光通信系统中的光电探测器

--翻译自Zeping Zhao、Jianguo Liu等人2017年的文章

摘要

本文对高速光电探测器及其在光通信和微波光子学中的应用进行了综述和讨论。我们尽可能地提供了从高速光电探测器的发展历史、研究热点到封装技术的详细而又全面的演示。文中还介绍了一些基于光电探测器的典型应用，如自由空间光通信、光纤无线电和毫米太赫兹信号产生系统。

关键词: 高速光电探测器；PIN光电探测器；封装；集成

1. 引言

互联网流量的剧增给通信能力带来了巨大压力。为了提高通信能力，通常会采用提高单信道传输速率 $1$ 、增加信道数量和采用先进的调制格式技术 $2, 3$ 这三种有效的解决方案。在传输速率不断提高的未来光纤通信系统中，无论是采用光时分复用、正交频分复用还是波分复用（OTDM、OFDM 或 WDM）技术，高速光电探测器（PDs）都是实现信号光电转换的关键器件，直接决定着通信系统的性能。高速光信号解调系统需要专门设计的光电探测器和检测系统，需要满足以下因素： (1) 宽带宽，以适应入射信号的瞬时变化；(2) 对入射光信号的响应大；(3) 检测系统的噪声最小。

在光通信链路中，主要有两种光检测方式，即直接检测和相干检测。直接检测是指信号光直接入射到 PD 的光敏面上，PD 只对入射光的辐射强度做出响应，因此直接检测以其简单实用的优点被广泛使用。相干检测是指满足相位匹配条件的信号光和本征光在 PD 中混合，然后输出差频信号的过程。光电相干检测具有检测能力强、信噪比高、滤波性好、稳定性和可靠性高等优点。一般来说，相干检测被广泛应用于长途通信链路中，随着数据速率的不断提高，相干检测也被应用于更高级别的格式中 $4, 5$ 。在短距离系统中，通常采用直接检测，以降低系统的复杂性，从而减少成本和功耗。

目前主要有两种类型的 PD：PIN PD和雪崩光电探测器（APD），可用于高速传输系统。近年来，光通信已成为研究和开发APD的主要动力 $6$ 。与 PIN 检测器相比，APD 检测器在光接收器中具有更高的灵敏度，在内部增益可用性方面，它一直被认为是长距离通信的最佳选择 $7, 8$ ，但其代价是需要更复杂的偏置电路和外延片结构。最近，随着PIN PD和APD技术的快速发展，两者的带宽都达到了1THz 或更高。对于PIN PD，热噪声对接收器的性能影响很大。在 APD 中，射频噪声和热噪声都起着主导作用 $9$ .为了满足各种要求，人们开发出了多种类型的 PIN PD，如波导光电二极管（WG-PD） $10$ ,单向载波光电二极管（UTC-PD） $11$ ,速度匹配分布式光电探测器（VMDP） $12$ 和行波光电探测器（TWPD） $13$ 等。

PD 的封装必须考虑到许多问题，如阻抗匹配、耦合效率和偏压电路的结构，这对器件的高频性能有重大影响。作为器件制造的最后一步，PD 的封装需要满足成本、尺寸和环境可操作性等方面的限制。本文首先介绍了 PD 的发展历程。然后，就我们所知提供了研究热点和封装技术。最后，对其应用和未来发展前景进行了阐述。

2. 历史

PD 作为光通信系统中的关键元件之一，在量子效率、带宽、饱和电流和暗电流等方面一直受到广泛而热烈的研究关注。PIN 光致发光器件速度的主要限制因素有 (1) 载流子离开未耗尽区所需的扩散时间；(2) 载流子穿过耗尽区所需的漂移时间；(3) 异质结的电荷捕获；(4) 二极管固有电容加上任何寄生电容的充放电时间。然而，量子效率、耦合效率和带宽在耗尽层宽度方面是相互制约的，因此很多人都在努力提升高效率运行系统的 PD 数据传输率。

从1987年到1990年，关于光接收器性能提升的一系列报道相继问世，包括带宽增加和结构优化。例如，Gimlett团队 $14, 15$ 展示了一种具有8 GHz带宽的高阻抗pin FET接收器，以及一种具有16 GHz带宽但使用HEMTs的相似设计；另一种设计是由GalnAs构成的10 GHz PIN探测器，包括一个三级高阻抗放大器，并通过阻抗匹配网络互连 $16$ ；在参考文献 $17$ 中，还获得了一种14.5 GHz带宽的跨阻设计。

