10Gbps InP/InGaAs APD光接收器件抗Wi-Fi干扰能力研究

徐虎，龚少勋，陈方均，党伟红，唐小春，肖雨

芯思杰技术（深圳）股份有限公司，广东深圳，518055

摘要

随着智能手机、平板电脑和各种智能家居终端设备的普及，人们通过无线路由器对Wi-Fi无线网络上网的应用场景越来越多，过多的Wi-Fi无线电波信号对光猫的运行稳定性有很大的影响。研究了不同封装方案对10Gbps InP/InGaAs APD光接收器件的灵敏度和抗Wi-Fi干扰能力的影响，研究结果表明元件的组装方式对APD光器件的灵敏度基本没有影响，但是对器件的抗Wi-Fi干扰能力的影响很大，采用堆叠的组装方案具有很好的抗Wi-Fi干扰能力；进一步地，TIA电源滤波采用单电容方案和双电容方案对APD光器件的灵敏度和抗Wi-Fi干扰能力没有明显差异，考虑封装成本，推荐实施单电容作为TIA的电源滤波方案，同时为了优化单电容方案的抗Wi-Fi性能，TIA滤波电容需要靠近TIA贴装。

关键词

APD光接收器；抗Wi-Fi灵敏度；堆叠封装；电源滤波

正文

一、引言

光纤入户是指将高速光纤网络接入到住宅或办公场所，实现宽带网络接入的一种方式。相比传统的ADSL等宽带方式，光纤入户有着更高的速度和更可靠的网络连接，并可以支持多种高清视频流和云计算服务，成为了宽带网络的主流。要实现光纤入户，首先需要从网络服务提供商（ISP）处获得光纤网络接入，通常是通过光纤到楼（FTTB）或光纤到户（FTTH）的方式实现。然后，在楼内或屋内通过光猫（ONT）将光信号转换成电信号，再通过路由器将网络信号接入到各个终端设备。

光收发器件是光猫设备里面的关键元器件，该器件内部集成了光发射器和光接收器，其中光发射器负责将电信号转换为光信号，实现数据的上传；光接收器负责将光信号转换为电信号，实现数据的下载。随着智能手机、平板电脑和各种智能家居终端设备的普及，人们通过无线路由器对Wi-Fi无线网络上网的应用场景越来越多，过多的Wi-Fi无线电波信号对光猫的运行稳定性有很大的影响。本文以10Gbps InP/InGaAs APD光接收器件作为实验研究对象，研究了不同封装方案对APD光接收器件的灵敏度和抗Wi-Fi干扰能力的影响。

二、实验方法

采用TO-CAN（Transistor Outline，晶体管外形）对APD（Avalanche Photodiode，雪崩光电探测器）芯片和TIA（Trans-impedance Amplifier，跨阻放大器）芯片、芯片电容等元件做气密性封装，腔体内部填充有溶度>99%的氮气，利用光学耦合工艺，通过高温胶水将光口适配器与TO-CAN做互连制作成ROSA（Receiver Sub-assembly，光接收器件）。

1. 样品制作材料

样品制作所需要的原材料如下表1所列。

表1

序号	物料名称	规格描述	数量	单位
1	TO管座	TO46，5pin梯形分布，可伐合金	若干	pc
2	TO管帽	TO52，φ2.0mm n2.0球透镜	若干	pc
3	高压芯片电容	470pF，耐压能力80V	若干	pc
4	高压芯片电容	300pF，耐压能力80V	若干	pc
5	低压芯片电容	1000pF，耐压能力10V	若干	pc
6	低压芯片电容	100pF，耐压能力10V	若干	pc
7	TIA芯片	10Gbps，3dB带宽8GHz	若干	pc
8	APD芯片	10Gbps，倍增M>10	若干	pc
9	银浆	环氧树脂胶，导电	若干	ML
10	球焊金丝	直径φ25μm，纯度>99.9%	若干	M
11	适配器	LC光口，塑料	若干	pc
12	胶水	高温胶水，耐温>150℃	若干	ML

2. 样品制作流程及设备

元件组装（全自动贴片机） -> 金丝键合（全自动球焊机） -> 封焊（电容式储能焊机） -> 光学耦合（半自动耦合机）-> 点胶及固化（高温烤箱） -> 性能测试（测试系统）

表2

测试参数	APD反向击穿电压	响应度	光电流
参数符号	V_BR	R	I_OP
单位	V	A/W	μA
测试条件	I_R=10μA	V_APD=5V, P_in=-30dBm, λ=1577nm	V_APD=V_BR-3V, P_in=-30dBm, λ=1577nm

3. 灵敏度及抗Wi-Fi干扰能力测试系统

样品制作完成后，在如下图1所示的测试系统上完成光器件的灵敏度测试和抗Wi-Fi干扰能力测试。测试平台包含了测试用的调制光源、光衰减器、光功率计、电源控制、测试评估板、电源线、光纤、Wi-Fi无线信号发生器、测试电脑等。

