eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #3/2024
А. А. Коколов, Ф. И. Шеерман, Л. И. Бабак, Д. А. Конкин, А. В. Убайчин, А. С. Коряковцев, Е. А. Шутов
Экспериментальное исследование и моделирование высокочастотных характеристик Ge-фотодиода для интегральных схем оптических приемников СВЧ-диапазона
Экспериментальное исследование и моделирование высокочастотных характеристик Ge-фотодиода для интегральных схем оптических приемников СВЧ-диапазона
Просмотры: 631
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.3.230.244
Экспериментальное исследование и моделирование высокочастотных характеристик Ge-фотодиода для интегральных схем оптических приемников СВЧ-диапазона
А. А. Коколов, Ф. И. Шеерман, Л. И. Бабак, Д. А. Конкин, А. В. Убайчин, А. С. Коряковцев, Е. А. Шутов
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия
Рассмотрена методика измерений высокочастотных характеристик интегрального Ge-фотодиода с учетом его реального окружения в фотонной (ФИС) или фотонно-электронной (ФЭИС) интегральной схеме и зондовая установка для ее реализации. Особенностью методики является использование двух источников когерентного оптического излучения с отличающимися длинами волн. Представлены результаты экспериментального исследования коэффициента оптоэлектронного преобразования Ge-фотодиода в специально разработанной измерительной ФИС, изготовленной по фотонно-электронной SiGe БиКМОП технологии. При длине волны 1 550 нм полоса частот Ge-фотодиода достигает ~30 ГГц, что дает возможность использовать его в составе интегральных оптических приемников со скоростью передачи данных не менее 25 Гбит / с. С использованием электромагнитного моделирования разработана малосигнальная модель Ge-фотодиода, размещенного в ФИС или ФЭИС, которая позволяет провести расчет характеристик монолитно-интегрированного оптического приемника.
Ключевые слова: Ge-фотодиод, зондовые измерения, модель, оптический приемник, СВЧ, фотонная интегральная схема
Статья получена: 27.12.2023
Статья принята: 15.02.2024
Введение
Важными устройствами волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) являются оптические приемники (ОПрм), к основным компонентам которых относятся фотодиод (ФД) и трансимпедансый усилитель (ТИУ) [1, 2]. ФД предназначен для преобразования оптического сигнала в электрический, а ТИУ служит для усиления демодулированного сигнала, снимаемого с ФД. При этом в высокоскоростных ВОСП полосы пропускания достигают десятки гигагерц, т. е. частоты модуляции оптического излучения находятся в СВЧ-иапазоне.
Современные СВЧ ОПрм выполняются, как правило, на основе полупроводниковых технологий. При этом различают гибридно- и монолитно-интегрированные оптические приемники [1]. В гибридно-интегрированных ОПрм фотодиод и ТИУ выполняются в виде отдельных интегральных схем (ИС). В таких приемниках, предназначенных для телекоммуникационных диапазонов длин волн (1 310 нм и 1 550 нм), ФД чаще изготавливаются по InP-технологии. Для изготовления ИС ТИУ в гибридных ОПрм СВЧ диапазона сейчас чаще всего выбирают радиочастотные технологии КМОП или «кремний-на-изоляторе» (КНИ), которые являются более дешевыми, обеспечивают большую степень интеграции и более широкие функциональные возможности ИС по сравнению с другими техпроцессами (InP, GaAs) [3]. ИС ФД и ТИУ соединяются между собой разварочными проволочками или методом обратного монтажа кристалла (флип-чип). В обоих случаях влияние паразитных емкостей и индуктивностей таких межсоединений сокращает полосу пропускания ОПрм.
В монолитно-интегрированных приемниках ФД и ТИУ выполняются в едином технологическом цикле и размещаются на одном кристалле, который в этом случае представляет собой фотонно-электронную ИС (ФЭИС) [1]. Совместное размещение в ФЭИС фотодиода с подводящим интегральным оптическим волноводом и последующим ТИУ позволяет уменьшить расстояние между указанными компонентами и снизить паразитные эффекты в местах межсоединений. Такое конструкторское решение значительное расширяет полосу частот ОПрм, во многом определяющей быстродействие оптической системы.
Одной из наиболее подходящих полупроводниковых технологий для изготовления монолитных оптических приемников является БиКМОП технология на основе материала кремний-германий (SiGe), также относящаяся к группе кремниевых техпроцессов [4]. Обычная «электронная» SiGe БиКМОП технология позволяет изготовить на одной кремниевой подложке СВЧ полевые КМОП-транзисторы с рабочими частотами до 60–80 ГГц, гетеробиполярные HBT-транзисторы (ГБТ) с еще более высокими рабочими частотами (до 150–200 ГГц) и пассивные электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и СВЧ-линии передачи) [5, 6]. Для изготовления ФЭИС, применяемых в оптоэлектронных системах, разработана также специальная комбинированная фотонно-электронная SiGe БиКМОП технология [7–9]. Она дает возможность дополнительно создать в этом же технологическом процессе Ge-фотодиоды, а также пассивные оптические и оптоэлектронные компоненты на базе КНИ (кремниевые оптические волноводы, делители/сумматоры, кольцевые резонаторы, устройства оптического ввода/вывода, модуляторы Маха-Цандера и др.) [3–5, 10].
Настоящая работа посвящена вопросам измерения и моделирования высокочастотных характеристик интегральных фотодиодов, используемых в ФЭИС оптических приемников для систем передачи данных [8, 11]. К основным характеристикам таких ФД относятся зависимость коэффициента оптоэлектронного преобразования от частоты модулирующего СВЧ-сигнала, а также полоса пропускания по СВЧ-сигналу. Знание параметров ФД и его малосигнальной модели с учетом межсоединений оптических, оптоэлектронных и электронных компонентов в ФЭИС в широком диапазоне частот необходимо для прогнозирования и моделирования характеристик как ОПрм, так и ВОСП в целом. Следует отметить, что экспериментальное исследование интегрального ФД не является тривиальной проблемой: в связи с малыми размерами компонента необходимо решать задачи ввода оптического излучения в ФЭИС и уменьшать влияние оптических и СВЧ соединений на результаты измерений.
В работе описана методика и зондовая установка для измерений высокочастотных характеристик интегральных фотодиодов в фотонных ИС (ФИС) и ФЭИС. Методика и установка могут также применяться при других технологиях изготовления ФД, ФИС и ФЭИС. Представлены результаты экспериментального исследования частотной характеристики оптоэлектронного преобразования и полосы пропускания Ge-фотодиода. Представлены результаты экспериментального исследования частотной характеристики оптоэлектронного преобразования и полосы пропускания Ge-фотодиода. На основе электромагнитного (ЭМ) моделирования в САПР построена малосигнальная модель ФД, учитывающая влияние межсоединений различных компонентов в ФИС (ФЭИС). Приведено сравнение расчета характеристик ФД по полученной модели с результатами эксперимента.
