張湛

摘 要 光通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，推動(dòng)了關(guān)鍵光電子器件包括光探測(cè)器性能的不斷提升。文章對(duì)光通信系統(tǒng)應(yīng)用的高速光探測(cè)器進(jìn)行了分析，介紹了典型高性能光探測(cè)器的原理及特性，著重于探討其性能參數(shù)及影響，總結(jié)展望了高速光電探測(cè)器的前沿應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 高速光探測(cè)器；結(jié)構(gòu)特性；性能測(cè)量

中圖分類號(hào) TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）230-0149-02

隨著光通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)光探測(cè)器由于靈敏度低、抗干擾性差及操作繁瑣等原因已不適應(yīng)當(dāng)今光通信系統(tǒng)高速、大容量的要求。在商業(yè)需求和技術(shù)創(chuàng)新的推動(dòng)下，光探測(cè)器向著更加全面的性能方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)方面也進(jìn)行了各種有益的嘗試，如靈敏性、響應(yīng)速度等主要性能大幅提升，為光通信系統(tǒng)整體性能的躍升提供了技術(shù)支撐。而在高性能光探測(cè)器的研究中，通過(guò)科學(xué)方法獲取其主要性能參數(shù)，是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析及整理后的數(shù)據(jù)將為高速光探測(cè)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供重要參考。本文從光探測(cè)器在光通信系統(tǒng)的應(yīng)用出發(fā)，將著重探討高速光探測(cè)器的原理特性、性能測(cè)量及其發(fā)展應(yīng)用[ 1 ]。

1 高速光探測(cè)器概述

1.1 高速光探測(cè)器特性

光器件性能、設(shè)計(jì)水平和工藝是實(shí)現(xiàn)高性能光通信系統(tǒng)的必要保障，也是整個(gè)光通信產(chǎn)業(yè)鏈的硬實(shí)力和基石。光通信系統(tǒng)中光探測(cè)器的主要功能是實(shí)現(xiàn)光電變換，其工作原理是利用半導(dǎo)體結(jié)區(qū)的光電效應(yīng)來(lái)工作。根據(jù)光探測(cè)器的用途及分類，又有光電壓、光電導(dǎo)、電吸收和雪崩效應(yīng)等。高速光探測(cè)器的顯著特性表現(xiàn)為響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快和噪聲低。DC云互聯(lián)、超寬視頻及5G業(yè)務(wù)將引領(lǐng)光通信系統(tǒng)朝超帶寬、低時(shí)延、高可靠性、開(kāi)放協(xié)同四大網(wǎng)絡(luò)特性演進(jìn)，而未來(lái)高速光探測(cè)器技術(shù)發(fā)展也必然與之相匹配。

1.2 高速光探測(cè)器分類

基于傳統(tǒng)光通信領(lǐng)域光探測(cè)器材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，常應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中的高速光探測(cè)器有：PIN光電二極管光探測(cè)器，APD雪崩二極管光探測(cè)器，MSM光探測(cè)器，UTC高速單行載流子光探測(cè)器以及在PIN結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化衍生的波導(dǎo)型光探測(cè)器，諧振腔增強(qiáng)型光探測(cè)器等[ 2 ]。

1.2.1 PIN光電二極管光探測(cè)器

PIN光電二極管光探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作，光電二極管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，本征層的引入，縮短了載流子的擴(kuò)散過(guò)程。耗盡層的加寬，使電路時(shí)間常數(shù)減小，有利于對(duì)長(zhǎng)波區(qū)光輻射的吸收。PIN結(jié)構(gòu)提供了較大的靈敏體積，能有效改善量子效率。性能良好的PIN光電二極管在光通信領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。不足之處是存在空間電荷效應(yīng)，將限制飽和光電流的輸出，以及帶寬與量子效率的相互制約等問(wèn)題[ 3 ]。

