Fotorreceptores de banda ancha

Miércoles, 01 Julio 2009

El fotodetector es un componente esencial de cualquier sistema de comunicaciones ópticas y uno de los elementos críticos en lo que se refiere a prestaciones. De hecho, la calidad de un enlace óptico se determina a la salida del detector, por lo que mejorando las características y prestaciones de éste, se puede reducir el número de repetidores y ahorrar costes. Pero conforme aumenta la tasa de transmisión del enlace, los procesos de conversión electro-óptica (E/O) y opto-electrónica (O/E) introducen cada vez mayores limitaciones, por lo que los dispositivos involucrados deben diseñarse de forma cuidadosa.

En este artículo estudiaremos las tecnologías existentes para la fabricación de fotorreceptores de banda ancha. Con el fin de clarificar el uso de los términos a lo largo del artículo, con el término fotodetector nos referiremos simplemente al dispositivo que convierte la señal óptica en eléctrica, mientras que el fotorreceptor supondremos que incorpora además un amplificador eléctrico a su salida.

Fundamentos
Básicamente, un fotodetector es un sensor de estado sólido que convierte la energía óptica en energía eléctrica, generando habitualmente una fotocorriente a su salida. La incidencia de fotones de una determinada energía provoca la transición de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Para facilitar esta generación, el mínimo de la banda de conducción debe situarse justo encima del máximo de la banda de valencia en el espacio de momentos. Estos materiales se denominan de “bandgap” directo. Por el contrario, en el caso de materiales de “bandgap” indirecto, el proceso de absorción requiere la participación de un fonón (partícula asociada a las vibraciones de la estructura que posee una pequeña energía y un gran momento en comparación con el fotón). Debido a la intervención de tres partículas distintas (electrón, fotón y fonón), la probabilidad de interacción en este segundo caso es más reducida, por lo que la absorción en materiales de “bandgap” indirecto es más débil que en el caso de “bandgap” directo. Como resultado de ello, se requieren capas de absorción más gruesas que conducen a mayores tiempos de tránsito y menores anchos de banda.

Desafortunadamente, el silicio y el germanio se incluyen entre los materiales caracterizados por un “bandgap” indirecto. A pesar de ello, son dos materiales muy utilizados en el caso de aplicaciones LAN. Los detectores de silicio se utilizan en el margen de 0,4 a 1,0 mm, mientras que los detectores de germanio cubren longitudes de onda más altas (hasta 1,8 mm). Para aplicaciones de larga distancia y altas prestaciones, se suelen usar semiconductores III-V. Por ejemplo, una estructura In0,53Ga0,47As sobre InP posee una frecuencia de corte de 1,65 mm, siendo especialmente útil para fotodetectores de sistemas de telecomunicaciones, pues incluye las dos ventanas típicas de transmisión (1,3 y 1,55 mm). Adicionalmente, también se han demostrado transistores HBT (heterojunction bipolar transistors) y HEMT (high-electron mobility transistors) en InGaAs/InP, por lo que es un material ideal para cumplir las demandas de sistemas de comunicaciones de larga distancia con integración monolítica. En la figura 1 se representan los coeficientes de absorción en función de la longitud de onda para distintos tipos de materiales, donde se puede apreciar la longitud de onda de corte de cada uno de ellos.
Como se ha comentado con anterioridad, los fotorreceptores integrados están formados por dos componentes: un fotodetector y un amplificador electrónico. Los receptores integrados monolíticamente ofrecen las ventajas de un menor coste, una reducción de los efectos parásitos y una mayor fiabilidad en comparación con los receptores híbridos. Independientemente del esquema de integración, la elección de la tecnología para el diseño del fotorreceptor se basa en criterios de prestaciones tales como la sensibilidad, la respuesta en frecuencia o el ruido.