通常来说，高速光电探测器（PD）的量子效率和带宽之间存在权衡。这两个参数是评估PD性能的重要指标。面对这种情况，边耦合波导光电二极管（WGPD）被广泛研究，以克服垂直入射光电探测器（VPD）中效率和带宽的权衡。顾名思义，WGPD具有光波导结构，几乎可以独立指定效率和带宽。1986年，首个高速边耦合WGPD发布，其耦合效率为25%，带宽为28 GHz $18$ 。然而，边耦合WGPD的耦合效率相对较低。为了提高耦合效率，Kato等人在1991年提出了一种双核多模波导结构，这是WGPD的首个突破 $19$ 。随后，采用双核多模波导结构的WGPD被连续报道，带宽分别为40 GHz和50 GHz $20, 21$ 。CR时间常数是限制PD带宽的另一个因素。为了克服由寄生效应引起的退化，Kato团队在1994年展示了一种蘑菇台面波导结构，实现了超过100 GHz的带宽，且带宽-效率乘积为70-90 GHz，这一结构被认为是大带宽WGPD的第二个突破 $22$ 。

然而，WGPD在高功率输出方面尚未取得突破。随着信号速度的增加，具有高饱和功率的超宽带PD在超快测量 $23$ 和高速光纤通信 $24$ 等应用中变得更加重要。1997年，日本NTT光子实验室首次提出了一种名为单行载流子光电二极管（UTC-PD）的新结构 $25$ 。在UTC-PD结构中，只有电子被用作活性载流子，这与传统的pin PD有本质区别。UTC-PD有两个主要优势：一是由于在耗尽层中电子速度高于空穴速度，UTC-PD具有更高的工作速度；二是由于耗尽层中空间电荷效应较小，UTC-PD具有更高的输出饱和电流。在UTC-PD研究方面，日本NTT公司一直处于领先地位。文献 $26$ 中，1999年Ito团队制造了一种波长为1.55 μm、具有220 GHz 3 dB带宽的UTC-PD，仅在次年，他们实现了一种带宽为310 GHz的InP/InGaAs UTC-PD $27$ 。2003年，他们制造了一种带有1 mm连接器和310 GHz带宽芯片的封装接收模块，该模块在10 mA平均光电流下具有80 GHz的3 dB带宽 $28$ 。同年，他们展示了一种具有单片集成匹配电路的UTC-PD，其在100 GHz时表现出20.8 mW的高饱和输出功率 $29$ 。2007年，Wu等人讨论了一种由UTC-PD和改进的倏逝耦合光波导组成的PD。这个集成的UTC-PD实现了1.04 A/W的高响应度和高达60 GHz的3 dB宽电带宽 $30$ 。

与PIN PD相比，APD灵敏度可以高出5-10 dB。因此，许多关于APD的研究工作被报道。1994年，Shishikura团队首次发表了一种波导超晶格APD $31$ 。随后，1997年制造了一种具有较薄光吸收层的APD，其在20 GHz时达到3.2的倍增因子和0.9 A/W的响应度 $32$ 。采用类似方法，Nakata等人在2001年实现了带宽为35 GHz的APD，其增益带宽积为140 GHz $33$ 。在文献 $34$ 中，同年制作的APD的增益带宽积大幅提高至320 GHz，但量子效率仅为16%。2003年，展示了一种带宽为48 GHz、响应度非常高（> 1 A/W）和饱和电流为11 mA的APD $35$ 。

在高容量通信系统中，单一离散器件不利于降低系统成本，因此，集成光电子器件是降低系统成本、使系统小型化并易于实现的理想选择。1992年，M. Tabasky等人发布了一种四通道混合接收器，采用硅基底封装，其调制带宽高达400 MHz，对应的NZR数据速率达到800 Mb/s $36$ 。1996年，制造了速率为800 Mb/s/通道的10通道发射器和接收器模块 $37$ ，这些模块由低电容PD阵列、低阈值电流LD阵列和高速硅双极阵列IC组成。2003年，NTT公司展示了一种基于硅酸盐AWG的1.25 Gb/s × 8通道光接收器 $38$ 。