1.2.2 APD雪崩二極管光探測(cè)器

APD雪崩二極管探測(cè)器利用光電二極管的雪崩效應(yīng)來(lái)工作，可使光電流得到倍增的高靈敏度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，APD雪崩二極管在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。光生電子或空穴通過(guò)高電場(chǎng)區(qū)使載流子快速增加，反向電流增大，形成雪崩倍增效應(yīng)，使APD雪崩二極管光探測(cè)器具有較高的響應(yīng)率和探測(cè)靈敏度。不足之處在于：雪崩過(guò)程本身會(huì)引入噪聲；又存在碰撞電離與倍增過(guò)程，固有帶寬受到限制，比PIN結(jié)構(gòu)更容易受到干擾。

1.2.3 MSM型光探測(cè)器

MSM型光探測(cè)器的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管不同，但光電轉(zhuǎn)換的基本原理相同。入射光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在兩個(gè)反向電壓金屬電極產(chǎn)生的電場(chǎng)下作定向移動(dòng)，形成光生電流，光電流由金屬電極導(dǎo)出。MSM光探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)電容小，響應(yīng)速度快，制造成本低。不足之處在于金屬材料的吸收系數(shù)高，且沒(méi)有P、N層，金屬與半導(dǎo)體直接接觸，光的吸收損耗較大。隨著材料及集成技術(shù)的發(fā)展，其帶寬特性得到長(zhǎng)足進(jìn)步[ 4 ]。

1.2.4 UTC單行載流子光探測(cè)器

UTC單行載流子光探測(cè)器是基于降低空間電荷效應(yīng)對(duì)光器件性能影響的優(yōu)化設(shè)計(jì)。UTC結(jié)構(gòu)具有高速、高飽和特性的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)材料生長(zhǎng)質(zhì)量有嚴(yán)格要求，P型吸收層對(duì)光生載流子也存在復(fù)合效應(yīng)，吸收層的厚度較薄，因而影響了響應(yīng)度。

為了優(yōu)化長(zhǎng)波長(zhǎng)PIN結(jié)構(gòu)物理特性以適應(yīng)長(zhǎng)距離高比特率光通信的系統(tǒng)，對(duì)器件的結(jié)構(gòu)做了系列改進(jìn)，例如背入射結(jié)構(gòu)，雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，雙耗盡層結(jié)構(gòu)，多模波導(dǎo)或臺(tái)面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，腔諧振腔增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)等。InP基高速PIN倏逝耦合結(jié)構(gòu)光探測(cè)器即是將PIN探測(cè)器與倏逝合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)結(jié)合，可以有效提高器件的飽和特性和響應(yīng)度。在未來(lái)發(fā)展中，將有更多的高性能光探測(cè)器不斷被研制和投入應(yīng)用[ 4 ]。

2 關(guān)鍵參數(shù)

2.1 光電轉(zhuǎn)換效率

式中q為電子電荷，h為普朗克常量，v為光子頻率。由式（1）和（2）得到響應(yīng)度和量子效率的關(guān)系為：R=ηq/hv，二者呈正相關(guān)。

光探測(cè)器對(duì)光的吸收能力，由材料的吸收光譜決定。不同的材料吸收波長(zhǎng)段不一樣，響應(yīng)度和量子效率都是波長(zhǎng)的函數(shù)。為了獲得高響應(yīng)度和高量子效率，一方面可以在光探測(cè)器入射面鍍一層抗反射膜，以減小入射面的反射；另一方面光入射面要做的很薄，以提高光生載流子轉(zhuǎn)移速度。響應(yīng)度和量子效率這兩個(gè)參數(shù)分別在宏觀及微觀方面表征光電轉(zhuǎn)換效率。光電流和入射光功率分布用萬(wàn)用表和光功率計(jì)測(cè)量，便能算出光電轉(zhuǎn)換效率值[ 5 ]。

