高光学接收器光电二极管性能基础

光电通信系统依靠光电二极管将光信号转换成电流。光电二极管所使用的材料决定了关键性能度:负力(A/W)、带宽(GHz)、暗流(噪声)和运行波长范围。对于在25GHz及以上运行的接收器,半导体必须同时显示高载体的流动性和在目标波长时的强吸收系数。这一分析比较了主要的光电二极管材料——硅、 ⁇ 、 ⁇ 氧氧 ⁇ (InGAs)和新兴的替代物——侧重于它们是否适合现代光学连接、光纤电信和自由空间光学。

核心光二极管材料

硅光二极管

硅(Si)光二极管在可见至近红外范围内(400–1100 nm)的应用中占主导地位。 其广泛使用源于成熟的CMOS制造工艺、低成本和非常低的暗流(典型的皮坎普 ) 。 然而,硅的间接带宽(1.12 eV)导致吸收能力弱于900 nm,而载体的流动性(电子约为1500 cm2/V ) 将它的带宽限制在标准p-i-n结构的1–5 GHz左右。 高级硅-on-insulator(SOI)和电荷-entrapation设计可以将带宽推向10 GHz,但硅对O-band(1310 nm)和C-band(1550 nm)光纤通信来说仍然是不切的。 硅光二极管对于短通性塑料光纤(POF)系统、光传感器和消费电子来说,成本和噪音比多吉比多。

⁇ 光二极管

日耳曼尼姆(Ge)提供了更窄的间接带宽(0.67 eV),将吸收范围扩大到1600纳米,覆盖了整个电信中使用的O波段和C波段。 与III-V材料相比,日耳曼尼姆的主要缺点是比三维材料更小的带宽(微幅对米米幅)和较低的载体移动性(约3900 cm2/V%s),通过内侧生长可以将日耳曼尼姆光子单融合到硅上,从而使得硅光子接收器成为可能。 典型的负压率在1550纳米时达到0.5-0.7 A/W,而视几何而定,带宽为10-50GHz。 日耳曼尼姆的主要缺点是比三维材料更深的暗的电流(约3900 cm2/V) 。 仔细的剂量和钝化仍然比InGaAs产生更多的射电声。 它们是中程数据链(10-40 Gbps) 需要硅光子集成的实用妥协。

⁇ (InGaAs) 光电二极管

InGaAs,通常与InP配制成的In0.53Ga0.47As,是高速光学接收器的工作马,它具有直接的带宽(0.75 eV),在900-1700纳米之间产生高吸收系数(104-105 cm-1)。 电波在1550纳米时超过0.9A/W,电子运动超过10 000厘米/V 秒,在旅行波和波导集成设计中,使带宽超过100GHz。InGaAs光电极在通过适当时也表现出低暗电流(nanoamps)。主要的挑战包括材料成本较高、工艺复杂(InP superation supertype)和难以与硅化成像电磁场结合。 商业上可用的InGaAs光电极在100Gbps和400Gbps统一接收器、长叶纤维系统和LIDAR。

高 ⁇ 亚耳森尼德(GaAs)和其他III-V化合物

GaAs光二极管(bandgap 1.42 eV)运行于600-900 nm,在数据中心可优化850 nm多模纤维(基于VCSEL),它们提供高带宽(25-50 GHz)和低噪音,但无法检测到1310/1550 nm波长。 对于专门应用,如磷化 ⁇ (InP)和磷化 ⁇ (InGaAsP)等材料提供量身定制的带宽。 InP光二极管显示的探测器带宽超过160 GHz,并被用于先进的连贯系统。 但是,这些材料仍然比硅或 ⁇ 贵,而且可伸缩性较低。

关键计量的性能比较

  • 1550 nm 的响应:[] InGaAs(0.9 A/W) > Ge(0.5 A/W) > Si(忽略)
  • 班德威德(p-i-n结构):] InGaAs(60–100 GHz) > Ge(20–50 GHz) > Si(1-10 GHz)
  • < 强> 黑暗流密度: Si( 10 pA/ cm2) < InGaAs( 100 nA/ cm2) < Ge(1 μA/ cm2)
  • < 强> 每日死亡费用: Si QQ o < InGaAs
  • 与CMOS的结合:si(原生) > Ge(epitaxial) > InGaAs(hybrid bliding) 互联网档案馆的存檔,存档日期2013-09-02.

这些权衡解释了硅为何主导低速传感器,白垩纪填补硅光子的空白,而InGaAs仍然是最高性能的选择。 没有单一材料能满足高速光学接收器的所有要求;系统设计师必须优先处理成本、电源或带宽。

物料选择的权衡

波长- 特定要求

长波电信(C-和L-波段)需要吸收1500纳米以上,消除硅. 对于1550纳米的自由空间光学通信,InGaAs对于实现高灵敏度的眼安全电能水平是必要的. Datacom连接使用850纳米VCSELs从GaAs甚至Si(对于XQ10 Gbps)中获益. 1060纳米的新兴短波PAM4连接可以利用紧张的Ge或InGaAs探测器,材料还必须在狭小的光谱范围内吸收,以减少自发排放噪音.

整合和包装

混合融合-在混合融合中,InGaAs光电线圈与硅光电路结合-增加成本但保持性能. 单石化的硅基对体积生产具有吸引力,但由于拉蒂切不匹配而出现增加的暗流. 研究人员继续开发分级缓冲层和量子井结构以缓解缺陷. 对于超高速接收器(>100 Gbaud),光电解和接触阻力占据了速度;像抗电性接触较低的InGaAs这样的材料至关重要.

新兴材料和技术

图形光学检测器

石墨烯的超高载体流动性(20万cm2/V~s)和宽带吸收(UV到远IR)保证带宽超过500GHz。 然而,石墨烯的低吸收(每层2.3 % ) 将负载力限制在数十mA/W,除非与质子增强或波导相结合。 最近的演示显示,通过将石墨烯与硅光子波导融合,50GHz带宽具有0.5A/W的负载性。 挑战包括高暗电流、缺陷敏感性和低噪声操作缺乏带宽。 石墨烯在超快探测器中可以发现光学互联的用途,但商业可行性仍然在数年之外。

过渡金属二甲醇基合物(TMD)

MoS2,WS2,以及其他TMD在可见到近IR的光物质相互作用很强的状态下提供直接的带宽. Monolayer TMD光电二极管显示负力可达1A/W,低暗电流,但带宽受到慢载体重组(微秒)的限制. Heterostractorications(如:phramene-TMD)旨在将高速与敏感度相结合,但当前设备落后于InGaAs.

亚麻风光电效应

APD使用撞击电离来达到内部增益,增强接收器的灵敏度. APD的物质选择至关重要:硅APD(可见)的超噪量较低(k系数~0.02),而InGaAs的APD(红外)的噪量较高(k~0.3~0.5). Germanium APD很少因为噪音过大而使用. InAs 乘积层的单独吸收,分级,充电和乘积结构(SAGCM)的近期进展减少了InGAs APD的噪量,使25 Gbps 接收器的灵敏度低于 -20 dBm. 对于较长的波长(2微米及以上),汞镉分泌(MCT) APD正在出现,用于自由空间和分子感知.

结论

光二极管材料的选择从根本上限制了高速光学接收器的速度,灵敏度和成本. 硅仍然是具有中带宽(<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)的可见和近红外应用最符合成本效益的解决方案,或参考了中的最近评论. IEEE Journal of Lightwave Technology 用于应用特定比较.