2.2.2 光接收机

高速短距离光纤传输系统基本组成架构如图2-2所示，在接收端有几种性能不同的接收机。由于APD的响应度比PIN二极管高得多，APD是有潜力实现低成本、高接收灵敏度和长距离传输的器件。但是，长期以来，缺少用于高速传输的高带宽APD[12]。2016年，Huang等[13]使用高带宽Ge/Si APD在1310nm演示了25Gbit/s NRZ信号，实现了创纪录的-23.5dBm灵敏度（误码率（Bit Error Ratio,BER）=2×10-4）。由于它可以很容易地与其他硅光器件集成，因此该Ge/Si APD 是有前景的器件，可用于未来的高速数据中心互联。2017年，Zhong 等[14]在 O 波段使用25Gbit/s EML和Ge/Si APD,56Gbit/s PAM4信号无放大传输60km SSMF。多种接收方案性能对比如图2-6所示。APD与PIN-PD接收灵敏度对比[14]如图2-6（a）所示，可以看到在7% HD-FEC门限，APD接收机接收灵敏度为-20dBm,PD接收机接收灵敏度为-13dBm,APD接收灵敏度比PIN-PD提升了7dBm。未来在短距离传输市场高带宽和高响应度的APD需求会越来越大。不同高速接收机传输速率与灵敏度对比[15]如图2-6（b）所示，APD-TIA 接收机（与跨阻放大器封装在一起的APD）由于具有高灵敏度而被广泛用于2.5Gbit/s和10Gbit/s传输，已验证25Gbit/s的APD具有-23dBm的灵敏度。当前用于40Gbit/s速率的雪崩材料仍遭受低电离系数比的困扰，增益和带宽较低。另外一种方案，可以使用40Gbit/s PIN-TIA接收机，但其灵敏度为-12.5dBm，使用受到限制。此外，接收端光学预放大是一种提高灵敏度的解决方案。使用包括EDFA模块和单行载流子PIN的接收机，实现了40Gbit/s的传输速率达到-28dBm的灵敏度（BER = 10-9）[15]。但是，EDFA占用空间大且接收机成本过高，不适用于接入网和短距离应用。Caillaud等[15]传输40Gbit/s时使用SOA模块和PIN-TIA模块可以达到-23dBm的高灵敏度（BER=10-9）。为了减小尺寸和降低成本，Caillaud等[15]演示了单片集成式SOA-PIN-TIA接收机，该接收机在40Gbit/s速率时接收灵敏度为-17.2dBm（BER = 10-9）。但是，此接收机仅在TE极化下运行，这对于电信网络中的应用没有实际意义。

图2-6 多种接收方案性能对比

Caillaud 等[15]最近展示了一种集成的基于 SOA-PIN 芯片的接收机，其具有低偏振相关增益（Polarization Dependent Gain,PDG）。集成半导体光放大器接收机如图2-7所示。SOA-PIN芯片结构如图2-7（a）所示，该芯片使用了掩埋异质结构SOA和在半绝缘InP衬底上制成的PIN PD。其中，SOA和PIN通过无源波导链接，该无源波导包括掩埋部分和平面部分。SOA-PIN-TIA接收机集成封装示意图如图2-7（b）所示，该模块具有44A/W 的响应度、低于2dB 的偏振相关损耗、8.5dB的噪声系数和3dB 35GHz带宽。使用该器件，实现了传输25Gbit/s和40Gbit/s NRZ分别为-23dBm和-21dBm创纪录的接收灵敏度。我们可以注意到SOA-PIN-TIA接收机可以进行小尺寸单片集成，如集成可插拔光接收模块，非常适合数据中心和接入网客户端侧光接口使用。

图2-7 集成半导体光放大器接收机