摘要：本文介绍了40gb/s侧面进光的波导型pin光探测器(40gb/s wd-pin-pd)的结构和40gb/s wd-pin-pd/tia 组件的主要光电特性及其测试.结果表明，我们设计制作的40gb/s wd-pin-pd在-3.3v下暗电流可小于15na，光响应度可大于0.46a/w，-3db模拟带宽可大于32ghz。
1.前言
对于单通道40gb/s 光传输系统来说，其光探测器一般不能采用正面进光的pin-pd结构。因为这种正面进光的探测器pn结电容和杂散电容大、载流子渡越时间长，从而限制了它的光响应速率（或传输带宽）。为了提高光响应速率(带宽)，探测器采用了窄条型侧面进光的波导型pin结构(wd-pin-pd)。这种结构的pn结电容可小于80ff (1ff = 10-15f )，且由于采用了半绝缘衬底，降低了杂散电容；通过减小光吸收区的厚度，减小了载流子渡越时间。这些结构上的变化，使波导型pin光探测器的光响应带宽可大于30ghz，有的甚至达到50ghz以上。
2003年，我们开始设计、试制40gb/s wd-pin-pd，通过近两年的实践，我们成功地制作了40gb/s wd-pin-pd。测量结果表明，该探测器的暗电流小于15na，光响应度可大于0.46a/w，而-3db模拟带宽达32ghz。用它和40b/s tia组装在一起，光接受灵敏度可达-7dbm。
2.40gb/s wd-pin-pd结构
40gb/s wd-pin-pd有几种不同的结构。我们设计了一种准共面波导（cpw）-侧面进光的波导型探测器一体化结构，其示意图如图1所示。
图1 具有cpw的40gb/s wd-pin-pd结构示意图图1 为cpw输出和wd- pin-pd的一体化结构。这种结构的核心是40gb/s wd- pin-pd。它由掺fe的半绝缘inp衬底、n+-inp过渡层、n-inp光匹配层、n-in0.52al0.48as光波导层、i-in0.53ga0.47as光吸收层、p-in0.52al0.48as光波导层、p+-inp光匹配层和p+-in0.53ga0.47as接触层构成，其中i-in0.53ga0.47as光吸收层厚度为0.52-0.58μm。
为便于形成平如镜面的进光面，先把它制作成一个双台面孪芯结构，如图2所示，最后通过解理技术，形成单个管芯.这种孪芯结构已申报了国家专利。双台面孪芯结构如图2所示。
图2 双台面孪芯结构示意图3. 40gb/s wd-pin-pd的光电特性
40gb/s wd-pin-pd的光电特性包括i-v特性、波长响应特性、光电转换特性、开关特性等，它可以用光电流、暗电流、击穿电压、pn结电容、波长响应范围、光响应度、-3db带宽、相对强度噪等技术指标来衡量其光电特性的优劣。对于40gb/s wd-pin-pd来说，关键的技术指标是暗电流、-3db带宽和光响应度。
3.1光电流和暗电流
光电流是探测器中作用区(又称有源区)吸收光产生载流子、通过高场下漂移或扩散，进而在pin耗尽区产生附加电势，并在外电路流过的电流。该电流与入射光功率、光耦合效率、入射面反射系数、探测器光敏面面积、探测器中吸收层材料的光吸收系数以及内量子效率等因素紧密相关。根据连续性方程和边界条件，光电流iopt可以表示为:
iopt = (1- r) iopt (x) d x = (1-r) iopt (0) e(-α(λ)x) d x (1)
这里，r为反射系数;α(λ)为光吸收系数，对ingaas ，α(λ)≈ (2-4) ×103 cm-1 ;
e-α(λ)反映入射光的利用率，当作用区长度l> 1/α(λ) 时，光的利用率可达95%以上;iopt (0) 为起始光电流。它与探测器作用区中的内量子效率紧密相关，是材料结构参数的灵敏函数。
暗电流是指探测器在规定反向电压下无光照时的电流。它对探测器光接收灵敏度是一种噪声限制。也是衡量光探测器制作技术优劣的主要指标。该电流主要由pin结耗尽区的产生电流、pin结邻近区域的扩散电流、i区的隧道电流以及表面漏电流组成。对台面型器件，重要的是裸露的pin台面周边保护问题。如果台面周边裸露的pin结保护不佳，将导致表面漏电流较大，甚至成为暗电流的主要成分。通常，光敏面直径为45μm的平面型pin-pd，暗电流一般小于1na，而相同面积的台面型pin-pd，暗电流一般大于10na。我们制作的40gb/s wd-pin-pd，-3.3v下暗电流在0.2 na至20na范围。
3.2 光响应速率和-3db带宽
数字通信光纤中传输的信号是数字式光信号，对40gb/s光信号接受来说，光探测器必须具有高速跟踪信号的能力，其跟踪能力就是光响应速率。根据付立叶时域-频域变换，光响应速率可以用-3db带宽来表征。
光响应速率受到载流子渡越时间，rc时间等因素的限制。
载流子渡越时间与反向偏压大小、载流子饱和漂移速度、渡越区厚度有关。光生载流子有两种——电子和空穴，它们的饱和漂移速度是不一样的。in0.53ga0.47as中稳态电子、空穴饱和漂移速度与电场关系如图3所示。