2.2 高速特性

光探測(cè)器的高速特性是指當(dāng)入射光功率被調(diào)制的時(shí)候，光生電流相應(yīng)的反應(yīng)能力，可用響應(yīng)時(shí)間或響應(yīng)頻率來(lái)表征。響應(yīng)時(shí)間越短，性能越好；頻率響應(yīng)帶寬越高，對(duì)高速變化的信號(hào)的響應(yīng)能力越強(qiáng)。目前光探測(cè)器頻率響應(yīng)測(cè)量的常用測(cè)量方法有網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率掃描測(cè)試法，光脈沖頻譜分析法，干涉的頻率調(diào)制邊帶譜分析法和光外差法。實(shí)驗(yàn)室主要采用網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率掃描測(cè)試法和光外差法兩種方案。高速特性的限制主要來(lái)源于響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)頻率的限制，時(shí)間限制意味著頻率限制[ 4 ]。

2.3 暗電流

在沒(méi)有入射光的狀態(tài)下，工作在反向偏壓下的探測(cè)器產(chǎn)生的電流稱為暗電流。其影響因素包括偏置電壓，工作溫度，結(jié)面積平整度等。暗電流太大，會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)器的靈敏度，通常在器件設(shè)計(jì)及加工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格避免缺陷或不均勻，以降低暗電流的大小。暗電流的測(cè)量亦可采用光探測(cè)器芯片光生電流的測(cè)量裝置，只是不需要入射光[ 6 ]。

2.4 噪聲特性

光探測(cè)器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中所引入的噪聲，主要有散粒噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。散粒噪聲由光探測(cè)器本身引入，散粒噪聲對(duì)接收機(jī)的噪聲性能有著非常重要的影響，噪聲過(guò)大的話，會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的誤碼率，從而降低通信質(zhì)量。熱噪聲由負(fù)載電阻內(nèi)部載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，其對(duì)探測(cè)能力的影響最大，若溫度過(guò)高，則大幅降低系統(tǒng)的信噪比。低頻噪聲主要出現(xiàn)在大約1kHz以下的低頻領(lǐng)域，與探測(cè)器表面平整度相關(guān)。低頻噪聲可通過(guò)調(diào)控低頻段調(diào)制頻率改善。

除了上述重要性能及參數(shù)外，實(shí)際使用中還應(yīng)注意包括光敏面積、探測(cè)器電阻、電容等其他特性參數(shù)，并確保在規(guī)定的工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍內(nèi)。通過(guò)測(cè)量分析光探測(cè)器芯片關(guān)鍵參數(shù)，既可衡量性能指標(biāo)，又助于探索與驗(yàn)證光探測(cè)器的優(yōu)化方法，為器件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成提供參考數(shù)據(jù)資料[ 6 ]。

3 結(jié)論

隨著光通信系統(tǒng)的發(fā)展和升級(jí)，信道傳輸速率不斷提高，高速光探測(cè)器的性能優(yōu)劣，直接決定了通信系統(tǒng)的高速性能實(shí)現(xiàn)與否。同時(shí)，高速光探測(cè)器在通信、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)新材料及STEM領(lǐng)域的不斷突破，會(huì)繼續(xù)推動(dòng)高速光探測(cè)器的快速發(fā)展，對(duì)高速光探測(cè)器的性能研究及結(jié)構(gòu)改善是未來(lái)的重要研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]崔秀國(guó)，劉翔，操時(shí)宜，等.光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展、挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J].電信科學(xué)，2016（5）：34-43.

[2]雷肇棣.光電探測(cè)器原理及應(yīng)用[J].物理，1994，23（4）：220-226.

[3]陳慶濤.光通信系統(tǒng)中新型單行載流子光探測(cè)器的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2018.

[4]賀達(dá)敏.光通信中高性能光探測(cè)器的性能分析及其測(cè)試方法的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

[5]雒偉偉.波分復(fù)用系統(tǒng)中高性能光探測(cè)器高速性能和測(cè)量方法的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.

[6]王睿.高速光探測(cè)器性能的測(cè)量研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.