Необходимо отметить, что в данном случае исследуемый Ge-фотодиод являлся частью фотонно-электронной ИС монолитно-интегрированного однокристального оптического приемника для цифровой связи со скоростью 25 Гбит/с, разработанной в НИИ микроэлектронных систем Томского университета систем управления и радиолектроники (ТУСУР) и изготовленной по комбинированной SiGe БиКМОП технологии [12, 13].
Фотонная интегральная схема для измерения характеристик Ge-фотодиода
В фотонно-электронной SiGe технологии [7–9] оптические компоненты формируются на подложке КНИ с толщиной углубленного оксидного слоя 2 мкм и слоем Si толщиной 220 нм, оптимизированным под фотонные применения. С областей, где располагается электронная часть ИС, посредством реактивного ионного и жидкого травления удаляются верхний слой тонкого кремния и углубленный оксидный слой. Далее в протравленных местах при помощи селективной эпитаксии формируется область объемного кремния и осуществляется химико-механическая планаризация поверхности. После этого реализуется стандартный SiGe БиКМОП процесс с КМОП- и HBT-транзисторами. Германиевый pin-фотодиод [8, 10] формируется при помощи селективной эпитаксии Ge на подложку и последующей p+ и n+ ионной имплантации, его конструкция показана на рис. 1. При попадании оптического излучения на участок нелегированной области германия, находящейся между p+ (базой) и n+ (коллектором), появляются свободные носители заряда, которые дополнительно ускоряются электрическим полем обратно смещенного p-n перехода, что дает выигрыш в быстродействии и чувствительности.
Представлены результаты исследований характеристик Ge-фотодиода, выполненного по 0,25 мкм фотонно-электронной SiGe технологии [14]. Согласно опубликованным экспериментальным данным [7], Ge-фотодиод при длине волны оптического излучения 1 550 нм обладает следующими параметрами: чувствительность SPD не менее 0,9 А / Вт при обратном напряжении смещения до −2 В; темновой ток Idark не более 400 нА; емкость ФД CPD составляет порядка 50 фФ, что потенциально обеспечивает полосу частот Δf фотодиода до 60 ГГц. Однако задачей настоящего исследования является определение не потенциальных параметров изолированного ФД, а его реальных характеристик, достигаемых в том окружении (оптические волноводы, подводящие СВЧ-линии, конкретные конструкции и топологии элементов), которое имеет место в интегральной схеме. Поэтому условия измерения должны быть близки к условиям работы ФД в ФИС или ФЭИС.
Для исследования характеристик интегрального ФД нами разработана специальная измерительная (тестовая) ФИС, эскиз ее топологии показан на рис. 2а. Топология содержит ФД, два оптических входа для обеспечения ввода света в ИС, подводящие гребенчатые оптические волноводы, 50‑омные микрополосковые линии (МПЛ) для съема детектированного СВЧ-сигнала и подачи напряжения смещения на диод, а также пять контактных площадок с шагом 150 мкм для проведения зондовых измерений или разварки ИС в корпус. Контакты катода и анода ФД выполнены в верхнем толстом металлизированном слое полупроводниковой SiGe структур. Наличие двух оптических входов обеспечивает более удобное использование ФИС при измерениях.
Для снижения влияния оптических и СВЧ-неоднородностей, обусловленных межсоединениями, измерения высокочастотных параметров и полосы пропускания ФД целесообразно выполнять на зондовой станции, используя бескорпусной вариант тестовой ФИС. Это дает возможность также измерять характеристики нескольких экземпляров Ge-фотодиодов, которые в составе соответствующего числа тестовых ФИС располагаются на полупроводниковой пластине. При использовании зондовой станции излучение может быть подано на оптические вводы ФИС через оптические зонды, к которым подведен оптоволоконный кабель. Контактные площадки, соединенные с ФД, позволяют подать на диод обратное напряжение смещения Uсм и снять детектированный СВЧ сигнал через электрические зонды.
В ФИС реализован оптический ввод при помощи дифракционной брэгговской решетки [15, 16]. Ее действие основано на использовании периодических неоднородностей для для для обеспечения спектральной избирательности отражения от решетки. Однако такой принцип делает ввод на базе дифракционной решетки весьма чувствительным к углу падения на нее оптического излучения, а также к направлению вектора поляризации этого излучения. При проведении высокочастотных зондовых измерений ФД мы применили вертикальный способ ввода излучения в ФИС непосредственно с помощью оптических зондов [17]. Результаты наших экспериментов показали, что при длине волны 1 550 нм минимальные потери мощности оптического излучения (5–6 дБ) достигаются, если оно падает на дифракционную решетку ФИС через сколотое оптоволокно под углом 15,5 градусов к нормали.
Фотография изготовленной ФИС с подведенным к одному из входов оптическим зондом и подключенным 5‑контакным СВЧ-зондом представлена на рис. 2b, размер ФИС составляет 2,26 × 1,26 мм2.
Методика, установка и результаты измерения высокочастотных характеристик интегрального Ge-фотодиода
К основным высокочастотным характеристикам ФД относятся коэффициент оптоэлектронного преобразования и полоса пропускания по СВЧ сигналу. Для фиксированной длины волны оптического излучения коэффициент оптоэлектронного преобразования ФД КOE-RF определяется как отношение мощности детектированного СВЧ-сигнала, выделяемого на согласованной 50‑омной нагрузке, к мощности модулированного оптического излучения, падающего на ФД, при заданной частоте модуляции f. Полоса пропускания Δf ФД по СВЧ-сигналу определяется из амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) КOE-RF(f) на уровне −3 дБ относительно максимального значения коэффициента преобразования. Ниже исследование указанных высокочастотных характеристик Ge-фотодиода выполняется для центральной длины волны 1 550 нм распространенного телекоммуниционного диапазона, измерения на других длинах волн оптического излучения выполняются аналогично.
Структурная схема и внешний вид зондовой установки для проведения измерений показаны соответственно на рис. 3а и 3b. Схема установки (рис. 3а) имеет две ключевые особенности. Первая из них – это применение отрицательного напряжения смещения Uсм, которое подается на ФД от блока питания БП через втулку питания ВП. При этом обеспечивается повышенное быстродействие ФД, работающего в фотоэлектрическом режиме, за счет снижения его собственной емкости при выборе рабочей точки в области обратного смещения. Второй особенностью является использование входного сопротивления анализатора спектра АС в качестве нагрузки ФД по переменному току, в этом случае становится возможным исследовать АЧХ интегрального фотодиода при подключении только к одному его выводу (аноду). Катод фотодиода через 5‑контактный СВЧ-зонд и коаксиальный разъем подключен к согласованной нагрузке СН (50 Ом).
