一、引言

光纤入户（FTTH）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。

FTTR（光纤到房间）架构可以实现全屋千兆网络覆盖。通过将光纤直接延伸到每个房间或特定位置，并在每个房间安装光端机（ONT），可以提供高速、高带宽的网络连接，满足用户对于千兆网络的需求。在FTTR架构下，光纤作为传输介质，具有较低的传输损耗和较高的传输速度，能够实现高速、稳定的网络连接。同时，通过合理设计网络拓扑结构和选择合适的网络设备，可以确保网络覆盖范围和信号质量，从而实现全屋千兆网络覆盖。

光收发器件是FTTH和FTTR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。本文以千兆光猫用的10Gbps InP/InGaAs APD光接收器件作为研究对象，研究了在Wi-Fi关闭和打开两种应用环境下，不同封装设计方案对APD高速光接收器件的灵敏度的影响。

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

如图1展示了本实验样品的组装方案，其中元件1#为TIA，元件2#为300pF电容，元件3#为APD，元件4#为470pF电容，元件5#为1000pF电容。具体地，采用堆叠组装方案，即在TIA上面贴装300pF电容和APD，300pF电容在TIA与APD之间，剩下的两颗电容分别贴装在TO管座的上边和左边。

 图1 元件组装方案

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）

3. 性能测试系统

样品制作完成后，在灵敏度测试系统上完成Wi-Fi关闭和打开两种应用环境下光器件的灵敏度测试。灵敏度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，测试原理框图如下图2所示，图3为Wi-Fi无线信号发生器。

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。

带宽测试在光波元件分析仪上进行，光波长为1550nm，TIA工作电压Vcc=3.3V，APD工作电压Vapd=Vbr-3V。引脚剪短值3mm，插入高频测试板的插孔。

图2 灵敏度测试原理框图

图3 Wi-Fi信号发生器

三、实验结果及讨论

封装设计方案如下图4~图7所示共计四种，主要涉及的影响因素有以下几个方面：（1）APD芯片的贴装方向，即APD芯片竖直贴装在300pF电容上；及APD芯片横向贴装在300pF电容上。（2）TIA信号输入引线与输出引线之间的角度。（3）APD芯片上的键合引线在300pF电容上的键合点位置。

     图4 设计方案C        图5 设计方案D

     图6 设计方案E       图7 设计方案F

方案C和方案D中的APD芯片竖直放置，其中P极在上边，N极在下边。TIA表面贴装有300pF电容，APD贴装在300pF电容上面，APD与300pF电容之间的引线编号为17#、18#，APD与TIA之间的信号输入线为20#，方案C中的APD的N极上的两根引线在300pF电容的上部位置，跨越了APD芯片的表面，引线较长，但距离两端输出引线较远；方案D中的APD的N极上的两根引线直接键合在电容的下部位置，引线短，但距离两端输出引线近，同时，相对于方案C，信号输入20#引线的长度更短。

方案E和方案F中的APD芯片横向放置，其中P极在左边，N极在右边。方案E中，通过17#引线将APD的右上角N极与470pF电容连接，18#引线将APD右下角的N极与300pF电容连接，键合点靠近右边的输出引线；方案F中，只用了APD右上角的N极焊盘，该N极焊盘通过17#引线键合到300pF电容上，紧接着通过18#引线键合到470pF电容上，故键合点远离两端输出引线。APD与TIA之间的信号输入线为19#，与N极引线不平行，存在一定夹角；与两根输出引线所存夹角不对称。

按照图4~图7的封装设计图分别制作了四种方案的ROSA样品，每种方案的样品数量分别为11只，测试了Wi-Fi关闭和打开两种应用设置下的ROSA灵敏度，不同设计方案的对比测试结果如图7和图8所示。

从图8可以看出，方案D和方案E的灵敏度好于方案C和方案F，这得益于方案D和方案E中的APD与TIA和电容之间的引线长度更短，引线电感小，整个器件的带宽更高，同时，方案C中的APD的两个N电极键合有平行的引线，等效于增加了引线的横截面积，减低了引线电感，故方案C的带宽与上述两种方案的差异不大，最终灵敏度的差异也不大。

图8 Wi-Fi关闭环境下不同方案的灵敏度对比

如表2所示，汇总了四种封装方案的带宽数据，除了方案F的带宽平均值小于7GHz外，其余三种方案的带宽平均值均大于7GHz，且均值差异在300MHz以内，方案E的带宽平均值为7.52GHz。带宽的数据分布与灵敏度的数据分布基本一致。

表2

从图9可以对比发现，Wi-Fi开启后方案C和方案F的灵敏度的劣化小于方案D和方案E，这说明300pF上键合点距离输出引线的距离及APD上的各个引线之间的角度对抗抗Wi-Fi干扰能力影响较大，方案C和方案F的300pF上的键合引线远离输出引线，方案C中APD上的键合引线之间互相平行，且与输出引线成直角，减少了信号传输引线之间的干扰。

图9 Wi-Fi打开后灵敏度劣化对比

四、结论

根据上述实验测试结果，可以得出以下结论：

1. APD与TIA之间的键合引线设计最短化可以获得较高的器件带宽，从而提升了高速APD光器件的灵敏度。

2. APD芯片采用竖直贴装，可以从设计上保证APD芯片上的P极和N极键合引线之间保持平行，于此同时，TIA信号输入引线与输出引线保持互相垂直，及300pF电容上的引线键合点远离两端信号输出引线等方式均可以有效提升高速APD光器件在Wi-Fi环境下的灵敏度性能。

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.

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