3. 光电探测器的研究热点

在10 Gb光纤以太网成功之后，100 Gb以太网被认为是下一代高速数据传输系统的理想选择。对于PD而言，通常通过减少光敏表面积来增加带宽，但这往往会在封装过程中带来光耦合的难题，从而降低可靠性并增加生产成本。面对这种情况，波导PD和PD阵列模块仍然是具有吸引力的选择，它们可以与不同组件集成，以提高通信系统的性能。

2013年，一种集成了垂直渐缩光斑大小转换器和1×4 MMI耦合器的封装WGPD被制造出来 $39$ ；该器件由一个含有4个PD的阵列组成，以增加饱和电流，并在20 GHz时具有30 GHz的3 dB带宽和7.5 dBm的高输出功率。同年，还展示了一种具有超过90 GHz 3 dB带宽的PD $40$ 。在文献 $41$ 中，Runge等人在2015年制造了一种具有130 GHz 3 dB带宽的波导集成PIN PD芯片。对于微波光子学应用，例如太赫兹信号的光子生成和光纤无线电（ROF）链接，高功率是PD的另一个需求。2014年，Chenhui Jiang团队提出了一种高线性度和高功率的PD模块，使用UTC-PD芯片，可用于微波光子学应用 $42$ 。2017年，Gan Zhou团队展示了一种单片高速高功率波导集成平衡UTC-PD，可以产生最大8.9 dBm的射频输出功率，并且PD芯片具有80 GHz的3 dB带宽 $43$ 。对于PD阵列的集成，研究工作主要集中在日本，尤其是NTT公司。在表1中，我们回顾了PD阵列模块在结构和性能方面的现状。2016年，Zhu团队制造了一种12.5 Gb/s × 8通道接收器阵列模块，如文献 $47$ 所示。该接收器模块由三个部分组成：一个八PIN芯片阵列、一个TIA阵列和一个RF电路板，封装在蝶形外壳中。

在损耗受限的光传输条件下，例如波分复用无源光网络（WDM-PON）系统中，接收器的高灵敏度非常需要，以应对传输距离和光学元件的功耗。因此，许多研究人员做出了大量努力来提高PD的灵敏度性能。2012年，Nada等人报道了一种APD与商用跨阻放大器（TIA）结合，组装在ROSA中实现了25.8 Gb/s数据速率下-21.7 dBm的灵敏度 $48$ 。然而，商用APD在10 Gb/s以上的应用中几乎不存在，并且由于雪崩材料的低电离系数比，导致40 Gb/s应用的增益×带宽较低。因此，光预放大是提高高速应用灵敏度的一个有吸引力的解决方案。2014年，Caillaud C团队实现了一个由检测器和跨阻放大器（TIA）组成的40 Gb/s接收器，具有-23 dBm的高灵敏度 $49$ 。同年，Maria Anagnosti等人展示了一种高速PD，由UTC-PD与半导体光放大器（SOA）单片集成构成。该光接收器在1.55 mm波长下具有110 GHz的3 dB带宽和1 nA的暗电流 $50$ 。从2012年到2015年，Caillaud团队相继实现了一种集成SOA-PIN光子电路，具有88 A/W的高响应度和50 GHz的-3 dB带宽 $51$ ，以及一个带有集成SOA-PIN芯片和TIA的接收器，在25 Gb/s下具有-23 dBm的高灵敏度和在40 Gb/s下具有-21 dBm的高灵敏度，带宽为35 GHz $52, 53$ ，如图1所示。

图1.（在线彩色）SOA-PIN/TIA ROSA模块的示意图 $53$

4.光电探测器的封装

众所周知，PD芯片的带宽已经超过100 GHz；在如此高的工作频率下，封装和互连的高效设计在传输线结构中的共振损耗、发射过渡、阻抗不匹配以及电极的电气损耗方面相当具有挑战性。此外，为了实现高容量目标，多通道模块是WDM系统的理想选择。目前，高速模块采用混合集成封装，而不是传统的封装设计，并且将许多功能组件集成在一个单一基板上成为一种趋势。在本节中，将介绍一些封装技术。

4.1. 传输线设计

单端PD通常使用同轴输出连接器，其腔径为1.8、2.4或2.92毫米，具体取决于其速度。在如此高的速度下，连接器针脚与内部传输线的接口非常关键，因为它们之间的错位会导致电回波损耗的劣化。此外，有必要谨慎控制连接中使用的焊料的形状和数量。传输线的设计对模块性能有显著影响。一般来说，共面波导比微带线具有更好的信号屏蔽和更低的色散，但损耗略高。

