTC-WGPD Была разработана UTC-WGPD структура с целью получения устройства с высоким выходным током вместе с широкой полосой пропускания и высокой эффективностью. UTC структура, содержащая фоточувствительный слой p-типа толщиной 0,1 m и беспримесный InGaAsP обедненный слой толщиной 0,2 мкм, была применена к WGPD, как показано на рис. 49. Для формирования двужильного многомодового волокна два промежуточных слоя толщиной 0,85 m с зоной кладинга были сформированы над и под UTC структурой. Верхний промежуточный слой также работает как диффузный слой. Это предотвращает обратную диффузию фотогенерированных электронов на p-электрод. Так как UTC структура предназначалась для обеспечения высокого выходного тока, актуальным ограничивающим фактором окажется скорее температурный эффект, нежели эффект пространственного заряда. Для выделения лимитирующего фактора был так же сделан заглубленный UTC-WGPD, установленный на InP подложку. Близкие структуры показали повышенную константу тепловой диффузии и увеличение максимально допустимой входной мощности.

Технический процесс для формировании UTC-WGPD мезаструктуры мало отличается от техпроцесса изготовления WGPD. Для построения UTC-WGPD на подложке, для начала была сформирована мезаструктуру шириной 1,5m и длиной 10m, и ограниченная 3.5- микронным легированным Fe InP слоем вокруг мезаструктуры. Входная грань была сформирована разрезанием InP подложки так чтобы свет падал через нее в WGPD слой. Из-за неадекватного нанесения нижнего промежуточного слоя, паразитное сопротивление на n-стороне изготовленных меза и заглубленных UTC-WGPD’s составляют около 80 Ом. Кроме того, заглубленный UTC-WGPD имеет дополнительные паразитные сопротивления в Ом на p-стороне, т. к. он не использует мезаструктуру. Следовательно, получаем общее паразитное сопротивление 80 Ом для мезаструктуры структуры и 150 Ом для заглубленной.

В ходе эксперимента, сначала, был изучен ток насыщения и ток пробоя: на вход подавался непрерывный свет и определялся постоянный фототок. Рис. показывает измеренный ток насыщения мезаструктуры UTC-WGPD (незаштрихованные кружки), заглубленной UTC-WGPD (заштрихованные кружки), мезаструктуры WGPD (квадраты) как функцию результирующего напряжения смещения, которое является результатом вычитания части напряжения из-за последовательного сопротивления. Три устройства имеют одинаковые переходные области 1,510m2 и фотопоглощающий слой толщиной 0,2 m. Для обоих UTC-WGPD, измеренный ток насыщения был примерно равный и в полтора раза больший, чем для WGPD при одинаковом напряжении питания.

Верхняя жирная линия показывает нелинейный предел для UTC-WGPD, который был выведен из результатов, изображенных на рис. 50, полагая что Jph вблизи выхода в три раза больше, чем в зоне равномерного поглощения. Хотя механизм уменьшения постоянного тока отличается от механизма при переменном сигнале, оба они инициируются падением скорости носителей заряда до одного и того же критического значения. Крестики на рисунке демонстрируют точки где каждое устройство было выведено из строя. Так как мезатип UTC WGPD должен иметь такой же предел разрушения, как и скрытый тип (поскольку они имеют одинаковые UTC структуры), разрушение мезатипа может быть вызвано тепловым эффектом. Таким образом, предел теплового разрушения для этих мезаструктур соответствует зависимости ток-напряжение до 40mV, и имеет более высокий предел для заглубленного диода. Заглубленный UTC-WGPD достигает тока насыщения в 22 mА и разрушается вблизи теоретического предела разрушения (но не достигает его). Таким образом, используя заглубленную структуру, мы можем обеспечить 100%-ное использование UTC.

Рис. 49. Структура и диограмма энергетических зон UTC-WGPD.

Что касается обычного WGPD, устройство разрушается до достижения мВ кривой (пунктирная кривая). Это означает, что насыщение WGPD зависимо в большей степени от предела разрушения, причем намного меньшего, чем у UTC WGPD. Эта особенность согласуется со сказанным в ранее, хотя теоретический предел следующий из данных рис. 50 (толстая и пунктирная линия) ниже чем экспериментальный предел.

Далее, был измерен импульсный отклик на длине волны 1,55 m многомодового меза UTC-WGPD. 3-dB полоса пропускания была оценена с помощью Фурье преобразования измеренного отклика в 55GHz. Главным ограничительным фактором ширины полосы пропускания является время релаксации емкостного сопротивления по причине высокой паразитной емкости – 80 фемтоФ. Соответствующее нанесение нижнего промежуточного слоя с запрещенной зоной может быть использовано в UTC-WGPD для увеличения полосы пропускания до 100GHz. Когда UTC-WGPD был спаян с полусферическим концом оптического волокна, измеренная эффективность составляла 50%, что совпадает с эффективность обычного WGPD.

Рис. 50. Измерение и расчет тока насыщения WGPD, UTC-WGPD и скрытый UTC-WGPD.

5.3.3. Сверхширокополосный корпус Здесь мы опишем технологию, основанную на 60 GHz Wiltron V коннекторе.

Для работы в системе с сопротивлением в 50 Ом при ширине полосы 60GHz емкость устройства, включаю паразитную емкость, должна быть меньше фемтоФ, исходя из времени релаксации емкостного сопротивления, которое намного больше, чем емкость фотодиода 15 фемтоФ. Таким образом, мы использовали малоразмерную контактную площадку, с емкостью 20 фемтоФ, вместо компланарных соединений. Поэтому, общая емкость составила 35 фемтоФ, что достаточно мало для 60GHz. Основное проблемой становится уменьшение дополнительного паразитического сопротивления, обусловленного корпусом. Для этих целей была разработана конфигурация корпуса, показанная на рис. 51(а).

Особенность такой конфигурации – прямое соединение центрального проводника с использованием коммерческого скользящего контакта Wiltron, и установка на стеклянной основе, что минимизирует добавочное сопротивление и индуктивное сопротивление корпуса. Оптический интерфейс к одномодовому волокну состоит из коллимирующей и фокусирующей линз. Эти линзы фиксируются на металлическом главном корпусе с использованием иттрий-аллюмо-гранатовой (YAG) лазерной сварки. Размер пятна фокусированного света составляет около m. В завершении, корпус герметизируется металлической оболочкой, как показано на рис. 51 (b).

Рис. 51. 60 –ГГц упакованная конфигурация WGPD и UTC-WGPD: а – изнутри, b – снаружи.

Частотный отклик на смещении -1.5V стандартного WGPD (модуля) имеет ширину более 50GHz, в то время как, ширина полосы UTC-WGPD порядка (но не более) 50 GHz (рис.52). Тот факт, что UTC-WGPD обладает меньшей шириной полосы, объясняется большим паразитическим сопротивлением (см. выше).

Типичная эффективность для обоих типов устройств 64 % (0.8A/W), а максимальная может достигать 80% (1A/W). Для получения более надежных данных, устройство было протестировано: на него непрерывно подавалось мощное оптическое излучение в течении 2500 часов при комнатной температуре.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.