灵敏度测试条件：数据速率10.3125Gbps，码型PRBS31，消光比ER=8.2，误码率1E-3，波长1577nm，TIA工作电压Vcc=3.3V，APD工作电压Vapd=Vbr-3V。

抗Wi-Fi干扰能力评估方法：分别在Wi-Fi关闭和打开两种状态下测试APD光接收器件的灵敏度，灵敏度劣化值的绝对值越小说明该方案的器件的抗Wi-Fi干扰能力越强。

（a）灵敏度测试原理图

（b）Wi-Fi无线信号发生器

图1 灵敏度测试系统

三、实验结果及讨论

封装方案的设计如下图2~图4所示共计3种，主要涉及的影响因素有以下两个方面：（1）元件的组装方式是采用堆叠的方案，还是采用分立组装的方案，前者组装工艺对设备的稳定性和贴装精度有更高的要求，这种组装方式的好处在于可以实现APD与TIA之间的键合引线最小化。（2）TIA电源滤波方案的设计，采用单电容方案或者双电容方案。双电容方案增加了一颗100pF的小容值电容，小容值电容是可以滤除高频干扰，使输出电压纯净，电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率也就越高。

图2 封装设计A方案图3 封装设计B方案图4 封装设计C方案

1、元件组装方式的影响

如图5展示了两种组装方案，其中元件1#为TIA，元件2#为300pF电容，元件3#为APD，元件4#为100pF电容，元件5#为1000pF电容，元件6#为470pF电容。图5（a）所示的分立组装方案，即APD放置在470pF的电容上面，剩下的TIA和3个电容分别贴装在TO管座上；图5（b）所示的堆叠组装方案，即在TIA上面贴装300pF电容和APD，300pF电容在TIA与APD之间，剩下的3个电容分别贴装在TO管座上。

（1）分立组装（2）堆叠组装

图5 元件组装方案

按照图2和图3制作封装方案A和B的样品各11只，键合引线的数量相同，即22根，测试了10G下灵敏度和在Wi-Fi干扰下的灵敏度，结果见下表3、表4。

表3

测试参数	VBR （V）	R （A/W）	Iop （μA）	灵敏度Sen （dBm）		Sen变化（dB）
测试参数	VBR （V）	R （A/W）	Iop （μA）	Wi-Fi关闭	Wi-Fi打开	Wi-Fi影响
A-1	39.4	0.83	7.78	-32.67	-28.4	4.3
A-2	39.6	0.8	7.54	-32.63	-28.5	4.1
A-3	39.1	0.81	7.26	-32.74	-28.0	4.7
A-4	39.6	0.81	7.51	-32.65	-27.9	4.8
A-5	39.5	0.81	7.76	-32.89	-28.7	4.2
A-6	39.6	0.81	7.31	-32.87	-28.0	4.9
A-7	40.1	0.81	7.45	-33.08	-28.4	4.7
A-8	38.9	0.82	7.41	-33.04	-28.5	4.5
A-9	39.6	0.83	7.66	-33.03	-28.7	4.3
A-10	39.6	0.81	7.53	-32.89	-28.1	4.8
A-11	39.7	0.82	7.36	-33.23	-29.0	4.2
平均值	39.52	0.81	7.51	-32.88	-28.4	4.5
最大值	40.1	0.83	7.78	-32.63	-27.9	4.9
最小值	38.9	0.8	7.26	-33.23	-29.0	4.1

表4

测试参数	VBR （V）	R （A/W）	Iop （μA）	灵敏度Sen （dBm）		Sen变化（dB）
测试参数	VBR （V）	R （A/W）	Iop （μA）	Wi-Fi关闭	Wi-Fi打开	Wi-Fi影响
B-1	40.1	0.83	7.28	-33	-31.3	1.7
B-2	38.9	0.82	7.21	-32.73	-31.2	1.5
B-3	39.4	0.83	7.53	-32.68	-31.2	1.5
B-4	39.6	0.81	7.64	-32.69	-31.4	1.3
B-5	39.5	0.82	8.05	-32.87	-31.3	1.6
B-6	31.6	0.77	7.21	-32.62	-31.2	1.4
B-7	31.9	0.78	7.45	-32.69	-31.1	1.6
B-8	33	0.78	7.16	-32.72	-31.5	1.2
B-9	30.1	0.77	6.96	-32.91	-31.3	1.6
B-10	32.3	0.75	7.09	-32.79	-31.1	1.7
B-11	31.2	0.77	7.5	-32.65	-31.4	1.3
平均值	35.24	0.79	7.37	-32.76	-31.3	1.5
最大值	40.1	0.83	8.05	-32.62	-31.1	1.7
最小值	30.1	0.75	6.96	-33	-31.5	1.2