При измерениях кристалл или пластина с тестовой ФИС (рис. 3b) устанавливается на зондовой станции ЗС. На выходах каналов Л1 и Л2 оптического генератора ОГ формируется когерентное излучение с близкими по значению частотами fЛ1 и fЛ2, и далее сигналы Л1 и Л2 складываются в оптическом сумматоре С. Результирующий сигнал с сумматора поступает на поляризатор П, связанный с оптическим зондом ОЗ. Поляризатор служит для настройки поляризации оптического излучения, к которой чувствительна дифракционная решетка. Выход ОЗ путем настройки, которая будет описана ниже, оптимальным образом позиционируется относительно входа световода на кристалле ФИС.
В результате подачи на вход ФД оптических сигналов с двух каналов ОГ в фотодиоде формируется переменный ток с амплитудой, пропорциональной световому потоку, и частотой, равной разностной частоте fЛ1–fЛ2. Указанный ток, проходя через входное сопротивление АС, приводит к появлению СВЧ-сигнала на входе АС также с разностной частотой. Таким образом, путем определения уровня СВЧ-сигнала на входе АС при изменении разностной частоты оптических сигналов в каналах Л1 и Л2 можно осуществить измерение АЧХ интегрального ФД.
Настройка оптического зонда на базе микропозиционера, установленного на ЗС, производится следующим образом. При помощи прецизионного амперметра (на схеме рис. 3а не показан), подключенного к 5‑контактному зонду, контролируется ток ФД. Путем изменения угла ввода излучения и трехкоординатного позиционирования оптоволокна по отношению к дифракционной решетке находим положение, при котором фототок ФД максимален. После этого при помощи ручной настройки поляризатора добиваемся еще раз максимального фототока, что соответствует совпадению направлений векторов поляризации оптического сигнала и дифракционной решетки.
Измерения проведены при следующих условиях: мощность оптического излучения ОГ в каналах Л1 и Л2 равны РЛ1 = РЛ2 = 10 мВт; частота оптического сигнала в канале Л1 составляет fЛ1 = 193,4 ТГц, частота в канале Л2 изменялась в пределах fЛ2 = 193,401–193,450 ТГц, при этом частота СВЧ-сигнала варьируется в диапазоне от 1 ГГц до 50 ГГц; напряжение смещения фотодиода Uсм = −0,5 В.
На рис. 4 приведена измеренная нормированная АЧХ коэффициента оптоэлектронного преобразования интегрального Ge-фотодиода, полученная рассмотренным способом. При этом нормировка выполнена относительно значения коэффициента преобразования КOE-RF на самой низкой частоте СВЧ-сигнала (1 ГГц), равного −12 дБ. При обработке результатов измерений АЧХ были учтены потери СВЧ сигнала во втулке питания и кабеле, соединяющем зондовую станцию с анализатором спектра. Измеренная полоса пропускания ФД по уровню −3 дБ составила около 30 ГГц.
Построение малосигнальной модели интегрального Ge-фотодиода с учетом влияния паразитных параметров межсоединений в ФИС или ФЭИС
Для расчета высокочастотных характеристик соединенных между собой в оптическом приемнике Ge-фотодиода и ТИУ необходимо иметь малосигнальную модель ФД, например, в виде эквивалентной схемы (ЭС) [1, 2]. В случае монолитно-интегрированного оптического приемника целесообразно построить такую модель, которая будет характеризовать не взятый отдельно прибор, а ФД с его реальным окружением в ФИС или ФЭИС. Подобная модель может описывать паразитные параметры соединения ФД и ТИУ в однокристальном СВЧ ОПрм.
В качестве примера рассмотрим получение модели ФД в разработанной нами измерительной ФИС (рис. 2). В таком случае модель должна учитывать как параметры собственно ФД, так и паразитные параметры соединения ФД с элементами СВЧ тракта, на эти параметры влияют топологии подводящих микрополосковых линий с СВЧ-контактами. Принятая нами ЭС фотодиода в измерительной ФИС показана на рис. 5а. Она включает: источник фототока IPD, параллельную емкость CPD и последовательное сопротивление Rs, характеризующие сам ФД [1, 2]; две микрополосковые линии передачи TL1 и TL2, описывающие соединительные элементы. Следует иметь ввиду, что у линий TL1 и TL2 не только сигнальные проводники имеют изгибы, но сложной формой обладают также заземленные проводники (рис. 2а). Поэтому расчет параметров рассеяния этих соединительных СВЧ-линий на кремниевой подложке ФИС как четырехполюсников должен выполняться на основе электромагнитного (ЭМ) моделирования.
Такое моделирование было проведено с помощью симулятора Momentum в САПР ADS. При этом использовались полученные на основе данных от фабрики [14] геометрические и электрофизические параметры металло-диэлектрического стека ФИС, состоящего из пяти слоев алюминиевой металлизации (три слоя тонкой металлизации – 0,7 мкм и два слоя верхней толстой металлизации – 2 и 3 мкм) и диэлектрических слоев между ними. Топологии сигнальных и заземленных проводников моделируемых СВЧ линий в САПР показаны на рис. 6.
Малосигнальная модель Ge-фотодиода в измерительной ФИС получена следующим образом. В САПР ADS была собрана схема (рис. 5b), в которой использована модель ФД, по структуре аналогичная модели на рис. 5а (элементы IPD, C'PD и R's). Эта модель соединена своими зажимами со входами двух четырехполюсников S1 и S2, которые соответственно описывают линии передачи TL1 и TL2 и характеризуются рассчитанными в результате ЭМ моделирования параметрами рассеяния. К выходам этих четырехполюсников подключена нагрузка RL = 50 Ом. Для схемы на рис. 5b можно определить трансимпедансный коэффициент передачи ZMT, равный отношению напряжения UL на нагрузке RL (между выходными зажимами А и В четырехполюсников) к току источника IPD, обусловленному детектированным СВЧ сигналом:
UL
ZMT =−. (1)
IPD
Зная оптическую чувствительность ФД SPD, из трансимпедансного коэффициента передачи ZMT легко найти коэффициент оптоэлектронного преобразования ФД KMOE-RF схемы (модели) на рис. 5b по следующей формуле:
PRF IPD· RL RL
ΚMΟΕ-RF =− =−=−−. (2)
Popt SPD · U2L SPD · ZMT · UL
В САПР с использованием формул (1) и (2) в полосе частот от 0 до 50 ГГц была рассчитана АЧХ коэффициента оптоэлектронного преобразования модели KMOE-RF(f), нормированная относительно значения KMOE-RF(0) на нулевой частоте. Далее путем вариации элементов C'PD и R's модели на рис. 5b осуществлено приближение АЧХ модели KMOE-RF(f) к измеренной нормированной частотной характеристике коэффициента преобразования KMOE-RF(f) ФД в измерительной ФИС (рис. 4). Вообще такое приближение может быть выполнено с помощью имеющиеся в САПР ADS численных методов параметрической оптимизации схем. Однако так как в данном случае варьируемых параметров модели всего два, проще и наглядней применить процедуру «визуальной оптимизации», выведя обе нормированных АЧХ коэффициента преобразования (измеренную и модели) на экран компьютера и изменяя величины элементов C'PD, R's с помощью специального инструмента – тюнера. При этом можно в реальном времени наблюдать изменение формы АЧХ модели KMOE-RF(f) и приблизить ее к измеренной АЧХ KOE-RF(f) путем вариации C'PD и R's.
