前言

2024年有一个基础内容的系列线上解析，分10个议题来解读，每个议题约100多页PPT的内容量。探测器是其中一个议题，放到基础解析系列。

2024年还有一个滚动更新的线上解析系列，包括了400G、800G、1.6T等高速模块的内容，InP、TFLN等内容，激光器部分，硅光集成的部分。相对于探测器而言，激光器和调制器的产业新型的内容会更多，我会做迭代更新。

光通信的波段，

多模通信有850nm-910nm，1060nm等等。

单模通信在1260nm-1650nm之间，尤其以1310nm、1550nm更为集中。

探测器的工作波段与光的吸收材料相关，光的波长和光量子的能量有换算关系，二者成反比。长波长的光子能量更弱，不易被吸收转为电流。这个波长边界就是“探测器的截止波长”

多模通信的探测器，可选Si和GaAs，单模通信的光吸收材料可选Ge、InGaAsP、InGaAs等。

Si、Ge在元素周期表四族

GaAs、InGaAsP、InGaAs分布在元素周期表的三族和五族，这一类材料的探测器有时候也被叫做三五族探测器。

InGaAsP是四元化合物，很少直接用作光模块的探测器的吸收层，更多的是用在EML里的电吸收调制器的吸收层。因为InGaAs和InGaAsP在做探测器吸收材料的话，InGaAs具有更宽的光谱，更低的成本。

InGaAs做吸收材料，但通常是在InP晶圆上制作的，有时候也会简称为InP探测器。

探测器的光导入方向

垂直入射型

垂直是以晶圆为参考面的，垂直于晶圆表面入射，或从底面衬底入射，都属于垂直结构。这一类的光学通道是光模块最为常见的独立芯片内容。有些厂也叫做正照和背照，这两类芯片的组装工艺不一样，背照型组装需要芯片翻面（Flip Chip）焊接。

垂直型的优点是低成本，偏振不敏感，缺点是灵敏度和带宽具有矛盾性，需要权衡或辅助结构改善。

边沿导入型/波导型/侧面入射型

平行于镜面波导的光的导入方向，在硅光集成方案，InP集成方案用的都比较多，因为集成光学的波导通常也是平行于晶圆表面的布局结构。

波导型探测器，一般用于集成芯片，或者相干通信中，这种探测器需要很高的耦合精度，可以兼顾响应度和带宽，成本也比较高。

电流的引出

吸收光，产生电子空穴对，需要一个电学通道将电流引出。通常会分三类结构，

采用P型N型半导体设计电场，引出载流子，形成电流，这一类是光模块目前绝大部分探测器的电流设计，Si、Ge、InP都是半导体。可以设计为P-InP和N-InP来导出电流。

可以P-Ge、N-Ge，P-Si、N-Si等组合一堆PN结来引出电流。

光模块里的探测器绝大多数是双边带的电流引导，但是电子的速度更快，空穴的速度慢一些，在高速探测器也会用一些单边带设计，截留空穴只收集电子来提高带宽。

除了半导体类型的电流引出，还有一种MSM类型，用导体直接接触吸收材料，引出电流。这一类的方式在光模块用的比较少，基于石墨烯的高速探测器是MSM型的变型结构。带宽更大，只是响应度很低。

APD探测器的雪崩放大

探测器吸收光产生电流，如果加一个高压电场，则会激发雪崩效应，对电流进行二次放大，提高响应度，改善灵敏度。

雪崩功能的设计，分两类，一类是雪崩层和吸收层采用同材料，一类是雪崩层与吸收层分离设计。

激光雷达的短波长的硅探测器，会用到硅做吸收材料，也做雪崩材料。但是通信的工作波段在较长的波长区，光子能量很弱，吸收电场和雪崩电场在同一材料里非常容易失效。目前的光模块所采用的APD探测器都是吸收与雪崩分离设计，吸收采用弱电场，雪崩采用强电场。

吸收材料可选易击穿的材料，雪崩材料选择不易被击穿的耐高压材料。在Ge做吸收层的结构里，通常选择硅做雪崩材料。

InGaAs做吸收材料，则通常选择InP，更好的则选InAlAs，再好一些可选InAlAsSb

雪崩效应，不仅放大了信号电流，也会放大噪声电流，对于雪崩材料的选择还会考虑其k因子，也就是额外引入噪声的能力。k越小越好。

虽然k越小，雪崩效应产生的额外噪声越小，但同时还需要考虑到不同材料之间能否叠加，如InGaAs和硅，就有很大的晶格失配，有可靠性风险，所以InGAas的吸收层，和InAlAs或InP搭配的雪崩材料更多，一般Ge才和硅做搭配。

探测器的带宽

对于常用的探测器，与带宽相关的有几个因素，

一个是载流子渡越时间，光被吸收产生电子和空穴，这些要形成电流就得离开吸收材料，这个过程是探测器整个过程里速度最慢的一个环节。

光进入探测器，光速很快的。空穴或电子在电极的半导体和导体里运动的速度也一般吧，只有吸收材料里的那些载流子，在距离他们很遥远的电场的召唤下，缓缓挪出来。

为了提高带宽，有时候会把吸收层减薄，如果是横向电场的话就是收窄。

影响带宽的第二个因素是谐振，整个探测器会有一个等效的串联电阻，和PN结的等效结电容，R和C会产生谐振，所以工作的频率点是会小于这个谐振频点的，降低R或降低C，可提高谐振频点，也就支持探测器工作在更高的频率下，且不触碰到RC谐振。

高速探测器的光敏面越来越小，就是为了降低结电容，提高频率。

探测器的可靠性

光模块探测器一部分材料是化合物材料，需要控制环境气体避免发生化学反应。

探测器有多个功能区和不同材料的叠层，材料之间的晶格匹配，温度系数，电场分配等等，与可靠性相关。

探测器的热效应，也与可靠性相关，如饱和功率的设计，大的光功率会产生很大的电流，而串联电阻与电流的平方是线路的焦耳热量，产生热集聚。

光的吸收，对于电场分布的均匀性，比如中心波导区和表面区域的电场差异，也会导致可靠性风险。

不同应用的差异

光模块用到探测器的地方，一个是接收端的业务信号处理，一个是作为发射端激光器的功率监控功能，这两类探测器的设计有很大差异。

作为业务信号的探测器，经常会有大带宽、高响应度、小光敏面等处理。

作为功率监控的探测器，则经常会有低带宽，大光敏面，低成本的处理。

在光通信和激光雷达，用到的探测器也会有差异。

比如同属于APD，光通信的探测器雪崩电压会略低于击穿电压，而激光雷达（脉冲方式）的雪崩电压会瞬间高于击穿电压，这是区别。

对于APD，无论是光通信还是激光雷达，都会串联一个淬灭电阻来调整电场和增益的关系。只不过光通信的电阻有时候叫做增益电阻而已。

等等。