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InP/InGaAs单行载流子光电二极管
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InP/InGaAs Unidirection Carrier Photodiode
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■重庆光电技术研究所 谭朝文
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引言
为适应大容量光纤通信和超高速光电子测试系统，光电二极管一直致力于提高带宽。结构设计和工艺技术的改进已经使光探测器取得了极大进步。但随着光放大器及微波/毫米波光子系统的进步，高饱和输出（大信号工作）已成为光电二极管应具备的重要性能。另外，微波光子系统通常需要光生微波/毫米波信号，光电二极管要用作微波/毫米波发生器，基本要求就是宽线性和高饱和输出。大功率的光探测器还适于同众多电子器件及光子器件集成实现新的信号处理功能，从而可拓宽光探测器的应用领域。
为提高输出，已研制出速度匹配（VM）的分布式光电探测器（即VM-MSM-PD），实现峰值电流56mA和3dB带宽49GHz ，也开始研究pin-PD接收微波光信号的饱和特性
，已报道了在20GHz、-4V偏压时的1dB压缩输出为12dBm，而最引起关注的还是UTC-PD。研究人员在InGaAs/InP 双极晶体管（HBT）的详细研究中发现：含中性窄带隙光吸收层和宽带隙载流子集结层的结构中，由于电子速度过度效应，电子漂移速度可高达4
107cm/s。而空穴无过速效应，其速度始终接近其饱和速度4.8 106cm/s。在此启示下，日本NTT光子实验室的石桥忠夫等人在1997年成功地开发出只用高速度的电子作有源移动载流子的单行载流子光电二极管，实现了400kA/cm2高电流密度和80GHz
3dB带宽。到目前为止，NTT已制作出了不同二极管尺寸和结构的InP/InGaAs UTC-PD，最佳性能是：峰值电流184mA、带宽235GHz和大约-0.75V的低偏压。UTC-PD最大特点是高饱和输出、高速响应、低工作电压，这主要得益于只用电子作有源移动载流子的新型工作模式。
InP/InGaAs UTC-PD的应用
（1）光接收器。UTC-PD作为光接收器已用于超高速时分复用（TDM）光通信系统，其输出直接驱动延迟触发器（D-ff）而不经过电放大器
，40Gb/s和80Gb/s信号下显示出清晰的图形，其峰-峰电压分别为1.25V和0.8V，同采用后置放大器的情况相比，灵敏度大为改善。
（2）毫米波发生器。UTC-PD已成功地将模锁定LD发生的光信号转换成40GHz和60GHz毫米波信号，最高输出功率在60GHz时为12dBm，光电流30mA，带宽超过60GHz，可见转换效率极高。光电流达到30mA之前，EOS测得的辐射电场强度几乎呈线性提高，同时还证明了在20GHz甚至在0偏压下，UTC-PD也具有良好的线性范围。
（3）RTD/UTC-PD光电子集成电路。由于高速谐振隧道二极管（RTD）的工作电压低于1V，因而低工作电压的UTD-PD非常适于集成RTD，以创造出新型光输入电路。在此电路中，UTC-PD用于接收光信号并作为开关控制并联驱动电路。已报道了80Gb/s
归零（RZ）数据速率的RTD/UTC-PD解复用器和光电子逻辑门，以及RTD/UTC-PD光电子时钟复原电路，并成功地从46.2GHz光数据中获取了时钟信号。
（4）驱动器。UTC-PD的高输出功率可直接驱动许多电子器件以及集成电路，已报道了一种包括电吸收光调制器（EMA）和高功率UTC-PD的光学门。其中UTC-PD直接驱动EMA，此光学门功能如同光复用器（MUX）、解复用器（DEMUX）和波长转换器，在1：4
DEMUX试验中，对于40Gb/s信号，在10-9比特误码率下获得了-32.7dBm的灵敏度。另外，UTC-PD直接驱动EMA的脉冲整形/重复发生器也有报道，对于减小光信号中的噪声极为有效。
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