Найденная таким образом нормированная АЧХ коэффициента оптоэлектронного преобразования модели, приближающая измеренную АЧХ, показана на рис. 4, она соответствует значениям элементов C'PD = 20 фФ, R's = 5 Ом. Как видно, модель на рис. 5 с неплохой точностью описывает высокочастотные характеристики ФД, включенного в измерительную ФИС. Исследование также показало, что конфигурация микрополосковых соединительных линий оказывает большое влияние на АЧХ коэффициента преобразования ФД в измерительной ФИС.
Нельзя считать, что найденные величины C'PD и R's точно равны величинам соответствующих элементов CPD и Rs в ЭС взятого отдельного ФД. Это связано с тем, что в модели на рис. 5b элементы C'PD, R's описывают параметры не только ФД, но также интегрально отражают различные эффекты, возникающие в измерительной ФИС, но не учитываемые при ЭМ моделировании (неоднородности ЭМ поля в соединениях ФД и СВЧ-линий, в контактных площадках при подключении СВЧ-зондов и т. п.). Однако эти эффекты влияют на результаты измерений и соответственно учитываются в модели на рис. 5b.
Следует также отметить, что представленная модель может с достаточной точностью описывать не только нормированное значение, но и абсолютный уровень коэффициента оптоэлектронного преобразования КOE-RF ФД в ФИС или ФЭИС. Однако в рассматриваемом случае измерения не предполагали калибровку измерительной установки по уровню КOE-RF, поэтому при построении модели использовалась нормированная АЧХ ФД.
Топология фрагмента ФЭИС однокристального монолитно-интегрированного оптического приемника [12, 13], содержащего Ge-фотодиод и СВЧ- соединительные линии, почти идентична использованной в измерительной ФИС (рис. 2а). Поэтому полученная эквивалентная модель Ge-фотодиода может быть применена при расчете характеристик SiGe монолитно-интегрированного оптического приемника с учетом межсоединения ФД и ТИУ.
Можно сделать вывод, что как исследованный Ge-фотодиод, так и его построенная малосигнальная модель могут быть использованы при разработке ФЭИС оптических приемников для систем передачи данных с полосой до 30 ГГц (скорость не менее 25 Гбит/с).
Заключение
В работе рассмотрены методика и зондовая установка для измерения высокочастотных характеристик интегрального Ge-фотодиода с учетом его реального окружения в ФИС или ФЭИС. Согласно полученным экспериментальным данным, Ge-фотодиод, размещенный в измерительной ФИС, при оптимальном напряжении смещения обладает полосой пропускания СВЧ-сигнала около 30 ГГц. Таким образом, в соответствии с результатами исследования интегральные Ge-фотодиоды обладают достаточно высокими характеристиками и мало уступают ФД, выполненным на основе InP. К их преимуществам по сравнению с InP-фотодиодами относятся возможность интеграции с электронными устройствами в однокристальных оптических приемниках, изготовленных по фотонно-электронным SiGe БиКМОП технологиям, а также меньшая стоимость. С использованием ЭМ моделирования разработана малосигнальная модель Ge-фотодиода в ФИС (ФЭИС), которая позволяет произвести расчет характеристик монолитно-интегрированного оптического приемника.
Благодарность
Исследование и моделирование было выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (уникальный идентификатор FEWM‑2022–0006).
REFERENCES
Sackinger E. Analysis and design of transimpedance amplifiers for optical receivers. – Hoboken: Wileyю 2018. 573 p.
Gao J. Optoelectronic integrated circuit design and device modeling. – Beijing: Higher Education Press. 2011. 292 p.
Razavi B. Design of integrated circuits for optical communications. – Hoboken: Wiley, 2012. 444 p.
Zimmermann H. Silicon Optoelectronic Integrated Circuits. – Vienna: Springer, 2019. 456 p.
Ruckler H., Heinemann B., Winkler W., Barth R., Borngraber J., Drews J., Fisher G. G., Fox A., Grabolla T., Haak U., Knoll D., Korndorfer F., Mai A., Marschmeyer S., Schley P., Schmidt J., Schubert M. A., Schulz K., Tillack B., Wolansky D., Yamomoto Y. A 0.13 um SiGe BiCMOS Technology Featuring fT/fmax of 240/330 GHz and Gate Delays Below 3 ps. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2010; 45(9): 1678–1686. DOI: 10.1109/JSSC.2010.2
Dobush I. M., Sheerman F. I., Babak L. I. Integrated circuit of wideband controlled digital attenuator based on SiGe technology. Russian Physics Journal. 2018; 61(11): 149–156.
Добуш И. М., Шеерман Ф. И., Бабак Л. И. Интегральная схема широкополосного управляемого цифрового аттенюатора на основе кремний-германиевой технологии. Изв. вузов: Физика. 2018; 61(11): 149–156.
Knoll D., Lischke S., Awny A., Zimmermann L. SiGe BiCMOS for optoelectronics. ECS Trans. 2016; 75(8): 121–139. DOI: 10.1149/07508.0121ecst
Knoll D., Richter H., Heinemann B., Lischke S., Yamamoto Y., Zimmermann L., Tillack B. Substrate design and thermal budget tuning for integration of photonic components in a high performance SiGe: C BiCMOS process. ECS Trans. 2013; 50(9): 297–303. DOI: 10.1149/05009.0297ecst
Lischke S., Knoll D., Mai C., Awny A., Winzer G., Kroh M., Voigt K., Zimmerman L. Monolithic photonic BiCMOS technology for high-speed receiver applications. 19‑th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). Girona. Spain. 2017. DOI: 10.1109/ICTON.2017.8024829.