Existen múltiples tipos de fotodetectores, y el más apropiado se escoge de acuerdo con su aplicación final. En el caso de sistemas de comunicaciones ópticas de tasa de bit elevada los fotodiodos de avalancha, de guía-onda, PIN o MSM (metal-semiconductor-metal) son los más utilizados. De todos estos, los fotodiodos MSM son los menos complejos, si bien poseen una eficiencia cuántica limitada para trabajar a altas velocidades. Por otra parte, los fotodiodos de avalancha ofrecen una excelente sensibilidad debido a su ganancia interna, pero están limitados en ancho de banda. Por último, los fotodiodos PIN se caracterizan por un excelente ancho de banda y buena sensibilidad y linealidad.
Ancho de banda y prestaciones
Los fotodiodos PIN convencionales se iluminan por la parte superior y son fáciles de alinear con fibras ópticas. Sin embargo, existe un compromiso entre ancho de banda y responsividad. Normalmente esto es común a todas las tecnologías, ya que para aumentar el ancho de banda se debe reducir el tiempo de tránsito de los portadores, lo que se consigue disminuyendo el tamaño de la región de absorción, y por lo tanto la ganancia del dispositivo. Para evitarlo surgieron los fotodiodos de guía-onda (WGPD). Este dispositivo se ilumina por un lateral a través de una guía-onda, de tal forma que las trayectorias de la luz y de los portadores son perpendiculares. De este modo, se pueden controlar de forma más o menos independiente las dimensiones de la región de absorción. El precio que se paga por ello es una mayor dificultad a la hora de realizar el alineamiento con la fibra óptica.

Tanto los fotodiodos PIN convencionales como los WGPDs se utilizan masivamente en los receptores de los sistemas de comunicaciones de alta velocidad. Si bien desde el punto de vista industrial, interesa la configuración PIN debido a la mayor facilidad de empaquetado. Para mejorar la responsividad del dispositivo PIN se fabrican integrados con HBTs y HEMTs, obteniéndose receptores de alta ganancia y elevado ancho de banda. De hecho, se han fabricado HBTs y HEMTs en InP con frecuencias de corte de 604 y 562 GHz, respectivamente. En términos de ruido, los HBTs poseen un menor nivel de ruido 1/f que los HEMTs, mientras que los HEMTs ofrecen unas excelentes prestaciones de ruido a altas frecuencias. Los HEMTs pseudomórficos, a su vez, proporcionan mejores niveles de ruido 1/f y de generación-recombinación.

Fabricación
La integración monolítica de PINs y HEMTs consiste en una estructura de capas apiladas. En general, para todos los fotorreceptores basados en HEMTs, se hacen crecer primero las capas del HEMT y posteriormente las del detector, tal y como se muestra en la figura 2. Esto se debe a que a menudo las prestaciones del dispositivo superior se degradan por imperfecciones en la calidad del aislamiento de las capas inferiores. En el caso de un fotodetector, esto se refleja en la aparición de una corriente de oscuridad que provoca un aumento del ruido shot. Por otro lado, en el caso de HEMTs, se produce una degradación de los efectos parásitos que afecta significativamente a la frecuencia de corte de la respuesta en ganancia. El resultado final es una importante limitación para el diseño de amplificadores de banda ancha y bajo ruido. Como ventaja a destacar, los fotorreceptores PIN-HEMT ofrecen flexibilidad en términos de diseño del dispositivo, pues las heteroestructuras del fotodetector y del transistor/amplificador pueden optimizarse de forma independiente.
Dado que el incremento de ruido shot de los PINs debido a la corriente de oscuridad es despreciable en comparación con las fuentes de ruido del amplificador, las capas del PIN se suelen apilar encima de las capas HEMT. En el caso de los diseños basados en HBT esto es menos crítico, si bien se suele seguir el mismo método de fabricación. El proceso de crecimiento y apilamiento de las capas HBT y PIN resulta complejo debido a que la estructura resultante no es planar, por lo que se suelen compartir las regiones base y colector tal y como se muestra en la figura 3.

Dispositivos comerciales
En el mercado se pueden encontrar multitud de empresas fabricantes de fotodetectores de banda ancha. Por ejemplo, una de ellas es Discovery Semiconductors. En la figura 4 se muestran las respuestas frecuenciales de algunos de sus fotodetectores. Éstos son apropiados para la detección de señales de 10, 20, 40 y hasta 80 Gbit/s. Otra empresa especializada en este tipo de dispositivos es la alemana u2t Photonics. En la figura 5 se puede ver una fotografía del fotorreceptor modelo BPRV2123, caracterizado por una ganancia diferencial de 2400 V/W y adecuado para la detección de señales OC-768/STM-256 de hasta 43 Gbit/s. Por último, New Focus también comercializa fotodetectores de banda ancha. En la figura 6 se muestra una fotografía del modelo 1014, que se caracteriza por un ancho de banda de 45 GHz.