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    [分享]Ansys Lumerical | 單行載流子光電探測器仿真方法 [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2023-05-09
    綜述 ~1.B fOR8  
    ((cRe6  
    在本例中,我們將研究混合硅基光電探測器的各項性能。單行載流子(uni-traveling carrier,UTC)光電探測器(PD)由InP/InGaAs制成,其通過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器的光學(xué)響應(yīng),CHARGE模塊將分析器件的電學(xué)特性。 "1|\V.>>;  
    w$4*/D}Y  
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    pUD(5v*0R  
    背景 (,OF<<OH  
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    光電探測器的主要作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,以解碼出加載到光信道上編碼的信息。因此我們可以使用Lumerical的光學(xué)和電學(xué)求解器對此類器件進(jìn)行精確模擬優(yōu)化。首先采用時域有限差分(FDTD)方法模擬了光電探測器的光學(xué)特性,計算光學(xué)吸收功率可以得出電子-空穴對的局部產(chǎn)生率。然后,將光學(xué)仿真求得的電子空穴對產(chǎn)生速率導(dǎo)入電學(xué)仿真(CHARGE)中用于求解的連續(xù)性方程。 t5;)<N`  
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    對于高速光電二極管,通過將吸收層與收集層解耦,可以使用單行載流子(UTC)設(shè)計來優(yōu)化渡越時間響應(yīng)[1]。在傳統(tǒng)的PIN結(jié)構(gòu)中,載流子是在本征區(qū)中光生的,在本征區(qū)中,強場將載流子分離以產(chǎn)生光電流。載流子的速度通常是有限的,并且在大多數(shù)常見的材料(如鍺)中空穴比電子慢,這會導(dǎo)致延遲和不對稱響應(yīng)。通過結(jié)合窄帶隙和寬帶隙半導(dǎo)體,可以隔離單個載流子類型(通常是電子),使得器件的光響應(yīng)僅取決于這些載流子的傳輸。然而,與PIN光電二極管相比,UTC的能帶結(jié)構(gòu)要求通常需要III-V材料來實現(xiàn),這使得在與硅基光子系統(tǒng)集成時面臨額外的挑戰(zhàn)。 fF]w[lLDv  
    , Aw Z%  
    本例中光電探測器是基于集成在硅基光子系統(tǒng)上的InP/InGaAs混合波導(dǎo)光電二極管所設(shè)計的[2]。其包括100nm厚的InP鍵合/匹配層、250nm厚的GaAs吸收體和700nm厚的In P本征收集層。材料堆疊和相關(guān)的帶結(jié)構(gòu)如下圖所示。測量了長度為25um、50um和150um的光電探測器[2]。 KuJNKuHa.  
    Z,1b$:+  
    7-A/2/G<  
    Wf:LYL  
    光學(xué)設(shè)計 v$~$_K  
     rBUWzpE"  
    使用FDTD求解器,計算出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下光電探測器中的光場變化(主要以電場E的形式表示)。 #6*20w_u  
    FW)VyVFmk  
    gAr=fq-|  
    光電探測器樣光傳播方向(Y)的截面
    ?4cj"i  
    -OXC;y  
    監(jiān)視器1中的光場分布(YZ方向)
    M2pFXU?]  
    在得到光場后,軟件內(nèi)置的分析腳本將自動的計算出光產(chǎn)生速率,同時會根據(jù)光生成率在光傳播方向(y)上的平均值生成一個文件,此文件將在CHARGE中用于電學(xué)仿真。 r