Y9T268 华为用于高速PON的超优灵敏度APD

更新时间:2023-09-25 07:09:59 阅读量:1015

华为今年光博会对50G PON的描述,有这么几句话

32dB光功率预算

采用锥形放大器,发射端功率有5dB的提升

采用太空望远镜气相沉积科技,超晶格接收,业内最高灵敏度,有3dB优化。

采用棱镜阵列,实现三模六波合一。

今天找点探测器提高灵敏度的资料

太空望远镜采用化学气相沉积技术,可以获得超薄并原子级光滑的镜面,化学气相沉积就是咱们激光器、探测器里常说的外延生长技术,用MOCVD或者MBE通过气体化学反应获得纯净化合物,并实现原子薄膜沉积技术。

MOCVD,金属有机化学气相沉积,这个沉积技术在咱们行业属于常用或者必备技术之一。

超晶格,大概率是采用了含有锑Sb的材料体系,利用超晶格方式来沉积。咱们天天写的材料,有个常数叫晶格常数,各种拓扑结构,如果是两个或两个以上的拓扑嵌套分布规则,就是“超”晶格。这在咱们行业也不陌生。


1.jpg


对于探测器而言,要优化灵敏度,本质上就是提升信噪比,几个维度

  • 提高信号

    • 提高响应度,

      • 通过光栅设计,反射,提高响应度

      • 通过金属反射层,提高响应度

      • 增厚吸收材料,提高响应度,但会牺牲带宽

      • 采用横向波导结构,提高响应度,提高带宽,但会增加封装耦合成本

      • 采用雪崩效应,获得放大增益

      • 采用SOA串联,获得放大增益

      • 采用谐振增强,获得放大增益

  • 降低噪声(降低暗电流)

    • 采用低k因子做雪崩倍增材料,2023上有低k的InAlAs,低k的硅等结构

    • 避免表面电流(二台阶、三台阶),2022合集有避免雪崩层引入的表面电流,2023合集有避免吸收层引起表面暗电流在华为WO2022133655里,关于高速PON的探测器优化灵敏度,应该是采用了如下方式。

传统的垂直结构,降低生产成本,采用APD雪崩放大,实现信号增强,通过局部掺杂,实现P型半导体,降低结电容,提高带宽,采用台阶方式降低表面电流,降低噪声,(2022合集下,写过雪崩层做台阶,2023合集上写过吸收层台阶并掩埋,这些都是降低表面电流,降低噪声)

这种方式,提高带宽,用于高速PON,降低噪声,优化灵敏度,支持PON的大功率预算场景。

三台阶,噪声更低,灵敏度更好,二台阶成本更低。


2.jpg


3.jpg


咱们行业的APD,雪崩层的k因子越小,则由雪崩导致的噪声则越小,有利于灵敏度的优化。

采用三五族化合物的InP探测器,早期常用InP做倍增材料,实现倍增与吸收层分离的设计,后来用InAlAs来替代InP做倍增材料,在2023合集上,对与InAlAs写的比较详细。噪声更低。

如果在InAlAs中掺入Sb,则可以获得更小的噪声,具有更低的k因子。

光模块里的APD设计中,si和InAlAsSb的k因子都很小,所以在硅光集成方案中,选择硅做雪崩材料,由于InP和si的晶格常数差异很大,不会直接把硅来替代InAlAs做传统InP基的APD探测器芯片的。

所以,能选的就是InGaAsSb,或者InAlAsSb,重要的是掺入大原子Sb锑,降低噪声。



4.jpg


华为给出的APD响应曲线,单看这个,没啥概念

5.jpg



采用InAlAs做雪崩倍增材料,和InAlAsSb的曲线,华为是分布在两种不同的坐标系下的,我按照同类坐标系,重新规制,下图可以明显看出含有Sb的材料,暗电流更低,


6.jpg


把他们绘制在同一个坐标系中,18V的反偏电压,含有Sb锑原子的雪崩材料,暗电流几乎降低了两个数量级,灵敏度的提升由此而来。


7.jpg


在同样的带宽下,大增益区间,InAlAsSb具有更好的性能。(这也暗含了另一个意思,如果雪崩增益没有设置很大的时候,看上图,反偏电压小于15V时,其实无锑材料的性能会更好一些)。


8.jpg





明天的技术直播


9.jpg