Экспериментальное исследование и моделирование высокочастотных характеристик Ge-фотодиода для интегральных схем оптических приемников СВЧ-диапазона

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена методика измерений высокочастотных характеристик интегрального Ge-фотодиода с учетом его реального окружения в фотонной (ФИС) или фотонно-электронной (ФЭИС) интегральной схеме и зондовая установка для ее реализации. Особенностью методики является использование двух источников когерентного оптического излучения с отличающимися длинами волн. Представлены результаты экспериментального исследования коэффициента оптоэлектронного преобразования Ge-фотодиода в специально разработанной измерительной ФИС, изготовленной по фотонно-электронной SiGe БиКМОП технологии. При длине волны 1 550 нм полоса частот Ge-фотодиода достигает ~30 ГГц, что дает возможность использовать его в составе интегральных оптических приемников со скоростью передачи данных не менее 25 Гбит / с. С использованием электромагнитного моделирования разработана малосигнальная модель Ge-фотодиода, размещенного в ФИС или ФЭИС, которая позволяет провести расчет характеристик монолитно-интегрированного оптического приемника.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Андрей Александрович Коколов

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Автор, ответственный за переписку.
Email: journal@electronics.ru
ORCID iD: 0000-0002-8910-4329

к. т. н., заведующий лабораторией проектирования радиочастотных интегральных схем и систем на кристалле (ЛПРИСиСНК)

Россия, г. Томск

Федор Иванович Шеерман

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: journal@electronics.ru
ORCID iD: 0000-0001-6482-2108

к. т. н., зам. директора по науке НИИ Микроэлектронных систем (НИИ МЭС)

Россия, г. Томск

Леонид Иванович Бабак

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: journal@electronics.ru
ORCID iD: 0000-0002-2333-0518

д. т. н., директор НИИ Микроэлектронных систем (НИИ МЭС)

Россия, г. Томск

Дмитрий Анатольевич Конкин

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: journal@electronics.ru
ORCID iD: 0000-0002-5024-0825

старший преподаватель каф. РСС

Россия, г. Томск

Антон Викторович Убайчин

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: journal@electronics.ru
ORCID iD: 0000-0001-6284-4645

доцент каф. РСС

Россия, г. Томск

Артем Сергеевич Коряковцев

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: artem.s.koriakovtsev@tusur.ru
ORCID iD: 0000-0001-6075-390X

м. н. с. ЛПРИСиСНК

Россия, г. Томск

Евгений Александрович Шутов

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Email: shutov_ea@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-6199-7022