4.2. 连接方式对模块性能的影响

倒装芯片技术、胶带键合和引线键合是广泛采用的用于不同基板上的芯片互连方式，其传输性能在文献 $54$ 中被比较，最高可达120 GHz。许多研究工作探讨了引线键合 $55, 56$ 和倒装芯片 $57, 58$ 的行为。与引线键合技术相比，倒装芯片技术在小焊球和较少的电感寄生效应方面通常表现出更优越的性能。然而，随着引线键合技术的发展，键合引线的长度可以被制作得相当短。因此，引线键合由于其低成本、鲁棒性、高热容忍度和方便的制造工艺等优点，被认为是高速应用中的另一种有吸引力的连接方法。

在PD封装中，不同组件之间使用的引线键合长度应分别精确控制。引线键合引入的电感会导致增益峰值，这可以用来扩展PD模块的带宽，而连接PD和TIA的引线键合应尽可能短。减少PD和TIA之间电感的方法是将TIA安装得非常靠近PD芯片并与其共面。此外，流经PD到地的交流电流必须满足最小电感要求，因为这会导致地像开路一样，从而导致增益急剧下降，因此连接到地的键合引线也应尽可能短。值得注意的是，应避免引入额外的电容，因为这会增加模块噪声并减少带宽。

表1.PD阵列模块的概况

4.3 光耦合

高效的光耦合是封装过程中的最具挑战性的方面之一。这主要是因为高速PD的活跃区域较小，使得光耦合对光纤的任何偏移都极其敏感。已经有了许多类型的紧凑型光接收器模块（ROSAs），这些模块集成了采用各种光学系统的表面照射PD。如图2所示，2009年，Kiyohide Sakai团队展示了使用反射折射系统的PD模块；该光学系统由一个BK7球透镜和一个塑料模制的偏移抛物面镜组成 $59$ 。2013年，NTT公司和忠南国立大学分别展示了两种ROSA中用于光耦合的不同形式的解复用器（DMUX） $60, 61$ 。如图3所示，在阵列模块封装中使用波导光栅（AWG）DMUX，另一种光学DMUX模块由局域网波分复用（LAN-WDM）薄膜滤波器和一个光学透明的石英块组成，如图4所示。2017年，Isaac等人展示了一种耦合方法，使用垂直光栅耦合器照射硅光子集成电路（PIC）中的III-V改性UTC-PD，如图5所示 $62$ 。

图2.（在线彩色）使用折反射系统的PD模块的结构 $59$

图3.（在线彩色）AWG的原理配置 $60$

图4.（在线彩色）光学DMUX块示意图 $61$

图5.（在线彩色）一种利用垂直光栅的耦合方法 $62$

5. 应用与前景

PD必须在带宽、输出功率、灵敏度、功耗和动态范围等方面满足各种性能要求，以适应不同的应用，例如光通信系统、光纤无线电系统和毫米波太赫兹信号生成系统。对于光通信系统，研究人员不断追求更高的容量，达到100 GbE甚至400 GbE。因此，高速探测器和探测器阵列接收模块仍然是光通信系统的研究热点。对于自由空间光通信（FSO）系统来说，灵敏度是一个重要参数，因为光载波经过长距离传输后会变得发散和不稳定，使得探测器难以捕捉光信号。为了解决这个问题，需要较大的光敏表面，但这往往伴随着响应速度的下降。因此，迫切需要开发新结构的PD。高线性和高功率的PD对于模拟光子链路至关重要，并已在许多微波光子应用中得到使用，如相控阵雷达、光纤无线电（ROF）系统等。作为一个高频混频组件，能够提供非常高的光电流的PD将带来许多优势，如提高链路增益、降低噪声系数并改善PD的线性。饱和电流特性是决定系统无杂散动态范围（SFDR）和信噪比（SNR）的重要因素。尤其是，PD的非线性决定了使用线性调制器的系统的无杂散动态范围的上限。此外，对于毫米波太赫兹信号生成系统，具有大饱和电流的高速PD可以扩展生成信号的频率范围，通过增加入射光功率来增强PD生成信号的强度。因此，有助于信号传输并降低系统成本。因此，具有高饱和电流的PD受到研究人员的热情关注。