光电探测器是任何光通信系统的重要组成部分，也是影响系统性能的关键因素之一。事实上，光链路的质量取决于探测器的输出端，因此提高其特性和性能可以减少中继器的数量，从而降低成本。然而，随着链路传输速率的提高，电光（E/O）和光电（O/E）转换过程的限制也越来越大，因此必须对相关器件进行精心设计。.本文将研究现有的宽带光接收器制造技术。为便于全文术语统一使用，我们将把光信号转换为电信号的器件统称为光电探测器，并假设光接收器在其输出端也集成了一个电放大器。.
基本原理
：光电探测器本质上是一种固态传感器，它将光能转换为电能，通常在其输出端产生光电流。特定能量的光子入射会引起电子从价带跃迁到导带。为了促进这种跃迁，导带底在动量空间中必须位于价带顶的正上方。这类材料被称为直接带隙材料。相反，对于间接带隙材料，吸收过程需要声子的参与（声子是一种与结构振动相关的粒子，其能量和动量均低于光子）。由于间接带隙材料涉及三种不同的粒子（电子、光子和声子），因此相互作用的概率较低，其吸收强度也弱于直接带隙材料。因此，间接带隙材料需要更厚的吸收层，从而导致更长的透射时间和更窄的带宽。
遗憾的是，硅和锗都属于间接带隙材料。尽管如此，它们仍然是局域网应用中广泛使用的两种材料。硅探测器通常用于 0.4 至 1.0 毫米波长范围，而锗探测器则覆盖更长的波长（最高可达 1.8 毫米）。对于远距离、高性能应用，III-V 族半导体是常用的材料。例如，InGaAs/InP 结构中的 In<sub>0.53</sub>Ga<sub>0.47</sub>As 的截止频率为 1.65 毫米，这使其特别适用于电信系统中的光电探测器，因为它包含了两个典型的传输窗口（1.3 毫米和 1.55 毫米）。此外，异质结双极晶体管 (HBT) 和高电子迁移率晶体管 (HEMT) 也已在 InGaAs/InP 上得到验证，使其成为满足单片集成远距离通信系统需求的理想材料。图 1 显示了不同类型材料的吸收系数随波长的变化，图中还标出了每种材料的截止波长。
如前所述，集成光接收器由光电探测器和电子放大器两个组件构成。与混合接收器相比，单片集成接收器具有成本更低、寄生效应更小、可靠性更高的优势。无论采用何种集成方案，光接收器设计的技术选择都取决于灵敏度、频率响应和噪声等性能指标。
光电探测器种类繁多，最合适的类型取决于其最终应用。在高比特率光通信系统中，雪崩光电二极管、波导光电二极管、PIN光电二极管和MSM（金属-半导体-金属）光电二极管是最常用的。其中，MSM光电二极管结构最简单，但其量子效率在高速运行时有限。雪崩光电二极管由于其内部增益而具有极佳的灵敏度，但带宽有限。PIN光电二极管则具有优异的带宽、良好的灵敏度和线性度。
带宽和性能：
传统的PIN光电二极管采用顶部入射，易于与光纤对准。然而，带宽和响应速度之间存在权衡。这在所有技术中都很常见，因为增加带宽需要缩短载流子渡越时间，而这可以通过减小吸收区尺寸（从而降低器件增益）来实现。为了避免这种情况，人们开发了波导光电二极管（WGPD）。该器件通过波导从一侧入射光，使得光路和载流子路径相互垂直。这样可以对吸收区域的尺寸进行较为独立的控制。但缺点是器件与光纤对准的难度增加。
传统的PIN光电二极管和波导光电二极管（WGPD）均广泛应用于高速通信系统的接收机中。从工业角度来看，PIN结构因其封装简便而更具优势。为了提高PIN器件的响应速度，集成电路通常采用异质结双极晶体管（HBT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）进行制造，从而获得高增益和高带宽的接收机。事实上，HBT和HEMT已分别在磷化铟（InP）衬底上实现了604 GHz和562 GHz的截止频率。在噪声方面，HBT的1/f噪声系数低于HEMT，而HEMT在高频段具有优异的噪声性能。此外，伪同型HEMT还具有更低的1/fy产生-复合噪声系数。.
制造工艺：
PIN 和 HEMT 的单片集成采用堆叠层结构。通常，对于所有基于 HEMT 的光接收器，HEMT 层先生长，探测器层后生长，如图 2 所示。这是因为下层绝缘质量的缺陷通常会降低上层器件的性能。对于光探测器而言，这表现为暗电流，导致散粒噪声增加。对于 HEMT 而言，寄生效应会导致性能退化，显著影响增益响应的截止频率。最终，这严重限制了低噪声宽带放大器的设计。PIN-HEMT 光接收器的一个关键优势在于其器件设计的灵活性，因为光探测器和晶体管/放大器的异质结构可以独立优化。
由于暗电流引起的 PIN 散粒噪声增加与放大器噪声源相比可以忽略不计，因此 PIN 层通常堆叠在 HEMT 层之上。对于基于 HBT 的设计而言，这一点并不那么重要，尽管通常采用相同的制造方法。由于最终结构并非平面，因此 HBT 和 PIN 层的生长和堆叠过程较为复杂；因此，基区和集电极区通常是共用的，如图 3 所示。
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商用器件。
许多公司生产宽带光电探测器。例如，Discovery Semiconductors 公司就是其中之一。图 4 显示了该公司部分光电探测器的频率响应。这些探测器适用于检测 10、20、40 以及高达 80 Gbit/s 的信号。另一家专门生产此类器件的公司是德国的 u2t Photonics 公司。图 5 显示了 BPRV2123 光电探测器的照片，其差分增益为 2400 V/W，适用于检测高达 43 Gbit/s 的 OC-768/STM-256 信号。此外，New Focus 公司也销售宽带光电探测器。图 6 显示了 1014 型号的照片，其带宽为 45 GHz。
作者：
弗朗西斯科·拉莫斯·帕斯夸尔，电信工程博士
瓦伦西亚理工大学正教授
