«Применение элементов фотоники в специальной аппаратуре Учебное пособие s Санкт-Петербург 2008 Министерство образования Российской федерации Санкт-Петербургский Государственный университет информационных технологий, ...»

длинноволновой области, а образующийся гетеробарьер является вредным, поскольку препятствует эффективному проникновению электрического поля в детектирования оптического сигнала, которая заключается в использовании InP/ GaInAs гетеробарьера для эффективного блокирования носителей заряда, полупроводниковых слоев такой гетерофотодиодной структуры состоит из 800 нм GaInAs и верхнего слоя InP толщиной 100нм (рис. 31). Металлические встречноштыревые 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 Пространственное распределение электронов и дырок в активной области 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.

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 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 преимуществами.

Рис. 34. Соотношения эффективность-полоса пропускания для фотодиодов с различной структурой (VPD, WGPD, TWPD, RCE-PD, RFPD, Рис. 35. Структуры устройств: а – WGPD, b – WG-fed-PD, c – TWPD, d – PTWPD 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:

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-полупроводникметалл 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:

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:

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) 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 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.

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 m)/InGaAs/InGaAsP (g = 1. 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:

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, «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 сопряженных фотодиодов, таких как фотодиоды бегущей волны или волоконновозбуждаемые фотодиоды, описываемые ниже, а также в вертикально освещаемых диодах и диодах с преломляющими гранями (RFPD). Фактически, 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.

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 ограничивает ширину полосы пропускания. Предельная ширина полосы пропускания f3dB может быть описана, как:

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 несогласованность.

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

где LU и СU – индуктивность и емкость на единицу длины линии передач, соответственно. Непосредственно СU – емкость безпримесного фотопоглощающего слоя выражается:

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 :

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.

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

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 миллиметровых 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 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 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 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 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 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