Lischke S., Knoll D., Mai C., Zimmerman L., Peczek A., Kroh M., Trusch A., Krune E., Voigt K., Mai. A. High bandwidth, high responsivity waveguide-coupled germanium p-i-n photodiode. Optics Express. 2015: 23(21): 27213–27220. DOI: 10.1364/OE.23.027213
Eissa M. H., Awny A., Winzer G., Kroh M., Lischke S., Knoll D., Zimmerman L., Kissinger D., Ulusoy A. C. A wideband monolithically integrated photonic receiver in 0.25‑µm SiGe: C BiCMOS technology. 42‑nd European Solid-State Circuits Conference, Lausanne. Switzerland. 2016. DOI: 10.1109/ESSCIRC.2016.7598347
Koryakovtsev A. S., Kokolov A. A., Konkin D. A., Sheyerman F. I., Babak L. I. A DC‑20 GHz integrated linear photonic receiver in a 0.25 um BICMOS SiGe:C technology. Dynamics of Systems Mechanis, ms and Machines (Dynamics). Omsk. Russia. 2019. DOI: 10.1109/Dynamics47113.2019.8944658
Koryakovtsev A. S., Kokolov A. A., Sheyerman F. I., Babak L. I. Design of
А. А. Коколов, Ф. И. Шеерман, Л. И. Бабак, Д. А. Конкин, А. В. Убайчин, А. С. Коряковцев, Е. А. Шутов
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия
Рассмотрена методика измерений высокочастотных характеристик интегрального Ge-фотодиода с учетом его реального окружения в фотонной (ФИС) или фотонно-электронной (ФЭИС) интегральной схеме и зондовая установка для ее реализации. Особенностью методики является использование двух источников когерентного оптического излучения с отличающимися длинами волн. Представлены результаты экспериментального исследования коэффициента оптоэлектронного преобразования Ge-фотодиода в специально разработанной измерительной ФИС, изготовленной по фотонно-электронной SiGe БиКМОП технологии. При длине волны 1 550 нм полоса частот Ge-фотодиода достигает ~30 ГГц, что дает возможность использовать его в составе интегральных оптических приемников со скоростью передачи данных не менее 25 Гбит / с. С использованием электромагнитного моделирования разработана малосигнальная модель Ge-фотодиода, размещенного в ФИС или ФЭИС, которая позволяет провести расчет характеристик монолитно-интегрированного оптического приемника.
Ключевые слова: Ge-фотодиод, зондовые измерения, модель, оптический приемник, СВЧ, фотонная интегральная схема
Статья получена: 27.12.2023
Статья принята: 15.02.2024
Введение
Важными устройствами волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) являются оптические приемники (ОПрм), к основным компонентам которых относятся фотодиод (ФД) и трансимпедансый усилитель (ТИУ) [1, 2]. ФД предназначен для преобразования оптического сигнала в электрический, а ТИУ служит для усиления демодулированного сигнала, снимаемого с ФД. При этом в высокоскоростных ВОСП полосы пропускания достигают десятки гигагерц, т. е. частоты модуляции оптического излучения находятся в СВЧ-иапазоне.
Современные СВЧ ОПрм выполняются, как правило, на основе полупроводниковых технологий. При этом различают гибридно- и монолитно-интегрированные оптические приемники [1]. В гибридно-интегрированных ОПрм фотодиод и ТИУ выполняются в виде отдельных интегральных схем (ИС). В таких приемниках, предназначенных для телекоммуникационных диапазонов длин волн (1 310 нм и 1 550 нм), ФД чаще изготавливаются по InP-технологии. Для изготовления ИС ТИУ в гибридных ОПрм СВЧ диапазона сейчас чаще всего выбирают радиочастотные технологии КМОП или «кремний-на-изоляторе» (КНИ), которые являются более дешевыми, обеспечивают большую степень интеграции и более широкие функциональные возможности ИС по сравнению с другими техпроцессами (InP, GaAs) [3]. ИС ФД и ТИУ соединяются между собой разварочными проволочками или методом обратного монтажа кристалла (флип-чип). В обоих случаях влияние паразитных емкостей и индуктивностей таких межсоединений сокращает полосу пропускания ОПрм.
В монолитно-интегрированных приемниках ФД и ТИУ выполняются в едином технологическом цикле и размещаются на одном кристалле, который в этом случае представляет собой фотонно-электронную ИС (ФЭИС) [1]. Совместное размещение в ФЭИС фотодиода с подводящим интегральным оптическим волноводом и последующим ТИУ позволяет уменьшить расстояние между указанными компонентами и снизить паразитные эффекты в местах межсоединений. Такое конструкторское решение значительное расширяет полосу частот ОПрм, во многом определяющей быстродействие оптической системы.
Одной из наиболее подходящих полупроводниковых технологий для изготовления монолитных оптических приемников является БиКМОП технология на основе материала кремний-германий (SiGe), также относящаяся к группе кремниевых техпроцессов [4]. Обычная «электронная» SiGe БиКМОП технология позволяет изготовить на одной кремниевой подложке СВЧ полевые КМОП-транзисторы с рабочими частотами до 60–80 ГГц, гетеробиполярные HBT-транзисторы (ГБТ) с еще более высокими рабочими частотами (до 150–200 ГГц) и пассивные электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и СВЧ-линии передачи) [5, 6]. Для изготовления ФЭИС, применяемых в оптоэлектронных системах, разработана также специальная комбинированная фотонно-электронная SiGe БиКМОП технология [7–9]. Она дает возможность дополнительно создать в этом же технологическом процессе Ge-фотодиоды, а также пассивные оптические и оптоэлектронные компоненты на базе КНИ (кремниевые оптические волноводы, делители/сумматоры, кольцевые резонаторы, устройства оптического ввода/вывода, модуляторы Маха-Цандера и др.) [3–5, 10].
Настоящая работа посвящена вопросам измерения и моделирования высокочастотных характеристик интегральных фотодиодов, используемых в ФЭИС оптических приемников для систем передачи данных [8, 11]. К основным характеристикам таких ФД относятся зависимость коэффициента оптоэлектронного преобразования от частоты модулирующего СВЧ-сигнала, а также полоса пропускания по СВЧ-сигналу. Знание параметров ФД и его малосигнальной модели с учетом межсоединений оптических, оптоэлектронных и электронных компонентов в ФЭИС в широком диапазоне частот необходимо для прогнозирования и моделирования характеристик как ОПрм, так и ВОСП в целом. Следует отметить, что экспериментальное исследование интегрального ФД не является тривиальной проблемой: в связи с малыми размерами компонента необходимо решать задачи ввода оптического излучения в ФЭИС и уменьшать влияние оптических и СВЧ соединений на результаты измерений.
В работе описана методика и зондовая установка для измерений высокочастотных характеристик интегральных фотодиодов в фотонных ИС (ФИС) и ФЭИС. Методика и установка могут также применяться при других технологиях изготовления ФД, ФИС и ФЭИС. Представлены результаты экспериментального исследования частотной характеристики оптоэлектронного преобразования и полосы пропускания Ge-фотодиода. Представлены результаты экспериментального исследования частотной характеристики оптоэлектронного преобразования и полосы пропускания Ge-фотодиода. На основе электромагнитного (ЭМ) моделирования в САПР построена малосигнальная модель ФД, учитывающая влияние межсоединений различных компонентов в ФИС (ФЭИС). Приведено сравнение расчета характеристик ФД по полученной модели с результатами эксперимента.
Необходимо отметить, что в данном случае исследуемый Ge-фотодиод являлся частью фотонно-электронной ИС монолитно-интегрированного однокристального оптического приемника для цифровой связи со скоростью 25 Гбит/с, разработанной в НИИ микроэлектронных систем Томского университета систем управления и радиолектроники (ТУСУР) и изготовленной по комбинированной SiGe БиКМОП технологии [12, 13].
