一、 引言

光电探测器(Detector)在光纤传输系统中的任务是光电转换。在信号的光传输链路中，光电探测器是光接收机的心脏部件；对于强度调制系统，光电探测器把输入的光束的强度变化转化为相应的电流变化。另外，在光传输链路的监测、探测系统中，光电探测器还广泛用作光强传感器，例如，在激光器组件中包含光电探测器，用以实现发送光功率的自动控制；在光纤放大器中，使用光电探测器感知输入输出光功率的大小，以实现放大器的状态控制^[1]。

光电探测器芯片按功能区分：模拟光电探测器芯片（其中我们生产有DFI与CATV两款产品）和数字光电探测器芯片；按有无增益区分：PIN光电探测器芯片光电探测器芯片和 APD光电探测器芯片；其中在模拟方面的应用主要包括微波信号发送、远程探测、微波信号处理、高质量传输的光纤有线电视（CATV）、卫星通信系统和相阵列微波天线系统等。

模拟光电探测器是光接入系统的核心。其中我们生产的模拟光电探测器芯片主要应用于CATV接收机和DWM（波分复用）系列接收机，如BPON、GPON等。在CATV光传输系统中，对模拟光电探测器有如下要求：

1. 在系统工作的波段范围内有很高的响应效率，即对工作波段内入射的光信号，光探测器能输出较大的光电流。 

2. 低的非线性失真，保证信号的传输质量。

3. 输出电流与输入光功率是线性关系。

4. 低噪声。光电探测器在光电变换中引入的噪声应尽量小，因为光电探测器的入射光信号一般相当微弱，又是光接收机的最前级，对系统的载噪比影响较大。

5. 可靠性高、寿命长、性能稳定，能适应一定的温度等环境条件变化，另外还要求光探测器体积小、价格低、偏置简单等^[2]。

二、理论分析

2.1 失真的定义

失真是指信号在传输过程中与原有信号或标准相比所发生的偏差。在理想的传输过程中，输出波形应与输入波形一致，但实际上，不能做到输出与输入的波形完全一样，这种现象叫失真。对于光电探测器来说，可以理解为由光生载流子在外电路形成的光电流信号与所探测的产生光电流的入射光信号的差异。

按性质分，分为非线性失真和线性失真。线性失真是指信号频率分量间幅度和相位关系的变化，仅出现波形的幅度及相位失真，这种失真的特点是不产生新的频率分量。非线性失真是指信号波形发生了畸变，并产生了新的频率分量的失真。事实上，我们的模拟PD是一个非线性器件，具有其非线性特性，而由这种非线性导致的失真，称为非线性失真。非线性失真的本质，就是产生了新的频率分量。本文中，只对模拟PD的非线性失真进行讨论。

由于PD器件的非线性特性，在输出信号中，除了有用的原信号外，还出现了不同形式的失真产物，主要为二阶失真产物和三阶失真产物，高阶次失真产物幅度过低，可忽略不计。

二阶失真产物包含二阶谐波分量、二阶互调分量。三阶失真产物包含三阶谐波、三阶互调、三阶差拍、交扰调制和同频基波幅度失真5种成分。落入某一频道的所有二阶谐波与二阶互调产物的总和称组合二阶失真( CSO)。落入某一频道的所有三阶谐波、三阶互调与三阶差拍产物的总和称组合三阶失真（CTB）。组合三阶失真（CTB）在通常的2.5GHz应用中一般都非常小，可以不与考虑，在此，只对PIN光电探测器芯片的二阶失真作进一步探讨^[3]。

2.2 非线性失真产生机制

导致非线性失真主要有两种机理：一是非线性载流子传输导致的非线性失真；二是非线性结阻抗导致的非线性失真^[4]。首先，非线性载流子传输所产生的主要原因是由于光生载流子的传输速率与载流子电场之间存在互相依赖的关系。当光电探测器芯片被一束高功率的光照射时，产生大量光生载流子，使原有的本征层内电场强度发生改变，从而使得载流子的渡越速度发生改变。因此，当电场小于50Kv/cm时，电子和空穴的速度同电场强度是密切相关的，光电探测器芯片的非线性失真主要原因是空间电荷的影响。

于是，PIN光电探测器芯片中的非线性失真与空间电荷场作用之间的物理关系我们可以作这样的理解：当输入光强处于正弦调制状态时，在PD本征区内产生的光生电荷强度也将作正弦变化。当入射光强处于正弦曲线的峰值处，在芯片耗尽区将产生更多的光生载流子。同时，由这些光生载流子分别在P区和N区的聚集将产生的方向与芯片外加偏置电场相反的电场。如果，光生载流子产生的电场与芯片外加偏置电场的叠加电场小于50kv/cm，则载流子的传输速度将降低，光生载流子的渡越时间将加长。另一方面，当入射光强度较弱时，将只有相对较少的载流子产生，同时只能产生较弱的空间电场，这对芯片原有的外加偏置电场基本不会造成影响，在这种情况下，光生载流子将以饱和漂移速度被扫出本征区。所以，在入射光强较弱时，输出电流只有短暂的延迟；而当输入光强较强时，输出电流的延迟将相对较长。于是，由于这种在输入信号光的不同时间段所产生的光生电流的不同长短的延迟，就产生了PIN光电探测器芯片的非线性失真。