м. н. с. ЛПРИСиСНК

Россия, г. Томск

Список литературы

  1. Sackinger E. Analysis and design of transimpedance amplifiers for optical receivers. – Hoboken: Wileyю 2018. 573 p.
  2. Gao J. Optoelectronic integrated circuit design and device modeling. – Beijing: Higher Education Press. 2011. 292 p.
  3. Razavi B. Design of integrated circuits for optical communications. – Hoboken: Wiley, 2012. 444 p.
  4. Zimmermann H. Silicon Optoelectronic Integrated Circuits. – Vienna: Springer, 2019. 456 p.
  5. Ruckler H., Heinemann B., Winkler W., Barth R., Borngraber J., Drews J., Fisher G. G., Fox A., Grabolla T., Haak U., Knoll D., Korndorfer F., Mai A., Marschmeyer S., Schley P., Schmidt J., Schubert M. A., Schulz K., Tillack B., Wolansky D., Yamomoto Y. A 0.13 um SiGe BiCMOS Technology Featuring fT/fmax of 240/330 GHz and Gate Delays Below 3 ps. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2010; 45(9): 1678–1686. doi: 10.1109/JSSC.2010.2
  6. Dobush I. M., Sheerman F. I., Babak L. I. Integrated circuit of wideband controlled digital attenuator based on SiGe technology. Russian Physics Journal. 2018; 61(11): 149–156. Добуш И. М., Шеерман Ф. И., Бабак Л. И. Интегральная схема широкополосного управляемого цифрового аттенюатора на основе кремний-германиевой технологии. Изв. вузов: Физика. 2018; 61(11): 149–156.
  7. Knoll D., Lischke S., Awny A., Zimmermann L. SiGe BiCMOS for optoelectronics. ECS Trans. 2016; 75(8): 121–139. doi: 10.1149/07508.0121ecst
  8. Knoll D., Richter H., Heinemann B., Lischke S., Yamamoto Y., Zimmermann L., Tillack B. Substrate design and thermal budget tuning for integration of photonic components in a high performance SiGe: C BiCMOS process. ECS Trans. 2013; 50(9): 297–303. doi: 10.1149/05009.0297ecst
  9. Lischke S., Knoll D., Mai C., Awny A., Winzer G., Kroh M., Voigt K., Zimmerman L. Monolithic photonic BiCMOS technology for high-speed receiver applications. 19-th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). Girona. Spain. 2017. doi: 10.1109/ICTON.2017.8024829.
  10. Lischke S., Knoll D., Mai C., Zimmerman L., Peczek A., Kroh M., Trusch A., Krune E., Voigt K., Mai. A. High bandwidth, high responsivity waveguide-coupled germanium p-i-n photodiode. Optics Express. 2015: 23(21): 27213–27220. doi: 10.1364/OE.23.027213
  11. Eissa M. H., Awny A., Winzer G., Kroh M., Lischke S., Knoll D., Zimmerman L., Kissinger D., Ulusoy A. C. A wideband monolithically integrated photonic receiver in 0.25-µm SiGe: C BiCMOS technology. 42-nd European Solid-State Circuits Conference, Lausanne. Switzerland. 2016. doi: 10.1109/ESSCIRC.2016.7598347
  12. Koryakovtsev A. S., Kokolov A. A., Konkin D. A., Sheyerman F. I., Babak L. I. A DC-20 GHz integrated linear photonic receiver in a 0.25 um BICMOS SiGe:C technology. Dynamics of Systems Mechanis, ms and Machines (Dynamics). Omsk. Russia. 2019. doi: 10.1109/Dynamics47113.2019.8944658
  13. Koryakovtsev A. S., Kokolov A. A., Sheyerman F. I., Babak L. I. Design of Integrated Photonic Receiver with 20 GHz Bandwidth Based on 0.25-μm SiGe BiCMOS technology. IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). Kazan. Russia. 2018. doi: 10.1109/EWDTS.2018.8524699.
  14. Innovations for High Performance Microelectronics. URL: https://www.ihp-microelectronics.com/services/research-and-prototyping-service/mpw-prototyping-service/sigec-bicmos-technologies (17.11.2023).
  15. Tang Y., Wang Z., Wosinski L., Westergren U., He S. Highly efficient nonuniform grating coupler for silicon-on-insulator nanophotonic circuits. Opt. Lett. 2010; 35(8): 1290–1292. doi: 10.1364/OL.35.001290.
  16. Vermeulen D., Selvaraja S., Verheyen P., Lepage G., Bogaerts W., Absil P., Van Thourhout D., Roelkens G. High-efficiency fiber-to-chip grating couplers realized using an advanced CMOS-compatible silicon-on-insulator platform. Opt. Express. 2010; 18(17): 18278–18283. doi: 10.1364/OE.18.018278.
  17. Carroll L., Lee J.-S., Scarcella C., Gradkowski K., Duperron D., Lu H., Zhao Y., Eason C., Morrissey P., Rensing M., Collins S., Hwang H. Y., O’Brien P. Photonic Packaging: Transforming Silicon Photonic Integrated Circuits into Photonic Devices. Apllied Science. 2016; 6(12): 426. doi: 10.3390/app6120426.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Конструкция Ge-фотодиода в фотонно-электронной SiGe технологии

Скачать (240KB)
Метаданные
3. Рис. 2. ФИС для измерения характеристик Ge-фотодиода: a) эскиз топологии; b) изображение изготовленной ФИС с подведенным к одному из входов оптическим зондом и подключенным 5-контакным СВЧ-зондом (размер ФИС 2,26 × 1,26 мм2)

Скачать (651KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Экспериментальная зондовая установка для проведения измерений высокочастотных характеристик Ge-фотодиода: а) структурная схема; b) внешний вид: ОГ – оптический генератор, С – сумматор, П – поляризатор, ЗС – зондовая станция, ОЗ – оптический зонд, ЭЗ – электрический зонд, ФД – фотодиод, АС – анализатор спектра, ВП – втулка питания, БП – блок питания, Х1 – контактная группа, СН – согласованная нагрузка

Скачать (505KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Измеренная и смоделированная нормированные АЧХ коэффициента преобразования

Скачать (111KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эквивалентная схема фотодиода в измерительной ФИС: а) малосигнальная модель Ge-фотодиода совместно с подводящими СВЧ линиями в измерительной ФИС; b) схема в САПР для определения параметров модели C’PD и R’s

Скачать (63KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Топологии соединительных СВЧ-линий при моделировании в симуляторе Momentum (САПР ADS)

Скачать (144KB)
Метаданные

© Коколов А.А., Шеерман Ф.И., Бабак Л.И., Конкин Д.А., Убайчин А.В., Коряковцев А.С., Шутов Е.А., 2024