Фотонная интегральная схема для измерения характеристик Ge-фотодиода
В фотонно-электронной SiGe технологии [7–9] оптические компоненты формируются на подложке КНИ с толщиной углубленного оксидного слоя 2 мкм и слоем Si толщиной 220 нм, оптимизированным под фотонные применения. С областей, где располагается электронная часть ИС, посредством реактивного ионного и жидкого травления удаляются верхний слой тонкого кремния и углубленный оксидный слой. Далее в протравленных местах при помощи селективной эпитаксии формируется область объемного кремния и осуществляется химико-механическая планаризация поверхности. После этого реализуется стандартный SiGe БиКМОП процесс с КМОП- и HBT-транзисторами. Германиевый pin-фотодиод [8, 10] формируется при помощи селективной эпитаксии Ge на подложку и последующей p+ и n+ ионной имплантации, его конструкция показана на рис. 1. При попадании оптического излучения на участок нелегированной области германия, находящейся между p+ (базой) и n+ (коллектором), появляются свободные носители заряда, которые дополнительно ускоряются электрическим полем обратно смещенного p-n перехода, что дает выигрыш в быстродействии и чувствительности.
Представлены результаты исследований характеристик Ge-фотодиода, выполненного по 0,25 мкм фотонно-электронной SiGe технологии [14]. Согласно опубликованным экспериментальным данным [7], Ge-фотодиод при длине волны оптического излучения 1 550 нм обладает следующими параметрами: чувствительность SPD не менее 0,9 А / Вт при обратном напряжении смещения до −2 В; темновой ток Idark не более 400 нА; емкость ФД CPD составляет порядка 50 фФ, что потенциально обеспечивает полосу частот Δf фотодиода до 60 ГГц. Однако задачей настоящего исследования является определение не потенциальных параметров изолированного ФД, а его реальных характеристик, достигаемых в том окружении (оптические волноводы, подводящие СВЧ-линии, конкретные конструкции и топологии элементов), которое имеет место в интегральной схеме. Поэтому условия измерения должны быть близки к условиям работы ФД в ФИС или ФЭИС.
Для исследования характеристик интегрального ФД нами разработана специальная измерительная (тестовая) ФИС, эскиз ее топологии показан на рис. 2а. Топология содержит ФД, два оптических входа для обеспечения ввода света в ИС, подводящие гребенчатые оптические волноводы, 50‑омные микрополосковые линии (МПЛ) для съема детектированного СВЧ-сигнала и подачи напряжения смещения на диод, а также пять контактных площадок с шагом 150 мкм для проведения зондовых измерений или разварки ИС в корпус. Контакты катода и анода ФД выполнены в верхнем толстом металлизированном слое полупроводниковой SiGe структур. Наличие двух оптических входов обеспечивает более удобное использование ФИС при измерениях.
Для снижения влияния оптических и СВЧ-неоднородностей, обусловленных межсоединениями, измерения высокочастотных параметров и полосы пропускания ФД целесообразно выполнять на зондовой станции, используя бескорпусной вариант тестовой ФИС. Это дает возможность также измерять характеристики нескольких экземпляров Ge-фотодиодов, которые в составе соответствующего числа тестовых ФИС располагаются на полупроводниковой пластине. При использовании зондовой станции излучение может быть подано на оптические вводы ФИС через оптические зонды, к которым подведен оптоволоконный кабель. Контактные площадки, соединенные с ФД, позволяют подать на диод обратное напряжение смещения Uсм и снять детектированный СВЧ сигнал через электрические зонды.
В ФИС реализован оптический ввод при помощи дифракционной брэгговской решетки [15, 16]. Ее действие основано на использовании периодических неоднородностей для для для обеспечения спектральной избирательности отражения от решетки. Однако такой принцип делает ввод на базе дифракционной решетки весьма чувствительным к углу падения на нее оптического излучения, а также к направлению вектора поляризации этого излучения. При проведении высокочастотных зондовых измерений ФД мы применили вертикальный способ ввода излучения в ФИС непосредственно с помощью оптических зондов [17]. Результаты наших экспериментов показали, что при длине волны 1 550 нм минимальные потери мощности оптического излучения (5–6 дБ) достигаются, если оно падает на дифракционную решетку ФИС через сколотое оптоволокно под углом 15,5 градусов к нормали.
Фотография изготовленной ФИС с подведенным к одному из входов оптическим зондом и подключенным 5‑контакным СВЧ-зондом представлена на рис. 2b, размер ФИС составляет 2,26 × 1,26 мм2.
Методика, установка и результаты измерения высокочастотных характеристик интегрального Ge-фотодиода
К основным высокочастотным характеристикам ФД относятся коэффициент оптоэлектронного преобразования и полоса пропускания по СВЧ сигналу. Для фиксированной длины волны оптического излучения коэффициент оптоэлектронного преобразования ФД КOE-RF определяется как отношение мощности детектированного СВЧ-сигнала, выделяемого на согласованной 50‑омной нагрузке, к мощности модулированного оптического излучения, падающего на ФД, при заданной частоте модуляции f. Полоса пропускания Δf ФД по СВЧ-сигналу определяется из амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) КOE-RF(f) на уровне −3 дБ относительно максимального значения коэффициента преобразования. Ниже исследование указанных высокочастотных характеристик Ge-фотодиода выполняется для центральной длины волны 1 550 нм распространенного телекоммуниционного диапазона, измерения на других длинах волн оптического излучения выполняются аналогично.
Структурная схема и внешний вид зондовой установки для проведения измерений показаны соответственно на рис. 3а и 3b. Схема установки (рис. 3а) имеет две ключевые особенности. Первая из них – это применение отрицательного напряжения смещения Uсм, которое подается на ФД от блока питания БП через втулку питания ВП. При этом обеспечивается повышенное быстродействие ФД, работающего в фотоэлектрическом режиме, за счет снижения его собственной емкости при выборе рабочей точки в области обратного смещения. Второй особенностью является использование входного сопротивления анализатора спектра АС в качестве нагрузки ФД по переменному току, в этом случае становится возможным исследовать АЧХ интегрального фотодиода при подключении только к одному его выводу (аноду). Катод фотодиода через 5‑контактный СВЧ-зонд и коаксиальный разъем подключен к согласованной нагрузке СН (50 Ом).
При измерениях кристалл или пластина с тестовой ФИС (рис. 3b) устанавливается на зондовой станции ЗС. На выходах каналов Л1 и Л2 оптического генератора ОГ формируется когерентное излучение с близкими по значению частотами fЛ1 и fЛ2, и далее сигналы Л1 и Л2 складываются в оптическом сумматоре С. Результирующий сигнал с сумматора поступает на поляризатор П, связанный с оптическим зондом ОЗ. Поляризатор служит для настройки поляризации оптического излучения, к которой чувствительна дифракционная решетка. Выход ОЗ путем настройки, которая будет описана ниже, оптимальным образом позиционируется относительно входа световода на кристалле ФИС.