图1 PIN光电探测器芯片非线性失真在时间域中的波形表示

如图1所示，其中虚线代表失真的输出信号，实线为输入光信号，A和B为两个不同频率的输入信号，B的频率高于A的频率。由图可知，非线性失真会随着频率的增加而变差。可以这样理解：如果输入信号强度相同，频率较高的信号与频率较低的信号相比，在相同的时间内，前者的延迟将比后者严重。

其次，非线性PN结阻抗所产生的非线性失真。这是由于二极管的阻抗会随着入射光功率改变产生非线性变化，即使光响应电流为线性变化，也会对输出信号产生非线性失真 。而且结电容随入射光的波动也将导致非线性失真。由于总有一定数量的光生载流子不会立即从本征层扫出，而在本征区和掺杂区之间的界面形成过剩载流子。这些过剩载流子的空间分布会在本征区形成额外分化的两极通过外电路在接触金属上形成额外电荷。所以PIN 光电探测器芯片的结电容随着入射光强而增加。另外，耗尽层的厚度也会由于过剩载流子的堆积而降低。

图2小信号下的PIN光电探测器芯片等效电路图

且通过图2可以得到Z=1/(jωC_j)，不难得出结电容C_j 的变化将导致阻抗变化，在高频情况下变化更加明显^[5]。

相反，由于在光生过剩载流子会导致二极管电导率的增加，使得射频电路的结电阻随着入射光强的增加而减小。这种结电阻的变化，同样会导致PIN光电探测器芯片的非线性失真。由于结电阻同频率基本无关，所以频率在此与非线性失真无关。综上所述，二极管阻抗在不同的入射光强时产生的变化，导致了输出信号在正弦变化电流的高点和低点造成了不同程度的延迟。

通过上面对PIN光电探测器芯片非线性失真的产生机理进行分析，我们可以得到造成光电探测器芯片非线性失真的主要因素是由空间电荷的阻挡作用造成的载流子速度的不均匀和非线性结阻抗。另外，在非耗尽区产生的光生载流子扩散至耗尽区形成光生电流，也将导致非线性失真，但是这可以通过采取一定的办法避免在非耗尽区产生光生载流子而得到控制。

三、非线性失真测试原理简介

首先介绍下非线性失真的测试条件，模拟光电探测器芯片的失真包括组合二阶失真（CSO）和组合三阶失真（CTB）。失真参数测试的原理如图3，是将两路不同调制频率的LD通过40%的调制耦合，将光信号入射到处于反向偏压状态下的待测模拟光电探测器芯片的光敏区，待测模拟光电探测器芯片固定在TO管座上，然后通过CATV信号分析仪对待测模拟光电探测器芯片的光电流进行线性分析，其中通过分析系统在（f1+f2）和f1（或f2）下获得的信号强度比值，得到组合二阶失真（CSO）值^[6]。

图3 失真测试原理图

四、影响失真的因素及改善措施

一般来说，影响芯片非线性失真的参数有很多，如芯片的电容、扩散深度、输入信号光强、输入信号光频率和反向偏置电压等。下面我们来分析影响失真的因素。由于现阶段DFI模拟芯片需求量较大，且两种模拟芯片的工作原理差别不大，所以非线性失真参数的测量和下面的分析都是针对模拟光电探测器芯片。

模拟光电探测器芯片要求在正常的光输入功率范围内保证非线性失真符合要求。图4是实验测量得到的三组相同批次的模拟PIN光电探测器芯片与CSO的入射光功率转换产生光电流之间关系曲线。

图4 CSO与入射光功率之间的关系曲线

测试条件为：室温25℃；PD反向偏置电压10.8V

图4表明，CSO随着光功率的降低而减小，由上面的理论分析我们可知，在一定的光功率范围内，光功率强度增大会产生更多的光生载流子，使内建电场强度变弱，使光生载流子的漂移速度减慢，漂移时间增加，导致组合二阶失真变大。所以，选取较低的输入光强信号可以降低组合二阶失真（CSO）值。也可以通过加大芯片的反向偏置电压来降低增加的光生载流子对内建电场减弱的，从而减小入射光功率增加对CSO的影响。

光接收器件中的PIN光电探测器芯片不但要求在正常的光功率和工作温度下保证非线性失真符合要求，而且要求在反向偏置电压的范围内保证低的失真。下图是实验测得的三组模拟光电探测器芯片反向偏置电压与CSO的关系曲线：

图5 CSO与反向偏置电压的关系曲线

图5表明，在一定范围内，相对大的反向偏置电压，可以减小组合二阶失真（CSO）。反向偏置电压越大，光生载流子产生的电场对其影响越小，载流子的非线性速度作用减小。所以，选取较高的反向偏置电压可以有效的降低组合二阶失真（CSO）。