从上表的数据对比，可以看出，两种组装方案在无Wi-Fi下的灵敏度的平均值相差0.12dB，考虑光电流和测试系统重复性的影响，0.12dB的差异可以忽略；在Wi-Fi无线信号存在的情况下，采用分立组装的封装设计A方案的灵敏度平均劣化了4.5dB，远远大于采用堆叠组装的封装设计B方案的1.4dB的平均值，故堆叠组装设计方案具有更好的抗Wi-Fi干扰能力，这得益于堆叠的组装方式可以实现APD与TIA之间的键合引线最短化，同时在组装结构上更紧凑。

2、 TIA电源滤波方案设计的影响

封装设计A方案和B方案，在TIA侧分别采用大容值1000pF和小容值100pF的两个芯片电容做电源滤波，以便将电路中的噪声和杂散信号削弱或去除，从而实现信号的准确传输和处理。封装设计C方案取消了TIA电源滤波中的100pF小容值电容，键合引线的数量由22根变为20根，按照图4的封装设计制作样品并测试10G下灵敏度和在Wi-Fi干扰下的灵敏度，测试数据见下表5。

表5

测试参数	VBR （V）	R （A/W）	Iop （μA）	灵敏度Sen （dBm）		Sen变化（dB）
测试参数	VBR （V）	R （A/W）	Iop （μA）	Wi-Fi关闭	Wi-Fi打开	Wi-Fi影响
C-1	40.6	0.82	7.4	-32.72	-31.2	1.6
C-2	39.5	0.83	7.16	-32.51	-30.6	1.9
C-3	39.3	0.8	7.24	-32.6	-30.7	1.9
C-4	40	0.83	7.56	-32.76	-31.0	1.7
C-5	39.9	0.82	7.39	-32.65	-31.1	1.6
C-6	39.7	0.84	7.7	-32.67	-30.9	1.8
C-7	40.4	0.8	7.52	-32.63	-30.6	2.0
C-8	40.5	0.82	6.97	-32.82	-31.2	1.6
C-9	40.6	0.82	7.08	-32.54	-30.7	1.8
C-10	40.2	0.82	7.51	-32.84	-31.2	1.6
C-11	39.2	0.8	6.73	-32.72	-31.0	1.7
平均值	39.99	0.82	7.30	-32.68	-30.9	1.8
最大值	40.6	0.84	7.7	-32.51	-30.6	2.0
最小值	39.2	0.8	6.73	-32.84	-31.2	1.5

对比表4和表5的数据，可以发现，TIA单电容和双电容的滤波方案的灵敏度差异在0.1dB以内；在Wi-Fi无线信号存在的情况下，单电容的滤波方案的灵敏度劣化了1.8dB，相对于双电容方案劣化的1.5dB，多劣化了0.3dB。小容值电容是用来滤除高频干扰的，使输出电压纯净，电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高，故可能原因是去除100pF小容值电容后，有非常少的高频杂散信号通过TIA的工作电压引线进入内部，增加了电源噪声从而导致器件的灵敏度劣化更多。为了降低高频电源噪声可以缩短1000pF电容与TIA之间的引线长度，具体做法是将1000pF电容靠近TIA贴装，按此方式制作实验样品测试，结果显示Wi-Fi下灵敏度劣化了1.6dB，基本接近双电容方案1.5dB。另一方面，劣化后的灵敏度相对于规格指标仍然有1dB以上的余量，封装方案具备可量产性，同时由于100pF的电容较为昂贵，所以封装设计C方案具有更好的产品竞争力，更适合批量化生产。

四、结论

根据上述实验测试结果，可以得出以下结论：

1、元件的组装方式对APD光接收器件的灵敏度基本没有影响，但是对器件的抗Wi-Fi干扰能力的影响很大，采用堆叠的组装方案具有很好的抗Wi-Fi干扰能力。

2、 TIA电源滤波采用单电容方案和双电容方案对APD光接收器件的灵敏度和抗Wi-Fi干扰能力没有明显差异，考虑封装成本，推荐实施单电容作为TIA的电源滤波方案；为了优化单电容方案的抗Wi-Fi性能，TIA滤波电容需要靠近TIA贴装，以减少电源滤波后的键合引线的长度。

3、采用堆叠封装设计的C方案具有较强的抗Wi-Fi干扰能力及较低的材料成本，是最优的封装方案。

参考文献：

[1]张之坤. 高速光接收器件TO封装工艺及测试[D].浙江大学, 2019.

[2]丁国庆，徐建锋.10Gb/s APD-TIA组件的最佳光接收灵敏度[J].光通信技术, 2008, 32(11):40-43.

[3]李媛.雪崩光电二极管的性能测试与仿真优化设计[D].华中科技大学,2017.

[4]廖雅香.Ⅲ-Ⅴ族雪崩光电二极管器件研究[D].中国科学院大学,2016.

[5]陈志刚.高响应度高带宽雪崩光电二极管的设计与优化[D].电子科技大学,2023.

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