В результате подачи на вход ФД оптических сигналов с двух каналов ОГ в фотодиоде формируется переменный ток с амплитудой, пропорциональной световому потоку, и частотой, равной разностной частоте fЛ1–fЛ2. Указанный ток, проходя через входное сопротивление АС, приводит к появлению СВЧ-сигнала на входе АС также с разностной частотой. Таким образом, путем определения уровня СВЧ-сигнала на входе АС при изменении разностной частоты оптических сигналов в каналах Л1 и Л2 можно осуществить измерение АЧХ интегрального ФД.
Настройка оптического зонда на базе микропозиционера, установленного на ЗС, производится следующим образом. При помощи прецизионного амперметра (на схеме рис. 3а не показан), подключенного к 5‑контактному зонду, контролируется ток ФД. Путем изменения угла ввода излучения и трехкоординатного позиционирования оптоволокна по отношению к дифракционной решетке находим положение, при котором фототок ФД максимален. После этого при помощи ручной настройки поляризатора добиваемся еще раз максимального фототока, что соответствует совпадению направлений векторов поляризации оптического сигнала и дифракционной решетки.
Измерения проведены при следующих условиях: мощность оптического излучения ОГ в каналах Л1 и Л2 равны РЛ1 = РЛ2 = 10 мВт; частота оптического сигнала в канале Л1 составляет fЛ1 = 193,4 ТГц, частота в канале Л2 изменялась в пределах fЛ2 = 193,401–193,450 ТГц, при этом частота СВЧ-сигнала варьируется в диапазоне от 1 ГГц до 50 ГГц; напряжение смещения фотодиода Uсм = −0,5 В.
На рис. 4 приведена измеренная нормированная АЧХ коэффициента оптоэлектронного преобразования интегрального Ge-фотодиода, полученная рассмотренным способом. При этом нормировка выполнена относительно значения коэффициента преобразования КOE-RF на самой низкой частоте СВЧ-сигнала (1 ГГц), равного −12 дБ. При обработке результатов измерений АЧХ были учтены потери СВЧ сигнала во втулке питания и кабеле, соединяющем зондовую станцию с анализатором спектра. Измеренная полоса пропускания ФД по уровню −3 дБ составила около 30 ГГц.
Построение малосигнальной модели интегрального Ge-фотодиода с учетом влияния паразитных параметров межсоединений в ФИС или ФЭИС
Для расчета высокочастотных характеристик соединенных между собой в оптическом приемнике Ge-фотодиода и ТИУ необходимо иметь малосигнальную модель ФД, например, в виде эквивалентной схемы (ЭС) [1, 2]. В случае монолитно-интегрированного оптического приемника целесообразно построить такую модель, которая будет характеризовать не взятый отдельно прибор, а ФД с его реальным окружением в ФИС или ФЭИС. Подобная модель может описывать паразитные параметры соединения ФД и ТИУ в однокристальном СВЧ ОПрм.
В качестве примера рассмотрим получение модели ФД в разработанной нами измерительной ФИС (рис. 2). В таком случае модель должна учитывать как параметры собственно ФД, так и паразитные параметры соединения ФД с элементами СВЧ тракта, на эти параметры влияют топологии подводящих микрополосковых линий с СВЧ-контактами. Принятая нами ЭС фотодиода в измерительной ФИС показана на рис. 5а. Она включает: источник фототока IPD, параллельную емкость CPD и последовательное сопротивление Rs, характеризующие сам ФД [1, 2]; две микрополосковые линии передачи TL1 и TL2, описывающие соединительные элементы. Следует иметь ввиду, что у линий TL1 и TL2 не только сигнальные проводники имеют изгибы, но сложной формой обладают также заземленные проводники (рис. 2а). Поэтому расчет параметров рассеяния этих соединительных СВЧ-линий на кремниевой подложке ФИС как четырехполюсников должен выполняться на основе электромагнитного (ЭМ) моделирования.
Такое моделирование было проведено с помощью симулятора Momentum в САПР ADS. При этом использовались полученные на основе данных от фабрики [14] геометрические и электрофизические параметры металло-диэлектрического стека ФИС, состоящего из пяти слоев алюминиевой металлизации (три слоя тонкой металлизации – 0,7 мкм и два слоя верхней толстой металлизации – 2 и 3 мкм) и диэлектрических слоев между ними. Топологии сигнальных и заземленных проводников моделируемых СВЧ линий в САПР показаны на рис. 6.
Малосигнальная модель Ge-фотодиода в измерительной ФИС получена следующим образом. В САПР ADS была собрана схема (рис. 5b), в которой использована модель ФД, по структуре аналогичная модели на рис. 5а (элементы IPD, C'PD и R's). Эта модель соединена своими зажимами со входами двух четырехполюсников S1 и S2, которые соответственно описывают линии передачи TL1 и TL2 и характеризуются рассчитанными в результате ЭМ моделирования параметрами рассеяния. К выходам этих четырехполюсников подключена нагрузка RL = 50 Ом. Для схемы на рис. 5b можно определить трансимпедансный коэффициент передачи ZMT, равный отношению напряжения UL на нагрузке RL (между выходными зажимами А и В четырехполюсников) к току источника IPD, обусловленному детектированным СВЧ сигналом:
UL
ZMT =−. (1)
IPD
Зная оптическую чувствительность ФД SPD, из трансимпедансного коэффициента передачи ZMT легко найти коэффициент оптоэлектронного преобразования ФД KMOE-RF схемы (модели) на рис. 5b по следующей формуле:
PRF IPD· RL RL
ΚMΟΕ-RF =− =−=−−. (2)
Popt SPD · U2L SPD · ZMT · UL
В САПР с использованием формул (1) и (2) в полосе частот от 0 до 50 ГГц была рассчитана АЧХ коэффициента оптоэлектронного преобразования модели KMOE-RF(f), нормированная относительно значения KMOE-RF(0) на нулевой частоте. Далее путем вариации элементов C'PD и R's модели на рис. 5b осуществлено приближение АЧХ модели KMOE-RF(f) к измеренной нормированной частотной характеристике коэффициента преобразования KMOE-RF(f) ФД в измерительной ФИС (рис. 4). Вообще такое приближение может быть выполнено с помощью имеющиеся в САПР ADS численных методов параметрической оптимизации схем. Однако так как в данном случае варьируемых параметров модели всего два, проще и наглядней применить процедуру «визуальной оптимизации», выведя обе нормированных АЧХ коэффициента преобразования (измеренную и модели) на экран компьютера и изменяя величины элементов C'PD, R's с помощью специального инструмента – тюнера. При этом можно в реальном времени наблюдать изменение формы АЧХ модели KMOE-RF(f) и приблизить ее к измеренной АЧХ KOE-RF(f) путем вариации C'PD и R's.
