10Gbit/s APD/TIA探测器组件的光电特性研究

胡 靖，杨现文，李世瑜，李林科，徐红春,光纤通信技术和网络国家重点实验室（筹）武汉电信器件有限公司.摘要：文章介绍了10 Gbit/s APD/TIA（跨阻抗放大器）探测器件的基本光电性能，并且对高速APD/TIA探测器组件的光学与微波封装的特性进行了细致的分析。

1,前言
随着信息化建设的逐步加深以及经济全球化趋势的加剧，人类社会生产生活各方面对信息获取和交换的数量与质量的要求不断快速增长，人们对宽带网络接入及其业务的需要也日益增长。高带宽需求持续推动光通信向更高速率发展，而高速光通信系统对光发射和接收器件的性能提出了更高的要求。

   与传统的PIN探测器相比，雪崩光电二极管（APD）探测器在接收灵敏度方面具有得天独厚的优势，在长距离、高速系统中得到了广泛的应用。由于国外企业对尖端商业技术的保护、高端器件的制作技术限制以及制造成本较高等原因，国内尚没有10 Gbit/s  APD探测器产品大规模进入市场。但随着国内光通信系统的迅猛发展，已经开始产生对10 Gbit/s APD探测器产品的大量需求。对10 Gbit/s APD 探测器产品的研制，不仅有助于降低由于依赖进口而导致的高昂成本，而且对于提高国内光器件制造商的竞争力也有深远的意义。

2,10 Gbit/s APD/TIA探测器组件

   为了适应当前的市场需求，WTD适时地开发出了10 Gbit/s APD/TIA 探测器组件，其基本特性如表1所示。另外，在图1、图2中，分别给出了其带宽、眼图的测试实例图。







   由以上结果可以直观地看出，该10 Gbit/s APD/TIA探测器组件表现出了良好的整体性能，对比于目前商用的国外厂商的10 Gbit/s APD探测器产品，在性能上完全达到了国外产品的先进水平，因此完全可以替代进口的10 Gbit/s APD探测器产品。

3,高速APD探测器组件技术难点

从技术上而言，开发高性能的10 Gbit/s APD/TIA探测器组件，必须从光、电等各方面优化探测器组件的性能。其存在的主要技术难点如下：
（1）APD/TIA探测器组件的光路设计；
（2）APD/TIA谐振回路和分布参数的模拟分析;
（3）输出微带线的设计；
（4）高低频去噪和电磁波辐射的抑制问题；
（5）APD和TIA的电源去耦、高频滤波；
（6）EMI(电磁干扰)、EMC（电磁兼容性）的影响以及信号完整性的分析。
其中，对高频特性的考虑及对噪声的抑制对于高速器件的设计非常关键。

4,10 Gbit/s APD/TIA探测器组件的光电特性研究

4.1 高光响应度、高回波损耗的光路特性分析

为了使APD/TIA探测器组件达到良好的性能，必须在光路设计中尽可能的优化其性能特性。在设计光路时，必须同时考虑其光学特性和电学特性。具体来说，光路结构不但要尽量提高APD与光纤的耦合效率，还要有利于APD管芯与接收器件其他部分的高频电气互连，尽可能降低噪声的引入。目前10 Gbit/s APD/TIA探测器组件大多采用蝶形封装形式，其典型的耦合结构如图3所示。



   从图3可以看出，在10 Gbit/s APD/TIA探测器组件的封装中，如采用斜面纤工艺进行耦合，一方面很方便保证入射光在光纤端面全反射以后进入APD管芯的光敏面；另一方面，利用这种结构可以保证将APD管芯、衬底和其他的高频组件（如TIA、共面波导）安装在同一个平面上，这样就减小了键合金丝的长度，降低了高频干扰。在这种耦合工艺中，耦合用光纤的设计是其中的重点，耦合用光纤必须能够使从光纤出射的光尽可能多的汇聚到探测器的光敏面上，从而提高光信号转换成电信号的效率。
在斜面纤中，光传输方式如图4所示。




