空间耦合高速光电探测器的等效建模与实现

吴 丹 ,梁赫西 ,沈天浩 ,代永红

(1.国家计算机网络与信息安全管理中心,北京 100027;2.湖北师范大学 计算机与信息工程学院,湖北 黄石 435002;3.武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉 430072)

空间相干光通信领域中,由高速光电探测芯片为核心构成的平衡光电探测器是相干光通信系统的关键器件之一[1-2]。高速光电探测芯片的光敏面直径、通信带宽等参数直接影响着相干光通信系统的性能。目前,空间光耦合到光电探测器光敏面上的方式主要有单模光纤耦合和直接耦合。单模光纤的芯径较小,对探测器光敏面的面积无太高要求,但耦合效率不高,损耗达3～8 dB;通过将空间光直接耦合到探测光敏面上会进一步提高耦合效率、减少损耗、提高系统探测灵敏度,但要尽可能地增大探测器探测光敏面的面积,以克服大气湍流效应带来的光斑抖动的影响[3-6]。随着半导体工艺水平的不断提升,利用电学元件评估等效高速光电探测器件进行建模,分析探测器光敏面面积及通信带宽等参数性能已成为了该领域的研究热点。早在1964 年,Lucovsky 等[7]就提出了光电二极管的数值分析模型,利用载流子运动来描述光电二极管内部光电转换过程。1994 年,陈维友等[8]建立了PIN 光电二极管的等效电路模型。随后的近二十年间许多学者采用数值分析模型的方法获得光电二极管内部空间动力学特性,进行光电器件生长过程中材料及器件等效结构研究[9-11]。但采用以上方法建模在实际工程应用中较为复杂,器件微带网络、封装及高频特性考虑较少。

本文针对空间相干光通信空间耦合方式对探测器光敏面大面积、高带宽的需求,建立了PIN 光电二极管等效电路模型及TO 封装电路模型。通过仿真分析了其光脉冲、频率等特性,实验采用InGaAs-PIN 光电二极管验证了高频等效电路的正确性,其性能参数优于商业主流PD 供应商COSEMI 公司[12]的产品PDA1003S,在保证大面积探测光敏面的同时,提高了通信带宽,进一步优化了探测系统的探测灵敏度[13]。

1 等效电路建模

实际工程应用中PIN 光电二极管的器件结构由多层构成,物理结构复杂,为了简化分析,文中以掺杂的P 区、N 区及本征I 区为研究对象,且假设N、P 区耗尽层宽度相对于I 区可以忽略;本征I 区电场强度分布均匀,边缘效应可以忽略。

根据载流子速率方程、电流连续性方程及边界条件可知电路标准性方程为[7]:

式中:Pin为入射光功率;hν为光子能量;R为光电二极管端面的反射系数;Wn、Wi、Wp分别为N、I、P 区域宽度;αn、αi、αp分别为N、I、P 区光功率吸收系数;Vn、Vi、Vp分别表示N、I、P 区电压;νn和νp分别为I 区电子与空穴的漂移速度;τnr表示电子复合寿命;τnt表示电子漂移时间;ξn和ξp分别表示电子和空穴的碰撞激化率;C0为与电荷总量相关的电容;Ip、In分别为P 区和N 区电流。

根据式(1)、(4)得到PIN 光电二极管的N 区的等效模型,由式(2)、(5)得到PIN 光电二极管的P 区的等效模型、由式(3)可以得到PIN 光电二极管的I 区等效电路模型,则PIN 光电二极管的等效电路模型[8]如图1 所示,左边为光信号输入级等效,中间从上到下分别对应N 区、P 区与I 区的等效模型,虚线左边为光端口,右边为电端口。

图1 PIN 光电二极管高频等效电路模型Fig.1 The high frequency equivalent circuit model of PIN photodiode

考虑PIN 二极管寄生的串联电阻Rs,封装过程中的寄生参数,可通过一个小信号等效电路模型描述PIN 光电二极管高频等效电路模型,同时小信号模型可描述分析封装后的PIN 光电二极管,该模型由芯片自身寄生参数和封装寄生参数两部分组成。如图2 所示,其中Rd表示结电阻,Cd表示结电容,Ls表示馈线电感,Cp表示焊盘电容,Rp表示焊盘电阻。小信号模型在材料结构清晰的条件下,光电二极管的等效电路建模适用于对二极管芯片的优化与设计。

图2 PIN 光电二极管高频小信号等效电路模型Fig.2 Simplified model of high frequency equivalent circuit of PIN photodiode

2 封装评估建模

光电二极管高频等效电路模型是否与实际工程相符,可以通过矢量网络测试仪进行评估,利用S参数对光电二极管高频等效电路模型评估,原理如图3 所示。

图3 PIN 光电二极管S 参数测试原理图Fig.3 S parameter test schematic of PIN photodiode

图3 中激光调制器的S参数矩阵可表示为:

光电二极管的S参数矩阵可表示为:

激光管和光电二极管级联的链形散射矩阵可表示为:

式(8)转化为S参数矩阵为:

若封装寄生参数网络对应的S参数矩阵为:

则含有封装寄生网络的总级联S参数矩阵可表示为:

