一种混合集成1×4阵列平衡光电探测器的设计_周浪.pdf

6 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学干涉合成孔径激光雷达完成了对基础设施监视实验13。国内经过十余年的发展,开展了机载原理性验证试验，完成了单个光斑激光频段合成孔径成像试验,验证了SAL相干成像的技术体制,但受限于激光衍射极限,无法实现大幅宽成像14。为了解决单个光斑观测视场受限的难题,本文设计了一种混合集成的14阵列平衡光电探测器，采用共基混合集成技术将阵列平衡探测集成芯片、温控电路、射频电路在多通道差分电路基板上集成，其中阵列平衡探测集成芯片由阵列平衡探测器芯片与阵列跨阻放大0 引言随着平衡光电探测技术的发展,由于其具有共模噪声抑制特性,可以消除本征激光器的相对强度噪声和二极管自身噪声,从而提升接收信噪比1,相较于直接激光探测技术,其探测接收灵敏度提高了20dB左右2,在空间激光通信3-5、光纤通信6、合成孔径激光雷达（SAL）7-9、光谱检测10、量子信息11等领域得到广泛应用，其中在合成孔径激光雷达领域方面,美国洛克希德马丁相干技术中心在1km距离得到了二维SAL图像12；2014年,美国Turbide采用作者简介：周浪，重庆光电技术研究所；研究方向：电子器件设计。收稿日期：2022-12-27；修回日期：2023-02-12。摘要：针对合成孔径激光雷达中单个光斑观测视场受限的难题，设计了一种由阵列平衡探测器芯片和阵列跨组放大器芯片混合集成的14阵列平衡光电探测器。阵列平衡探测器芯片采用4对背照式InP-InGaAs平衡光电二极管单片集成的内平衡结构，降低芯片寄生电容，提高器件的响应频率和一致性。通过倒装集成工艺将阵列平衡探测器芯片和阵列跨组放大器芯片进行集成，缩减像元间距，扩大成像视场。搭建测试系统对进行探测器性能评测，结果显示，其有效像元率达到100%，共模抑制比为33dB，3dB带宽为102MHz，等效噪声功率密度为2.0pW/Hz1/2，增益实现三档可调，整体输出增益一致性为99%，满足合成孔径激光雷达大幅宽成像需求。关键词：异质结构集成，平衡光电探测器，阵列，合成孔径激光雷达。中图分类号：TN929.1，TP368.1，TP212文章编号：1000-0755(2023)02-0006-03文献引用格式：周浪，崔大健，黄晓峰，任丽，陈伟，董绪丰，彭正鑫，严银林.一种混合集成14阵列平衡光电探测器的设计J.电子技术,2023,52(02):6-8.一种混合集成14阵列平衡光电探测器的设计周浪，崔大健，黄晓峰，任丽，陈伟，董绪丰，彭正鑫，严银林（重庆光电技术研究所，重庆 400060）Abstract To solve the problem of limited field of view of a single spot in synthetic aperture lidar,a 14 array balanced photodetector is designed,which is composed of array balanced photodetectors and array cross-group amplifiers.array balance detector chips adopts a monolithic integrated internal balance structure of 4-pair backlit InP-InGaAs balance photodiode,which reduces the parasitic capacitance of the chips and improves the response frequency and consistency of the devices.The array balance detector chip and the array cross-group amplifier chip are integrated by flip-chip technology,the integration distance between pixels is reduced,and the imaging field of view is enlarged.A test system was built to evaluate the performance of the detector.The results showed that the effective pixel rate was 100%,the Common-mode rejection was 33 dB,the bandwidth of 3dB was 102MHz,the equivalent noise power density was 2.0pW/Hz1/2,and the gain was adjustable