胡 靖，楊現(xiàn)文，李世瑜，李林科，徐紅春,光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室（籌）武漢電信器件有限公司.摘要：文章介紹了10 Gbit/s APD/TIA（跨阻抗放大器）探測器件的基本光電性能，并且對高速APD/TIA探測器組件的光學(xué)與微波封裝的特性進行了細(xì)致的分析。

1,前言
隨著信息化建設(shè)的逐步加深以及經(jīng)濟全球化趨勢的加劇，人類社會生產(chǎn)生活各方面對信息獲取和交換的數(shù)量與質(zhì)量的要求不斷快速增長，人們對寬帶網(wǎng)絡(luò)接入及其業(yè)務(wù)的需要也日益增長。高帶寬需求持續(xù)推動光通信向更高速率發(fā)展，而高速光通信系統(tǒng)對光發(fā)射和接收器件的性能提出了更高的要求。

   與傳統(tǒng)的PIN探測器相比，雪崩光電二極管（APD）探測器在接收靈敏度方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，在長距離、高速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于國外企業(yè)對尖端商業(yè)技術(shù)的保護、高端器件的制作技術(shù)限制以及制造成本較高等原因，國內(nèi)尚沒有10 Gbit/s  APD探測器產(chǎn)品大規(guī)模進入市場。但隨著國內(nèi)光通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)開始產(chǎn)生對10 Gbit/s APD探測器產(chǎn)品的大量需求。對10 Gbit/s APD 探測器產(chǎn)品的研制，不僅有助于降低由于依賴進口而導(dǎo)致的高昂成本，而且對于提高國內(nèi)光器件制造商的競爭力也有深遠(yuǎn)的意義。

2,10 Gbit/s APD/TIA探測器組件

   為了適應(yīng)當(dāng)前的市場需求，WTD適時地開發(fā)出了10 Gbit/s APD/TIA 探測器組件，其基本特性如表1所示。另外，在圖1、圖2中，分別給出了其帶寬、眼圖的測試實例圖。







   由以上結(jié)果可以直觀地看出，該10 Gbit/s APD/TIA探測器組件表現(xiàn)出了良好的整體性能，對比于目前商用的國外廠商的10 Gbit/s APD探測器產(chǎn)品，在性能上完全達到了國外產(chǎn)品的先進水平，因此完全可以替代進口的10 Gbit/s APD探測器產(chǎn)品。

3,高速APD探測器組件技術(shù)難點

從技術(shù)上而言，開發(fā)高性能的10 Gbit/s APD/TIA探測器組件，必須從光、電等各方面優(yōu)化探測器組件的性能。其存在的主要技術(shù)難點如下：
（1）APD/TIA探測器組件的光路設(shè)計；
（2）APD/TIA諧振回路和分布參數(shù)的模擬分析;
（3）輸出微帶線的設(shè)計；
（4）高低頻去噪和電磁波輻射的抑制問題；
（5）APD和TIA的電源去耦、高頻濾波；
（6）EMI(電磁干擾)、EMC（電磁兼容性）的影響以及信號完整性的分析。
其中，對高頻特性的考慮及對噪聲的抑制對于高速器件的設(shè)計非常關(guān)鍵。

4,10 Gbit/s APD/TIA探測器組件的光電特性研究

4.1 高光響應(yīng)度、高回波損耗的光路特性分析

為了使APD/TIA探測器組件達到良好的性能，必須在光路設(shè)計中盡可能的優(yōu)化其性能特性。在設(shè)計光路時，必須同時考慮其光學(xué)特性和電學(xué)特性。具體來說，光路結(jié)構(gòu)不但要盡量提高APD與光纖的耦合效率，還要有利于APD管芯與接收器件其他部分的高頻電氣互連，盡可能降低噪聲的引入。目前10 Gbit/s APD/TIA探測器組件大多采用蝶形封裝形式，其典型的耦合結(jié)構(gòu)如圖3所示。



   從圖3可以看出，在10 Gbit/s APD/TIA探測器組件的封裝中，如采用斜面纖工藝進行耦合，一方面很方便保證入射光在光纖端面全反射以后進入APD管芯的光敏面；另一方面，利用這種結(jié)構(gòu)可以保證將APD管芯、襯底和其他的高頻組件（如TIA、共面波導(dǎo)）安裝在同一個平面上，這樣就減小了鍵合金絲的長度，降低了高頻干擾。在這種耦合工藝中，耦合用光纖的設(shè)計是其中的重點，耦合用光纖必須能夠使從光纖出射的光盡可能多的匯聚到探測器的光敏面上，從而提高光信號轉(zhuǎn)換成電信號的效率。
在斜面纖中，光傳輸方式如圖4所示。