从上面的理论分析有，结电容C_j的变化会影响非线性失真。从芯片的设计角度出发，我们可以考虑采用不同结构的设计来减小结电容的影响。探测器芯片的结构可以分为台面结构、平面结构和凹槽结构等。首先，现在的低速数字光电探测器芯片都采用平面结构，这种结构的优点是制作工艺简单，芯片可靠性高。但平面结构的芯片结电容在工作电压附近，光功率对芯片结电容变化影响较大。台面结构的芯片则在此方面表现较好，能较好的实现低线性的要求。但台面结构也存在其本身的缺陷，第一是暗电流大，且随温度的变化暗电流变化大，从而造成非线性失真对温度的依赖性变大。第二，可靠性差，ESD阈值低。第三，工艺复杂，难度大，成品率也低。所以，针对以上两种结构的特点和对模拟光电探测器芯片的原理分析，采用凹槽结构，如图6。结合了平面结构和台面结构的优点，使芯片在工作电压附近的电容随电压变化减小，同时暗电流较低，并且简化了工艺流程，提高了产品性能。

图6模拟光电探测器芯片剖面图

接着从工艺制作方面来，模拟光电探测器芯片的凹槽腐蚀和扩散工艺对失真的影响最为严重。

首先，凹槽的设计目的是使芯片有源区周围处于全耗尽状态，减小芯片在工作电压附近的电容随电压变化关系。同时避免杂散光照射到有源区周围使非耗尽区产生光生载流子导致芯片失真。由于在腐蚀的过程中，采用目测控制腐蚀凹槽的深度。且腐蚀会形成横向腐蚀和纵向腐蚀。当腐蚀凹槽的时间过长，严重的横向腐蚀将导致芯片暗电流变大，过大的暗电流会使芯片的CSO变差。当腐蚀凹槽的时间过短，则会导致限制沟的腐蚀深度不够，不能起到隔离非耗尽区产生的光生载流子对PIN结的影响，造成失真参数变大。

其次，扩散工艺对芯片的各项参数都有影响。扩散深度和扩散浓度的控制都至关重要。当扩散结深过浅，即PN结形成在InP底部未扩散至InGaAs顶层时，需求更高的反向偏置电压导通，且耗尽层宽度增加，载流子的渡越时间将增加。当扩散结深过深，即PN结形成在InGaAs顶层以下，耗尽层宽度减少，PN结结电容增加，且扩散结过深，光生载流子大量复合将导致光响应度降低。由上可知，扩散深度对失真参数的影响严重，需要控制扩散深度。

4.3 小结

综上所述，通过对PIN光电探测器芯片非线性失真机制以及影响失真的因素的分析，为了尽量降低芯片的非线性失真，在光电探测器芯片的生产和应用过程中我们可以采取以下几项措施来进行改善：1）采用凹形槽结构，减小芯片在工作电压附近的电容随电压变化关系并控制凹槽的腐蚀时间和深度；2）采用大的反向偏置电压，使载流子的非线性作用降到最低；3）在使用时可采用尽量低的入射光频率；4）采用低的入射光功率；5）掌握好扩散时间，控制扩散深度。

五、总结

本文针对模拟PIN光电探测器芯片的非线性失真展开分析，通过对模拟PIN光电探测器芯片非线性失真的产生机制进行分析讨论，对模拟PIN 光电探测器芯片的组合二阶失真参数测试原理进行了探讨，实验得出非线性失真与反向偏置电压和入射光功率之间的关系，并从工艺的角度分析，得到了改善芯片非线性失真的措施。

本文的主要研究工作有：1）对模拟PIN光电探测器芯片的失真机制进行了研究，得出了影响非线性失真的理论因素；2）对模拟PIN光电探测器芯片对非线性失真影响较大的工艺进行分析，了解了工艺制作过程对非线性失真的影响；3）对模拟PIN光电探测器芯片的非线性失真测试原理进行了分析，并实验测得了反向偏置电压、入射光功率与非线性失真的具体数据和影响；4）得出了改善非线性失真的措施。

参考文献

[1]黄章勇. 光纤通信用光电子器件和组件. 北京邮电大学出版社. 2007年1月第一版。

[2]成都新力光纤网络有限公司.光接收机工作站原理及故障检修. 中国有线电视 2005（16）.pp1639-1643

[3]赵长水.非线性失真产物及其特性指标.西部广播电视 2005（5）.

[4]H.Jiang and P.K.L.Yu. Equivalent Circuit Analysis of Harmonic Distortion in Photodiode. IEEE Photon Technol.Lett.10, 1998. pp 1608-1610.

[5]Martin Dentan and Baudouin De Cremoux. Numerical Simulation of the Nonlinear Response of a p-i-n Photodiode under High Illumination. IEEE Journal of Lightwave Technology. Vol.8, No.8, August 1990. pp 1137-1144.

[6] Vitalii V. Kirillov, Pavel A. Turalchuk. Analysis of Nonlinear Distortions in Transmitarrays. 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). pp 133~136