根据微波S参数理论,考虑封装参数建立光电二极管TO 封装评估等效电路模型如图4 所示。

图4 PIN 光电二极管TO 封装高频电路模型Fig.4 High frequency circuit model for PIN photodiode TO package

图4 中,I(jω) 为理想光电二极管的电流源,CJ为PIN 光电二极管的结电容,RJ为PIN 光电二极管反向偏置时的结电阻,R1为金丝烧结引入的串联电阻,L1为绑定金丝的电感,C1为金丝绑定引入的寄生电容,R2为TO 封装座引入的串联电阻,L2和L3以及C2和C3分别是TO 封装引入的寄生电感与寄生电容。元件参数的选取可以用实测的S参数,采用拟合的方式确定。

3 仿真与实验

实验将PIN 光电二极管进行了封装,如图5 所示。

图5 PIN TO 封装Fig.5 TO packaging on PIN

根据图4 所示的TO 封装等效电路模型参数,直径25 μm 的金丝单位长度的等效电感为1 nH/mm,等效电阻为2 Ω/mm[14]。L1的封装长度为450 μm,对应的电感取样为0.45 nH,对应的等效串联电阻取值是0.9 Ω。参数CJ是PIN 光电二极管重要的高频参数,通 过 Advanced Design System (ADS) 软 件 与R&SZNB40 矢量网络分析仪工具进行模拟仿真,ADS软件调节元件CJ的参数值,使S22的拟合曲线与实际测试尽可能一致,表1 给出了模拟元件参数值。

表1 PIN 光电二极管TO 封装的等效元件参数表Tab.1 Equivalent element parameter table for PIN photodiode TO package PIN

PIN 光电二极管的相应带宽和光电二极管的结电容与通信速率之间的仿真关系如图6 所示,从图6(a)可以看出,仿真的数据表明在10 Gbps 的通信速率下,均可以保持响应度的一致性,而图6(b)结电容仿真图表明,在10 Gbps 通信速率的条件下,其结电容大约在0.5 pF。

图6 PIN 光电二极管带宽与结电容仿真图Fig.6 PIN photodiode bandwidth and junction capacitance simulation

图7 给出了测试与ADS 软件模拟的S22曲线对比图。模拟参数S22的结果与测试端口的S22参数基本吻合,说明模拟结果的正确性,同时也说明了PIN 光电二极管等效电路建模的合理性。

图7 测量结果与模拟建模的对比图Fig.7 Comparison of measurement results with analog modeling

PIN 光电二极管封装后的S22和S21参数曲线如图8所示。图8(a)表示了TO 封装座的输出端口S22的实部与虚部,图8(b)表示了测试电路的TO 封装的测试座的S21响应参数,图中显示电路3 dB 带宽点为6.106 GHz,远远满足通信速率5 Gbps 稳定通信要求。

图8 PIN 光电二极管封装后反射系数与传输系数Fig.8 Reflection coefficient and transmission coefficient of PIN photodiode package

将同一批次的两个光电二极管的样品进行TO 封装,一个样品在中国华东电子测量仪器研究所光电计量校准中心进行相对频率响应度测试,另一个根据光电二极管TO 封装的等效元件参数表1,采用ADS 软件对相对频率响应进行了仿真拟合,图9 给出仿真拟合结果与测试样片的相对频率响应的对比图。

图9 PIN 光电二极管相对频率响应测试图Fig.9 Relative frequency response test of PIN photodiode

从图9 可以看出:在频率小于3.5 GHz(通信速率5 Gbps)区间内,模拟的频率响应和实际的测试值比较接近,在不同频率点下探测器的频响波动不超过0.4 dB,在3.5～5.5 GHz 之间测试曲线稍微有点隆起,这是封装金丝的长度有一定的差异或者是同一基片上的两个样片之间存在一定差异;但截止频率响应也与实际的测试曲线基本一致,反映了高频等效电路建模的正确性。

实验选用光敏面直径为100 μm,通信速率为5 Gbps 的光电探测芯片,选用的一致性高于98.5%,两只PIN 光电二极管应用于平衡探测器封装如图10 所示。

图10 空间耦合的平衡探测器封装示意图Fig.10 Schematic diagram of spatial coupled balanced detector package

平衡探测器在单端输入工作状态下测试通信眼图如图11 所示。测试结果显示,大面积高速光电探测芯片用于空间耦合平衡探测器可正常工作在100 Mbps～5 Gbps 通信速率下(10-9误码率);通过搭建空间耦合相干测试系统,测试结果显示其相干探测灵敏度在5 Gbps 时,灵敏度可达-43.4 dBm。

图11 5 Gbps 通信眼图Fig.11 5 Gbps communication eye diagram

4 结论

本文建立了基于载流子速率方程和微波网络端口特性的PIN 光电二极管高频等效模型和TO 封装模型,并将其应用于相干探测体系中平衡探测器整体封装中。通过参数模拟及实验验证显示:测试参数与模拟参数曲线近似一致,InGaAs-PIN 光电二极管光敏面直径为100 μm,结电容为0.47 pF,带宽为5 GHz,成功应用于空间相干探测体系平衡探测器模块。实验充分证明了模型的有效性和正确性,这对大面积高速光电探测芯片研制及相干体系中平衡探测器的模块开发提供了参考。