in three,the overall gain consistency is 99%,which meets the requirement of large-width imaging of synthetic aperture lidar.Index Terms heterostructure structure integration,balanced photoelectric detector,array,synthetic aperture laser radar.Design of an Hybrid Integrated 14 Array Balanced Photodetector ZHOU Lang,CUI Dajian,HUANG Xiaofeng,REN Li,CHEN Wei,DONG Xufeng,PENG Zhengxin,YAN Yinlin(Chongqing Optoelectronics Research Institute,Chongqing 400060,China.)电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 7Electronics 电子学器芯片倒装集成，实现102MHz带宽14阵列平衡探测器研制，扩大了SAL成像视场。1 探测器设计 1.1 工作原理14阵列平衡光电探测器由阵列平衡探测器集成芯片、供电电路、温控电路和差分输出电路气密封在陶瓷-金属腔体中，如图1所示。阵列平衡探测器集成芯片由1颗14阵列平衡探测器芯片和1颗14阵列跨阻放大器芯片倒装集成，如图2所示。阵列平衡探测器集成芯片的工作原理如图3所示，4对平衡光电二极管（每对由两个对称的光电二极管串联组成）同时接收由前端光学系统输出的4对空间光信号，每对平衡光电二极管将光信号转换为电流信号合成一个端口输出,再经4个跨阻放大器（TIA）放大后差分输出。1.2 阵列平衡探测器芯片设计阵列平衡探测器芯片采用单片集成方式，将4对内平衡光电二极管集成在一颗芯片上，保证每对平衡光电二极管的参数一致性,如图4所示，芯片中每个像元光敏面尺寸为53100m，每对平衡探测器中两个像元中心间距为250m，不同平衡对间的中心间距为60m。基于半绝缘衬底台面型InP/InGaAs/InP双异质结，阵列平衡探测器芯片采用背照式PIN结构。该结构既能实现隔离保护，降低光电信号的串扰，又能有效降低芯片寄生电容，提高器件的响应频率，还能实现与阵列跨阻放大器芯片倒装异质集成。阵列平衡探测器芯片采用平面和台面相结合的工艺技术，通过介质膜淀积、光刻、扩散掺杂、金属电极蒸发、剥离、减薄抛光、合金等共计26个工序，研制出适用的平衡探测器芯片。芯片经性能测试，响应度0.95A/W,3dB带宽500MHz,响应度不一致性0.02dB,饱和光功率10dBm，结电容0.25pF。1.3 阵列跨阻放大器芯片设计根据阵列平衡探测器芯片定制化设计阵列跨阻放大器芯片，如图5所示，通过“倒装集成焊盘”实现与阵列平衡探测器芯片的倒装集成。阵列跨阻放大器芯片采用4通道并列方案，每通道为闭环跨阻放大器结构。阵列跨阻放大器芯片架构主要包括：电阻反馈跨阻放大模块（RF-TIA）、单端转差分模块（S2D）、编程增益放大器模块（PGA）、输出缓冲器模块（BUF）、直流失调消除模块（DCOC）、过流保护模块（OP）与偏置模块（BG&BIAS）等。电阻反馈跨阻放大模块实现低噪声跨阻放大功能，属于芯片核心模块；数字增益控制通过RF-TIA反馈电阻与PGA协同实现，具备低增益、中增益、高增益三档线性增益可调。阵列跨阻放大器芯片的直流失调消除模块将输入失调电流消除，输出缓冲器提供差分输出接口；偏置模块为放大器芯片各电路模块提供偏置。通过仿真设计，过流保护（OCP）2mA，等效输入噪声密度4pA/Hz1/2，3dB带宽指标100MHz，差分输出阻抗为100，输出差分摆幅为500mV。2 探测器制备与测试采用倒装工艺和共基集成工艺，将14阵列平衡探测器芯片、14阵列跨阻放大器芯片、多通道差分电路基板和半导体制冷器封装在陶瓷-金属一体化金属管壳中，并采用平行缝焊工艺进行气密封装。如图6和图7所示，基于信号源、示波器和矢量网络分析仪等仪器设备，搭建测试系统对14阵列平衡光电探测器的增益、等效噪声功率密度、3dB带宽、共模抑制比和串扰等参数进行测试评价。3 结果与讨论14阵列平衡光电探测器的8个像元均工作正常，有效像元率为100%。低增益为52V/W，中增益为142V/W，高增益为385V/W。在相同增益条件下，图1 14阵列平衡光电探测器 图2 探测器集成芯片图3 探测器集成芯片原理 图4 探测器芯片结构图图5 14阵列跨阻放大器芯片图6 增益和噪声测试 图7 3dB带宽和共模抑制比测试8 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学阵列平衡光电探测器每个通道输出增益基本一致，一致性达到99%。