   以上主要分析了光的透射情况，实际上光在传播中有很大的反射，主要分布在光纤端面、透镜表面和APD管芯的光敏面。一般情况下，这些反射光的很大部分会直接反射进光纤，并通过光纤传播，这种反射回系统的光对系统产生影响，称为光回波损耗（ORL）。ORL对系统的影响主要有：减小光传输量、干扰光源信号、增大数字系统误码率、降低光信噪比以及导致激光器输出功率不稳定。



  如图5所示，将反射光看做以光敏面为镜像的光纤的发射光，以此模型分析光的回损。
则反射光得以反射回光纤进行传播，必须满足由光纤出射光的模场分布。




   在综合考虑了诸多因素后，以此确定斜面纤的角度，并进行仿真，得到得全反射后得光纤发布如图6所示。



经实际测试，这种斜面光纤的结构在取得良好的光响应特性的同时，可以得到良好的探测器组件回损指标（优于35 dB），进而实现了器件的良好的整体性能。
 
4.2 高性能的微波封装特性分析

   由经典的电磁场理论可知，当传导的信号频率高到一定程度时（一般高于677 MHz），导线以及分立元件必须用分布参数来进行设计。10 Gbit/s APD/TIA探测器组件的微波封装主要由APD管芯、TIA、陶瓷电容和高频传输线等组成。APD/TIA探测器组件中，最重要的两个部分是APD管芯和TIA。它们之间将由金丝进行互连，以起到信号传导的作用。由于高频信号的特殊性，在这样的信号的条件下，键合金丝将呈现电感特性。同时由于APD管芯实际上呈现电容特性，于是感性金丝将与容性的APD管芯构成一个LC谐振回路，其等效图见图7。对这个谐振回路的分析，是进行APD/TIA探测器组件微波封装的基础。





   由以上各式可见，减小L或者C的值，可以提高系统传输函数（即改善器件的带宽曲线），但是实际的处理要复杂一些。若阻尼系数 太高，则响应频率会降至本征频率以下；若这个值很小，则会在高频分量上形成尖峰。对于后一种情况，有时候可以在APD偏置电路上加一个均衡电路来克服。所以设计电路时，要权衡地调整R、L、C和 的值，才能得到满意的频率响应参数。

   同时，由于10 Gbit/s APD/TIA探测器组件所传输的信号的高频特性，金丝将呈现感性，这对系统的频率响应有很大的影响。所以在TIA的输出端必须加入高频传输线以取代过去的键合金丝来完成信号的互连。作为取代键合金丝的高频传输线,将同时作为信号传输线使用。作为高频传输线，衡量它的性能指标主要有以下因素：电磁效应、串扰、传输速率、阻抗容忍控制、损耗和频率带宽等。

   通过对各种高频传输线进行比较，可以得知，采用共面波导（CPW）结构进行设计有较大的优势，它由一个导体带和两边的地以及它们底下的介质载体共同组成。选择共面波导作为高频传输线有以下几方面的原因：它的结构简单，便于实现；它可以有效地提高阻抗失匹的容忍度；频率带宽很宽，能有效地抑制高次模的产生，从而改善传输线的色散效应。共面波导的特性阻抗取决于介质材料的介电常数、介质板厚度、信号线宽度、信号线与地线之间的距离以及金属膜的厚度等因素。综合考虑以上因素以后，设计出易于加工、性能稳定的共面波导结构，见图8，并用高频结构仿真软件HFSS对其场分布进行了模拟，模拟结果见图9。





   图10所示为同轴线场分布。由图9、图10可以看出，共面波导与同轴连接器的电磁场分布十分相似，从而很好地解决了在两者的过渡中电磁场域中的不连贯现象。因而在10 Gbit/s或者更高速率的传输系统中，一般都会采用这样的传输线，以提高系统整体的传输性能。

5,结束语

   本文介绍了10 Gbit/s APD/TIA探测器组件的性能特性，其整体性能达到了目前市面商用的国外同类产品先进水平，并且从理论上进一步分析了高速APD/TIA探测器组件的基本光电特性。随着理论研究的不断深入以及工艺技术的不断进步，10 Gbit/s APD/TIA探测器组件的研究必将会有更大的发展。