   以上主要分析了光的透射情況，實際上光在傳播中有很大的反射，主要分布在光纖端面、透鏡表面和APD管芯的光敏面。一般情況下，這些反射光的很大部分會直接反射進光纖，并通過光纖傳播，這種反射回系統(tǒng)的光對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，稱為光回波損耗（ORL）。ORL對系統(tǒng)的影響主要有：減小光傳輸量、干擾光源信號、增大數(shù)字系統(tǒng)誤碼率、降低光信噪比以及導(dǎo)致激光器輸出功率不穩(wěn)定。



  如圖5所示，將反射光看做以光敏面為鏡像的光纖的發(fā)射光，以此模型分析光的回?fù)p。
則反射光得以反射回光纖進行傳播，必須滿足由光纖出射光的模場分布。




   在綜合考慮了諸多因素后，以此確定斜面纖的角度，并進行仿真，得到得全反射后得光纖發(fā)布如圖6所示。



經(jīng)實際測試，這種斜面光纖的結(jié)構(gòu)在取得良好的光響應(yīng)特性的同時，可以得到良好的探測器組件回?fù)p指標(biāo)（優(yōu)于35 dB），進而實現(xiàn)了器件的良好的整體性能。
 
4.2 高性能的微波封裝特性分析

   由經(jīng)典的電磁場理論可知，當(dāng)傳導(dǎo)的信號頻率高到一定程度時（一般高于677 MHz），導(dǎo)線以及分立元件必須用分布參數(shù)來進行設(shè)計。10 Gbit/s APD/TIA探測器組件的微波封裝主要由APD管芯、TIA、陶瓷電容和高頻傳輸線等組成。APD/TIA探測器組件中，最重要的兩個部分是APD管芯和TIA。它們之間將由金絲進行互連，以起到信號傳導(dǎo)的作用。由于高頻信號的特殊性，在這樣的信號的條件下，鍵合金絲將呈現(xiàn)電感特性。同時由于APD管芯實際上呈現(xiàn)電容特性，于是感性金絲將與容性的APD管芯構(gòu)成一個LC諧振回路，其等效圖見圖7。對這個諧振回路的分析，是進行APD/TIA探測器組件微波封裝的基礎(chǔ)。





   由以上各式可見，減小L或者C的值，可以提高系統(tǒng)傳輸函數(shù)（即改善器件的帶寬曲線），但是實際的處理要復(fù)雜一些。若阻尼系數(shù) 太高，則響應(yīng)頻率會降至本征頻率以下；若這個值很小，則會在高頻分量上形成尖峰。對于后一種情況，有時候可以在APD偏置電路上加一個均衡電路來克服。所以設(shè)計電路時，要權(quán)衡地調(diào)整R、L、C和 的值，才能得到滿意的頻率響應(yīng)參數(shù)。

   同時，由于10 Gbit/s APD/TIA探測器組件所傳輸?shù)男盘柕母哳l特性，金絲將呈現(xiàn)感性，這對系統(tǒng)的頻率響應(yīng)有很大的影響。所以在TIA的輸出端必須加入高頻傳輸線以取代過去的鍵合金絲來完成信號的互連。作為取代鍵合金絲的高頻傳輸線,將同時作為信號傳輸線使用。作為高頻傳輸線，衡量它的性能指標(biāo)主要有以下因素：電磁效應(yīng)、串?dāng)_、傳輸速率、阻抗容忍控制、損耗和頻率帶寬等。

   通過對各種高頻傳輸線進行比較，可以得知，采用共面波導(dǎo)（CPW）結(jié)構(gòu)進行設(shè)計有較大的優(yōu)勢，它由一個導(dǎo)體帶和兩邊的地以及它們底下的介質(zhì)載體共同組成。選擇共面波導(dǎo)作為高頻傳輸線有以下幾方面的原因：它的結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)；它可以有效地提高阻抗失匹的容忍度；頻率帶寬很寬，能有效地抑制高次模的產(chǎn)生，從而改善傳輸線的色散效應(yīng)。共面波導(dǎo)的特性阻抗取決于介質(zhì)材料的介電常數(shù)、介質(zhì)板厚度、信號線寬度、信號線與地線之間的距離以及金屬膜的厚度等因素。綜合考慮以上因素以后，設(shè)計出易于加工、性能穩(wěn)定的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，見圖8，并用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對其場分布進行了模擬，模擬結(jié)果見圖9。





   圖10所示為同軸線場分布。由圖9、圖10可以看出，共面波導(dǎo)與同軸連接器的電磁場分布十分相似，從而很好地解決了在兩者的過渡中電磁場域中的不連貫現(xiàn)象。因而在10 Gbit/s或者更高速率的傳輸系統(tǒng)中，一般都會采用這樣的傳輸線，以提高系統(tǒng)整體的傳輸性能。

5,結(jié)束語

   本文介紹了10 Gbit/s APD/TIA探測器組件的性能特性，其整體性能達到了目前市面商用的國外同類產(chǎn)品先進水平，并且從理論上進一步分析了高速APD/TIA探測器組件的基本光電特性。隨著理論研究的不斷深入以及工藝技術(shù)的不斷進步，10 Gbit/s APD/TIA探測器組件的研究必將會有更大的發(fā)展。