超高速光受信器における光ダイオード性能の基礎

高速光通信システムは、光信号を電気電流に変換する光ダイオードに依存しています。フォトダイオードで使用される材料は、重要な性能メトリックを決定します。応答性(A / W)、帯域幅(GHz)、ダーク電流(ノイズ)、および動作波長範囲。25 GHz以上の受信機では、半導体は、ターゲット波長の高キャリアのモビリティと強力な吸収係数の両方を展示しなければなりません。この分析は、優位光ダイオード材料 - 、高分子、および光ファイバ、および光ファイバ、および光ファイバ、および光ファイバ、および光ファイバ、および光ファイバなどの代替材料を比較します。

コアフォトダイオード材料

シリコンフォトダイオード

シリコン(Si)フォトダイオードは、近赤外域(400〜1100nm)に表示されているアプリケーションを支配します。 それらの広範な用途は、成熟したCMOSの製造プロセス、低コスト、および非常に低いダーク電流(典型的にピコアンプ)からステムを使用します。 しかし、シリコンの間接バンドギャップ(1.12 eV)は、900nmを超える弱吸収で、キャリアのモビリティ(約1500 cm2 / V・電子)は、電子回路の帯域幅を1〜5GHzの波長帯域幅を制限します。 シリコンは、シリコンの間接近速度(OV)およびシリコンは、シリコンの波長帯域幅は、およびシリコン(OV)、シリコンの波長帯域幅は、および波長は、波長帯域幅は、波長帯域幅は、波長は、波長帯域幅は、波長帯域幅は、波長は、波長帯域幅は、波長帯域幅は、波長帯域幅は、波長帯域幅は、波長帯域幅は、波長は、波長帯域幅は、波長帯域幅は、波長は、波長は、波長は、波長帯域幅は、波長帯

ゲルマニウムフォトダイオード

ゲルマニウム(Ge)は、テレコムで使用されるOバンドとCバンド全体をカバーし、1600nmに吸収を拡張する、より狭い間接バンドギャップ(0.67 eV)を提供しています。 Geフォトダイオードは、正式に、シリコンフォトニクス受信機を可能とする、エピタキシャル成長を介してシリコンに統合することができ、シリコンフォトニクス受信機。 典型的な応答性は、1550nmで0.5〜0.7 A / Wに達し、幾何学に応じて10〜50 GHzの帯域幅が10〜50 GHzの帯域幅で、シリコンフォトニクスが低下する。 それらは、最大3μmの波長よりも低速で、より小さいため、Vは、最大3〜4〜4〜4〜4〜4〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜5〜

インジウムガリウムアルセニド(InGaAs)フォトダイオード

InGaAsは、In0.53Ga0.47Asの組成物でInPに通常照合され、高速光受信機の作業員です。それは、直接バンドギャップ(0.75 eV)、高吸収係数(104〜105 cm−1)を900〜1700 nmで収斂しています。応答は、1550 nmで0.9 A / Wを超える、および電子モビリティは10,000 cm2 / Vを超える、100GHzを超える商用帯域幅を有効化し、電流を通した場合には、光信号および光信号を高域幅にすることができます。

ガリウムアルセニド(GaAs)及びその他III-V化合物

GaAsフォトダイオード(バンドギャップ1.42 eV)は600〜900nmで動作し、データセンター内の850nmマルチモードファイバ(VCSELベース)用に最適化されています。 高帯域幅(25〜50GHz)と低騒音を提供しますが、1310 / 1550nm波長を検出できません。 特殊な用途のために、インジウムリンジ(InP)やインジウムガリウムアルセニドリン(InGaAsP)などの材料は、調整されたバンドギャップを提供します。 ディスプレイは、160GHz以上の高価なディスプレイやシリコン系よりも、これらのシリコン系は、これらの材料は、より少なくなります。

性能の比較 主メートルを渡る

  • :1550 nmの応答性:[ InGaAs (0.9 A/W) > Ge (0.5 A/W) > Si (必須)
  • 帯域幅(p-i-n構造):[ InGaAs(60〜100GHz) > Ge(20〜50GHz) > Si(1〜10GHz)
  • ダーク電流密度: Si (10 pA/cm2) < InGaAs (100 nA/cm2) < Ge (1 μA/cm2)
  • 金型ごとのコスト: Si << Ge < InGaAs
  • CMOSとの統合: Si(native) > Ge(epitaxial) > InGaAs(ハイブリッドボンディング)

