綜述 C,2k W`[V  
:qfP>Ok  
在本例中，我們將研究混合硅基光電探測器的各項性能。單行載流子（uni-traveling carrier，UTC）光電探測器（PD）由InP/InGaAs制成，其通過漸變耦合的方式與硅波導相連。在本次仿真中，F(xiàn)DTD模塊將分析光電探測器的光學響應，CHARGE模塊將分析器件的電學特性。 `Bw>0%.  
8zDLX,M-  

圖片:2023050913.png

)=KD  
*] H8X=[x  
背景 ZtS>'W8l  
=l7@YCj5c  
光電探測器的主要作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以解碼出加載到光信道上編碼的信息。因此我們可以使用Lumerical的光學和電學求解器對此類器件進行精確模擬和優(yōu)化。首先采用時域有限差分（FDTD）方法模擬了光電探測器的光學特性，計算光學吸收功率可以得出電子-空穴對的局部產(chǎn)生率。然后，將光學仿真求得的電子空穴對產(chǎn)生速率導入電學仿真（CHARGE）中用于求解的連續(xù)性方程。 kx6AMx!nX  
v}vwk8  
對于高速光電二極管，通過將吸收層與收集層解耦，可以使用單行載流子（UTC）設(shè)計來優(yōu)化渡越時間響應[1]。在傳統(tǒng)的PIN結(jié)構(gòu)中，載流子是在本征區(qū)中光生的，在本征區(qū)中，強場將載流子分離以產(chǎn)生光電流。載流子的速度通常是有限的，并且在大多數(shù)常見的材料（如鍺）中空穴比電子慢，這會導致延遲和不對稱響應。通過結(jié)合窄帶隙和寬帶隙半導體，可以隔離單個載流子類型（通常是電子），使得器件的光響應僅取決于這些載流子的傳輸。然而，與PIN光電二極管相比，UTC的能帶結(jié)構(gòu)要求通常需要III-V材料來實現(xiàn)，這使得在與硅基光子系統(tǒng)集成時面臨額外的挑戰(zhàn)。 p_^Jr*Mv  
/$w,8pV=  
本例中光電探測器是基于集成在硅基光子系統(tǒng)上的InP/InGaAs混合波導光電二極管所設(shè)計的[2]。其包括100nm厚的InP鍵合/匹配層、250nm厚的GaAs吸收體和700nm厚的In P本征收集層。材料堆疊和相關(guān)的帶結(jié)構(gòu)如下圖所示。測量了長度為25um、50um和150um的光電探測器[2]。 yK1@`3@?  
3`%]3qd}  

圖片:2023050914.png

`7v"(  
?Xdb%.   
光學設(shè)計 _,,w>q6K  
4^3}+cJ7j  
使用FDTD求解器，計算出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下光電探測器中的光場變化（主要以電場E的形式表示）。 S!'
Y:AeD&  
d`}t!]Gg  

圖片:2023050915.png

Rm^3K  
RM\A$.5  

圖片:2023050916.png

Y(a0*fh  
rKhhx   
在得到光場后，軟件內(nèi)置的分析腳本將自動的計算出光產(chǎn)生速率，同時會根據(jù)光生成率在光傳播方向（y）上的平均值生成一個文件，此文件將在CHARGE中用于電學仿真。 F(!9;O5J]  
(qG}`?219J  

圖片:2023050917.png

K~1uR:DR  
DW@|H  
產(chǎn)生速率分析還基于輸入功率和器件體積來計算光電探測器的響應度。因此調(diào)整光電探測器的（Y方向）的長度，可以初步觀察到響應度的變化。 h83W;s  
F gi&CJ8Q  
電學設(shè)計與光電響應 v(|Arm?  
No|T
#=BZ[  
穩(wěn)態(tài)：暗電流和響應 Xr
B)[kQ  
!HV<2q()  
文獻中[2]測量到的暗電流小于10nA。為了模擬光電探測器的穩(wěn)態(tài)特性，我們將FDTD中計算出的長度為50μm的光電探測器的光學生成率導入到CHARGE電學仿真當中，將偏置從-5V掃到1.5V，進行暗電流模擬和響應模擬。從光電流響應來看，響應度為1.07A/W，表明復合損耗可忽略不計。通過減少InGaAs吸收層中的載流子壽命，5V反向偏壓下的暗電流被設(shè)置為~1nA。 dH5 Go9`~R  
+D3w2C
 

圖片:2023050918.png

CyR1.|!@  
)#(6J  
瞬態(tài)響應和帶寬 -z s5WaJn/  
0*=[1tdWY  
瞬態(tài)響應分析可用于提取光電探測器的等效電路模型，該模型捕獲渡越時間延遲和二極管導納（RC）[3]。首先，為了提取二極管的導納，我們將在不同的偏置電壓下進行小信號分析。二極管的小信號模型包括串聯(lián)電阻RS~0和電壓相關(guān)電容C（V）。電導可忽略不計（例如VR/Idark>1GΩ）。二極管模型中的每個阻抗可以理解為相對于PD表面積的密度（例如，每單位面積的電容），并應相應地縮放。 bfE4.YF  
!R`E+G@  

圖片:2023050919.png

IqA'Vz,lL  
?:sk [f6  
為了提取阻抗，二極管的導納函數(shù)可以通過以下公式求得： SS)9+0$