通信用光電二極體的設計優化和最新趨勢

用於通信應用的光電二極管的主要特性

光收發器中使用的通信應用光電二極管要求設計具有針對每種應用和用途優化的材料和結構。本文將討論這些設計的基本原理。
光電二極體性能在很大程度上取決於暗電流、回應度、電容和頻寬。我們將首先解釋光電二極體設計的這些基本構建塊。需要注意的是，在實際設計中，必須進行權衡，才能在這些性能衝突因素之間達到所需的平衡。

• 暗電流（符號：I _d）
  暗電流是當光電二極體上沒有光線時產生的小電流。它主要由熱量或洩漏電流引起，是雜訊的主要原因，直接影響器件性能。因為它直接影響信噪比，所以應將暗電流水準降至最低。雖然可以通過材料選擇、製造工藝優化和較低的工作溫度來實現還原，但需要權衡回應性，並且暗電流較小的設計回應速度也較差。在需要高回應度和低雜訊的用例中，暗電流是一個特別重要的參數，用作設備品質和性能的指標。
  
• 回應度（符號：R）
  光電二極體的回應度是電流輸出與入射光強度的比率。即使在光線較弱的情況下，高響應性設備也會產生大電流，但噪音也可能增加。因此，為特定用例選擇適當的回應級別非常重要。特別是，PIN 光電二極體的回應度和頻寬之間存在權衡。高回應度設計非常適合檢測微弱信號，但在需要快速響應的情況下，必須平衡回應度和頻寬。回應性設計必須根據應用程式的要求適當而仔細地完成。
  
• 電容（符號：C、Cs、Cp）
  光電二極體的電容是它在設備內存儲電荷的能力。此參數對回應速度和回應速度有重大影響。高電容會減慢回應速度，但低電容會降低回應速度。對於需要快速回應速度的應用，保持低電容很重要，但必須仔細考慮回應度的權衡。光電二極體電容受器件光吸收層的寬度和孔徑大小的影響。電容也用於頻寬計算 — 可以使用測量值來估計頻寬。
  
• 頻寬（符號：BW）
  光電二極體的頻寬是它可以轉換為電信號的光的頻率範圍。帶寬越高，對信號變化的回應就越快。這樣可以實現高速運行，但過高的頻寬會影響性能的其他方面。在光通信系統中，與其他元件的一致性很重要，有必要根據整個系統的需要選擇合適的頻寬。PIN 光電二極體的頻寬和回應度之間存在權衡，因此根據應用平衡它們非常重要。適當的頻寬設計是優化系統性能和可靠性的關鍵因素。

加速設計優化點

在這裡，我們將討論優化光電二極管設計的關鍵點。
首先，我們將研究頻寬和電容之間的關係。光電二極體的頻寬越高，它的運行速度就越快。那麼，應該如何設計電容來增加頻寬呢？這顯示在下面的公式中。

帶寬 F 是根據頻寬 Fcr （由電容 C 和電阻 R 得出）和頻寬 Fv （由光電二極體中的載流子作為電流流出所需的時間 “t” 得出）計算得出的。

這些公式顯示了高速設計的以下兩個關鍵點。
・ 降低電容 C
・縮短承運人運輸時間
在光電二極體設計中，優化這些值很重要。

接下來，我們將探討降低電容 C 的方法。
PIN 光二極體元件的電容取決於有源區域中 PIN 結的厚度和形狀。

上圖顯示了一個基於器件電容計算的頻寬示例。在 PIN 光電二極體中，隨著主有效區域（I 層）變厚，P 層和 N 層之間的距離增加。這減少了可以存儲的電荷量，從而降低了光電二極體的電容。隨著電容的降低，頻寬增加。帶寬是設備可以有效運行的頻率範圍。

為什麽容量越小，帶寬就越大?想象一下水桶裡的水的取放就容易理解了。容量較大 (較大的水桶) 時，取放水需要較長時間，但容量較小 (較小的水桶) 時，您可以快速處理取放水 (信號變化) 。這意味著您可以處理更快的信號更改，從而增加帶寬。

縮短托架運行時間t的步驟

接下來，我們該如何縮短 PIN 光二極管中的載子傳輸時間 t 呢？
載子傳輸時間 t 可用以下公式計算。

• d:InGaAs層厚度 (載體行走距離)
• v _d：載體運行速度（運行速度採用論文等的理論值）

從這個等式中，你可以看到你可以通過“減少作為載體裡程的I層”來縮短載體的運行時間。

另一方面，傳輸時間 t 與頻寬成反比。
下圖顯示了根據運營商傳輸時間計算頻寬的一個例子。

可以看出，帶寬隨著光接收部分的厚度變薄 (載波的運行時間變短) 而增加。原因是電子和空穴的移動需要時間，如前一個桶的例子所示，並且跟隨頻率變化的速度變慢。

靈敏度與帶寬之間的關係

現在，讓我們看看靈敏度和帶寬之間的關係。

反應率和頻寬是光二極體設計中極為重要的元素。這兩者之間存在折衷，迫使設計人員小心地尋找平衡。
為了提高反應率，光吸收層會做得更厚。這可讓它捕捉更多的光，並將其轉換成更多的電子訊號。

但是，光吸收層越厚，產生的電子和空穴 (載流子) 移動的距離就越長。增加的傳輸時間會限制帶寬 (對信號變化的響應速度) 。

設計人員必須調整這些元件，以針對預期應用優化光電二極體。當檢測弱光很重要時，它們可能會優先考慮回應性，並強調高速通信的頻寬。

如上所示，光電二極管中的各種元件就像天平的兩端，提高一端就意味著降低另一端。光二極體設計的關鍵在於考慮這些折衷，並為特定應用找到最佳平衡。

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