InP平台相干接收机中平衡光电探测器的设计与优化

逍遥设计自动化

引言
平衡光电探测器（BPD）是1550纳米波长高速相干光通信系统的核心组件。这类器件能够抑制激光相对强度噪声（RIN），实现高共模抑制比（CMRR），并通过差分相移键控（DPSK）方案提高灵敏度。本文讨论了基于粒子群优化（PSO）算法在通用InP集成平台上实现的波导型多量子阱（MQW）平衡光电探测器的优化[1]。

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8 a' K8 N; g  A. s5 G# ^器件结构与工作原理

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# e) K' `6 x4 Y6 \/ T) X图1：用于BPD设计的波导横截面结构，显示了包含吸收型i-MQW和非吸收型四元化合物层的核心区域。

: t. z  F0 M' K% jBPD由两个反向偏置的光电探测器（PD）组成，采用p-i-n异质结构。核心区域包含夹在p-InP和n-InP层之间的吸收型i-MQW区域。量子阱采用带隙波长为1550纳米的InGaAsP（Q1.55）材料，而势垒层使用带隙波长为1250纳米的Q1.25材料。MQW堆叠在核心区域的位置由p-offset和n-offset距离定义。
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5 R+ {6 ]7 q6 t0 H' _+ [图2：(a)单个探测器结构，显示聚酰亚胺平坦化层；(b)横截面视图，标注了电容和电阻组件。
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器件结构在p金属和n-InP层之间包含聚酰亚胺平坦化层。结区电容（C'j）和聚酰亚胺电容（Cpoly）是影响器件带宽的关键参数。在反向偏置下，MQW区域产生的电子-空穴对在电场作用下分离，分别被n-InP和p-InP层收集。

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等效电路模型
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( O; v& K: Y! O图3：(a)平衡探测器示意图；(b)等效电路模型；(c)有源区域的诺顿等效电路；(d)交流等效电路。
  L: y  x& G1 F6 @# H% v2 g
BPD可以用等效电路模型进行分析。有源区域被模拟为并联的结区电阻Rj和有效结区电容Cj。电路中还包括串联电阻Rs、负载电阻RL以及焊盘电阻Rpd和电容Cpd。交流电流源IAC代表探测过程中产生的射频电流。

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基于PSO的性能优化
BPD的关键性能指标是带宽和响应度，这两个参数通常对器件参数有相反的依赖关系。优化目标是在保持目标响应度的同时最大化带宽，通过优化探测器长度、核心厚度、MQW在核心内的位置以及量子阱之间的势垒厚度来实现。

  P/ L$ v1 J0 b5 mPSO算法方程：

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其中w为惯性系数，C1为认知系数，C2为社会系数。
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图4：BPD带宽与(a)p-offset和(b)n-offset的关系，显示了不同探测器长度下的迁移时间限制和RC限制区域。
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4
与相干接收机的集成

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( m# B+ D0 p6 ?图5：显示优化BPD集成的相干平衡接收机示意图。

在相干接收机中实际应用时，BPD设计必须与使用相同MQW堆叠的激光器集成兼容。功率预算分析确定所需的激光器功率和BPD响应度，阈值电流和光学限制计算指导MQW的最优位置。BPD带宽和激光器性能之间存在显著的权衡关系。

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结论
1 _& f, _- ?. b4 E; r; ^. b% s4 r6 y) q0 D本文介绍了使用PSO优化通用InP平台上波导型BPD的综合方法，同时考虑了器件物理特性和实际集成约束。带宽随响应度要求降低、探测器结构变薄和量子阱吸收系数提高而增加。虽然MQW靠近p-InP能提高带宽，但会影响激光器性能。PSO算法能有效识别满足多重性能标准的最优设计，实现相干光接收机高性能BPD的系统设计，同时保持与通用光电子集成平台的兼容性。
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: p4 M4 X* W4 t) ^! I; ^9 g参考文献
D. Nag, W. Yao, and J. J. G. M. van der Tol, "Optimization of Balanced Detector for Coherent Receiver on Generic InP Platform by Particle Swarm Optimization," IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 60, no. 3, pp. 6300112, June 2024, doi: 10.1109/JQE.2024.3349516.
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