Найденная таким образом нормированная АЧХ коэффициента оптоэлектронного преобразования модели, приближающая измеренную АЧХ, показана на рис. 4, она соответствует значениям элементов C'PD = 20 фФ, R's = 5 Ом. Как видно, модель на рис. 5 с неплохой точностью описывает высокочастотные характеристики ФД, включенного в измерительную ФИС. Исследование также показало, что конфигурация микрополосковых соединительных линий оказывает большое влияние на АЧХ коэффициента преобразования ФД в измерительной ФИС.
Нельзя считать, что найденные величины C'PD и R's точно равны величинам соответствующих элементов CPD и Rs в ЭС взятого отдельного ФД. Это связано с тем, что в модели на рис. 5b элементы C'PD, R's описывают параметры не только ФД, но также интегрально отражают различные эффекты, возникающие в измерительной ФИС, но не учитываемые при ЭМ моделировании (неоднородности ЭМ поля в соединениях ФД и СВЧ-линий, в контактных площадках при подключении СВЧ-зондов и т. п.). Однако эти эффекты влияют на результаты измерений и соответственно учитываются в модели на рис. 5b.
Следует также отметить, что представленная модель может с достаточной точностью описывать не только нормированное значение, но и абсолютный уровень коэффициента оптоэлектронного преобразования КOE-RF ФД в ФИС или ФЭИС. Однако в рассматриваемом случае измерения не предполагали калибровку измерительной установки по уровню КOE-RF, поэтому при построении модели использовалась нормированная АЧХ ФД.
Топология фрагмента ФЭИС однокристального монолитно-интегрированного оптического приемника [12, 13], содержащего Ge-фотодиод и СВЧ- соединительные линии, почти идентична использованной в измерительной ФИС (рис. 2а). Поэтому полученная эквивалентная модель Ge-фотодиода может быть применена при расчете характеристик SiGe монолитно-интегрированного оптического приемника с учетом межсоединения ФД и ТИУ.
Можно сделать вывод, что как исследованный Ge-фотодиод, так и его построенная малосигнальная модель могут быть использованы при разработке ФЭИС оптических приемников для систем передачи данных с полосой до 30 ГГц (скорость не менее 25 Гбит/с).
Заключение
В работе рассмотрены методика и зондовая установка для измерения высокочастотных характеристик интегрального Ge-фотодиода с учетом его реального окружения в ФИС или ФЭИС. Согласно полученным экспериментальным данным, Ge-фотодиод, размещенный в измерительной ФИС, при оптимальном напряжении смещения обладает полосой пропускания СВЧ-сигнала около 30 ГГц. Таким образом, в соответствии с результатами исследования интегральные Ge-фотодиоды обладают достаточно высокими характеристиками и мало уступают ФД, выполненным на основе InP. К их преимуществам по сравнению с InP-фотодиодами относятся возможность интеграции с электронными устройствами в однокристальных оптических приемниках, изготовленных по фотонно-электронным SiGe БиКМОП технологиям, а также меньшая стоимость. С использованием ЭМ моделирования разработана малосигнальная модель Ge-фотодиода в ФИС (ФЭИС), которая позволяет произвести расчет характеристик монолитно-интегрированного оптического приемника.
Благодарность
Исследование и моделирование было выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (уникальный идентификатор FEWM‑2022–0006).
REFERENCES
Sackinger E. Analysis and design of transimpedance amplifiers for optical receivers. – Hoboken: Wileyю 2018. 573 p.
Gao J. Optoelectronic integrated circuit design and device modeling. – Beijing: Higher Education Press. 2011. 292 p.
Razavi B. Design of integrated circuits for optical communications. – Hoboken: Wiley, 2012. 444 p.
Zimmermann H. Silicon Optoelectronic Integrated Circuits. – Vienna: Springer, 2019. 456 p.
Ruckler H., Heinemann B., Winkler W., Barth R., Borngraber J., Drews J., Fisher G. G., Fox A., Grabolla T., Haak U., Knoll D., Korndorfer F., Mai A., Marschmeyer S., Schley P., Schmidt J., Schubert M. A., Schulz K., Tillack B., Wolansky D., Yamomoto Y. A 0.13 um SiGe BiCMOS Technology Featuring fT/fmax of 240/330 GHz and Gate Delays Below 3 ps. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2010; 45(9): 1678–1686. DOI: 10.1109/JSSC.2010.2
Dobush I. M., Sheerman F. I., Babak L. I. Integrated circuit of wideband controlled digital attenuator based on SiGe technology. Russian Physics Journal. 2018; 61(11): 149–156.
Добуш И. М., Шеерман Ф. И., Бабак Л. И. Интегральная схема широкополосного управляемого цифрового аттенюатора на основе кремний-германиевой технологии. Изв. вузов: Физика. 2018; 61(11): 149–156.
Knoll D., Lischke S., Awny A., Zimmermann L. SiGe BiCMOS for optoelectronics. ECS Trans. 2016; 75(8): 121–139. DOI: 10.1149/07508.0121ecst
Knoll D., Richter H., Heinemann B., Lischke S., Yamamoto Y., Zimmermann L., Tillack B. Substrate design and thermal budget tuning for integration of photonic components in a high performance SiGe: C BiCMOS process. ECS Trans. 2013; 50(9): 297–303. DOI: 10.1149/05009.0297ecst
Lischke S., Knoll D., Mai C., Awny A., Winzer G., Kroh M., Voigt K., Zimmerman L. Monolithic photonic BiCMOS technology for high-speed receiver applications. 19‑th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). Girona. Spain. 2017. DOI: 10.1109/ICTON.2017.8024829.
Lischke S., Knoll D., Mai C., Zimmerman L., Peczek A., Kroh M., Trusch A., Krune E., Voigt K., Mai. A. High bandwidth, high responsivity waveguide-coupled germanium p-i-n photodiode. Optics Express. 2015: 23(21): 27213–27220. DOI: 10.1364/OE.23.027213
Eissa M. H., Awny A., Winzer G., Kroh M., Lischke S., Knoll D., Zimmerman L., Kissinger D., Ulusoy A. C. A wideband monolithically integrated photonic receiver in 0.25‑µm SiGe: C BiCMOS technology. 42‑nd European Solid-State Circuits Conference, Lausanne. Switzerland. 2016. DOI: 10.1109/ESSCIRC.2016.7598347
Koryakovtsev A. S., Kokolov A. A., Konkin D. A., Sheyerman F. I., Babak L. I. A DC‑20 GHz integrated linear photonic receiver in a 0.25 um BICMOS SiGe:C technology. Dynamics of Systems Mechanis, ms and Machines (Dynamics). Omsk. Russia. 2019. DOI: 10.1109/Dynamics47113.2019.8944658
Koryakovtsev A. S., Kokolov A. A., Sheyerman F. I., Babak L. I. Design of
Отзывы читателей