これらのトレードオフは、シリコンが低速センサーを支配する理由を説明し、ゲルマニウムはシリコンフォトニクスのギャップを埋め、InGaAsは最高のパフォーマンスのための選択を残します。 単一の材料は、高速光受信機のすべての要件を満たしていません。 システムアーキテクチャは、コスト、電力、または帯域幅を優先する必要があります。

素材選定のトレードオフ

波長指定の条件

シリコンを除去する1500nmを超える高耐力電容量(C-およびL帯)の要求の吸収。1550nmの自由空間光学(FSO)通信のために、InGaAsは高い感度で目の安全な電力レベルを達成する必要があります。データコムリンクは、GaAsまたはSi(≤10 Gbps)のメリットを850nm VCSELs使用。1060nmの短距離PAM4リンクをエマージすることは、材料を吸入またはGeGaAsのノイズを低減する必要があります。

統合および包装

InGaAsフォトダイオードがシリコンフォトニクス回路に結合されるハイブリッドインテグレーションは、コストがかかるが性能を維持します。モノリシックゲルマニウムオンシリコンは、ボリューム生産に魅力的ですが、格子ミスマッチによるダーク電流の発生に苦しんでいます。研究者は、グレードのバッファレイヤーと量子ウェル構造を開発し、欠陥を軽減します。超高速レシーバー(>100 Gbaud)の場合、フォトダイオードキャパシティメントとレジストなどの抵抗を低減します。

新興材料・技術

グラフェンフォトデテクター

グラフェンの超高キャリアモビリティ(20万cm2 / V·s)とブロードバンドの吸収(UV〜遠IR)は500GHzを超える帯域幅を約束します。 しかし、グラフェンの低吸収(2.3% /レイヤー)は、プラズマ強化または波ガイドと組み合わせない限り、mA / Wの10分の応答を制限します。 最近のデモでは、シリコンフォトウェーブガイドとグラファイトを統合することにより、50 GHz帯域幅を低応答性表示することができます。 光学系は、低速の欠損や低速の欠損などの可能性があります。 光学系は、低速の動作が欠如する可能性があります。

転移の金属Dichalcogenides (TMDs)

MoS2、WS2、およびその他のTMDは、可視性で直接バンドギャップを発揮し、より強力な光線変化の相互作用を実現します。単層TMDフォトダイオードは、最大1 A/Wおよび低暗電流までの応答性を発揮しますが、帯域幅は、遅いキャリアの回帰(マイクロ秒)によって制限されます。 Heteroconstructs(e.g.、 graphene-TMD)は、感度の高い速度を組み合わせることを目指していますが、InGaAssGaの背後にある現在のデバイスは、InGaAs.Gaの遅延を伴います。

Avalancheフォトダイオード(APDs)

APDは、内部のゲインを達成するためのインパクトイオン化を使用し、受信機に対する感度を高めます。 APDの材料の選択は重要です。シリコン APD(可視)は、低過剰ノイズ(k要因〜0.02)を持ち、InGaAs APD(赤外線)は、より高いノイズ(k〜0.3-0.5)に苦しんでいます。 ゲルマニウム APDは、過度の騒音のために使用されるセルダムです。 最近の増加は、別の吸収、グラデーション、充電、および乗算(SAGC)が、APD(MHz)よりも長い波長を低減します。 PD(APD)は、APD(MHz)が、および、A)、より長い波長が、APD(MHz)、および、および、APD(MHz)、および、および、APSM(MHz)、A(MHz)、および、APSM(MHz)、および、A(MHz)、および、および、および、および、および、および、および、および、A(MHz)、および、および、A(MHz)、A(MHz)、および、および、APSM(MHz)、A(MHz)、A(MHz)、

コンテンツ

光ダイオード材料の選択は、速度、感度、および高速光受信者のコストを根本的に抑制します。シリコンは、可視および近赤外線アプリケーションのための最も費用対効果の高いソリューションを、低域幅([<10 GHz). Germanium provides a viable path for monolithic silicon photonics in the O- and C-bands, albeit with higher dark current. InGaAs sets the benchmark for high-speed telecom and datacom receivers, offering the best combination of responsivity and bandwidth at 1.55 µm wavelength. Emerging materials like graphene and TMDs hold potential for future ultra-broadband detectors but are not yet competitive for production systems. System designers must evaluate overall link budgets, power consumption, and integration complexity to select the optimal photodiode. For a deeper dive into photodiode physics, refer to the ])]Thorlabs Photodiode Tutorial[]に残し、または最近のレビューをで相談します。 の光波技術]の[FLT:]]の比較のための[FLT:]。