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光行天下 -> ANSYS -> Ansys Lumerical | 單行載流子光電探測(cè)器仿真方法 [點(diǎn)此返回論壇查看本帖完整版本]

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ueotek

2023-05-09 16:52

Ansys Lumerical | 單行載流子光電探測(cè)器仿真方法

綜述

在本例中，我們將研究混合硅基光電探測(cè)器的各項(xiàng)性能。單行載流子（uni-traveling carrier，UTC）光電探測(cè)器（PD）由InP/InGaAs制成，其通過(guò)漸變耦合的方式與硅波導(dǎo)相連。在本次仿真中，F(xiàn)DTD模塊將分析光電探測(cè)器的光學(xué)響應(yīng)，CHARGE模塊將分析器件的電學(xué)特性。

[attachment=117757]

背景

光電探測(cè)器的主要作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以解碼出加載到光信道上編碼的信息。因此我們可以使用Lumerical的光學(xué)和電學(xué)求解器對(duì)此類(lèi)器件進(jìn)行精確模擬和優(yōu)化。首先采用時(shí)域有限差分（FDTD）方法模擬了光電探測(cè)器的光學(xué)特性，計(jì)算光學(xué)吸收功率可以得出電子-空穴對(duì)的局部產(chǎn)生率。然后，將光學(xué)仿真求得的電子空穴對(duì)產(chǎn)生速率導(dǎo)入電學(xué)仿真（CHARGE）中用于求解的連續(xù)性方程。

對(duì)于高速光電二極管，通過(guò)將吸收層與收集層解耦，可以使用單行載流子（UTC）設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化渡越時(shí)間響應(yīng)[1]。在傳統(tǒng)的PIN結(jié)構(gòu)中，載流子是在本征區(qū)中光生的，在本征區(qū)中，強(qiáng)場(chǎng)將載流子分離以產(chǎn)生光電流。載流子的速度通常是有限的，并且在大多數(shù)常見(jiàn)的材料（如鍺）中空穴比電子慢，這會(huì)導(dǎo)致延遲和不對(duì)稱(chēng)響應(yīng)。通過(guò)結(jié)合窄帶隙和寬帶隙半導(dǎo)體，可以隔離單個(gè)載流子類(lèi)型（通常是電子），使得器件的光響應(yīng)僅取決于這些載流子的傳輸。然而，與PIN光電二極管相比，UTC的能帶結(jié)構(gòu)要求通常需要III-V材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，這使得在與硅基光子系統(tǒng)集成時(shí)面臨額外的挑戰(zhàn)。

本例中光電探測(cè)器是基于集成在硅基光子系統(tǒng)上的InP/InGaAs混合波導(dǎo)光電二極管所設(shè)計(jì)的[2]。其包括100nm厚的InP鍵合/匹配層、250nm厚的GaAs吸收體和700nm厚的In P本征收集層。材料堆疊和相關(guān)的帶結(jié)構(gòu)如下圖所示。測(cè)量了長(zhǎng)度為25um、50um和150um的光電探測(cè)器[2]。

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光學(xué)設(shè)計(jì)

使用FDTD求解器，計(jì)算出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下光電探測(cè)器中的光場(chǎng)變化（主要以電場(chǎng)E的形式表示）。

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光電探測(cè)器樣光傳播方向（Y）的截面

[attachment=117760]

監(jiān)視器1中的光場(chǎng)分布（YZ方向）

在得到光場(chǎng)后，軟件內(nèi)置的分析腳本將自動(dòng)的計(jì)算出光產(chǎn)生速率，同時(shí)會(huì)根據(jù)光生成率在光傳播方向（y）上的平均值生成一個(gè)文件，此文件將在CHARGE中用于電學(xué)仿真。

[attachment=117761]

光生成速率的平均值示意圖