阵列平衡光电探测器在不同增益下的带宽曲线如图8所示，随增益增加，带宽分别达到118MHz、108MHz、102MHz。通过式（1），可计算出等效噪声功率密度NEP，阵列平衡光电探测器的等效噪声功率密度如表1所示，最大等效噪声功率密度不大于2.0pW/Hz1/2。NEP=VRMS/(G(BW)1/2)（1）其中，VRMS噪声幅度，G增益，BW带宽。随着增益的增加，噪声降低，表明高增益模式能够探测更低的光信号。通过测试发现，调节增益档位，阵列平衡光电探测器的交流光动态响应范围为-18.2-37.7dBm。阵列平衡光电探测器共模抑制比曲线如图9所示，在100MHz频率内，共模抑制比大于33dB。阵列平衡光电探测器的串扰如表2所示，最大串扰不大于5%，表明背照式芯片结构具有良好的隔离作用。4 结语为解决合成孔径激光雷达中单个光斑观测视场受限的难题,设计了一种由阵列平衡探测器芯片和阵列跨组放大器芯片共基混合集成的14阵列平衡光电探测器。通过采用背照式结构，将4对内平衡光电二极管在InP半绝缘衬底上实现单片集成，降低了芯片寄生电容，提高了器件的响应频率和一致性；并利用倒装集成工艺，将14阵列平衡探测器芯片和14阵列跨组放大器芯片进行集成，缩减了像元间距，扩大了成像视场。经实际测试，探测器有效像元率达到100%，共模抑制比为33dB，3dB带宽达到102MHz，等效噪声功率密度为2.0pW/Hz1/2，增益实现三档可调，整体输出增益一致性为99%，满足合成孔径激光雷达大幅宽成像需求。参考文献1 Zhuang L,Roeloffzen C G H,MeijerinkA,et al.Novel ring resonator-basedintegrated photonic beam former forbroadbandphasedarrayreceiveantennas-part:experimental prototypeJ.J.LightwaveTechnol,2010,28(1):19-31.2 刘宏阳,张燕革,艾勇,代永红,陈晶.用于相干光通信的平衡探测器的设计与实现J.激光与光电子学进展,2014,51(07):27-33.3崔大健,周浪,奚水清,任丽,兰枫,郭精忠.星载高灵敏度平衡光电探测器研究J.半导体光电,2020,41(04):480-484.4LiGuifang.Recentadvancesincoherentoptical communicationJ.Advances inOpt.andPhoton,2009(1):279-307.5 Clark T R,Dennis M L.Coherent opticalphase-modulation linkJ.IEEE Photon.Technol.Lett.,2007,19(16):1206-1208.6 Kazuro Kikuchi,et al.Fundamentals ofCoherent Optical Fiber CommunicationsJ.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,2016,34(1):157-178.7 吕亚昆,吴彦鸿.合成孔径激光雷达成像发展及关键技术J.激光与光电子学进展,2017,54(10):43-59.8 刘立人.合成孔径激光成像雷达():离焦和相位偏置望远镜接收天线J.光学学报,2008(05):997-1000.9 张小红,杨敏,郭亮.合成孔径激光雷达研究进展J.激光技术,2011,35(02):255-259.10 刘玉红,程其娈,谭佐军,陈建军.采用相干技术的高分辨光谱检测系统设计J.红外与激光工程,2019,48(04):262-267.11 Yunsong Wang,et al.High-speedBalancedHomodyneDetectorforQuantumInformationApplicationsJ.Journal ofPhysics:ConferenceSeries,2017,844.12KrauseB,BuckJ,RyanC,etal.SyntheticapertureladarflightdemonstrationC.2011ConferenceonLaserandElectro-Optics,2011:PDPB7.13 Turbide S,Marchese L,Terroux M,etal.Synthetic aperture ladar conceptfor infrastructure monitoringC.SPIE,2014,9250:92500B.14 汪丙南,赵娟莹,李威,施瑞华,向茂生,周煜,贾建军.阵列激光合成孔径雷达高分辨成像技术研究J.雷达学报,2022,11(06):1110-1118.图8 不同增益下的3dB带宽 图9 探测器共模抑制比表1 等效噪声功率密度表2 串扰