光波通信

作者：丁国庆、刘兴瑶、张学军武汉邮电科学研究院

更高速率、更大容量、更长距离信息传输，是光通信技术的发展方向，因而单信道40Gb/s光通信系统应运而生。40Gb/s光通信系统中的关键光部件是40Gb/s光发射和接收模块。由于光电子器件中载流子输运时间和RC时间的限制，传统的正面进光探测器难于达到40Gb/s光电处理速率。所以，40Gb/s光接收模块中通常采用波导型PIN光探测器（WG-PIN-PD）。这种波导型PIN光探测器又称为侧面进光探测器。

严格说来，光探测器的响应速率由光吸收并产生载流子的转换时间、光生载流子从低电场区到PN结边界所需扩散时间、光生载流子在耗尽区（高场区，通常为‘I’层）的漂移时间、以及与电容充放电效应有关的RC时间共同决定。相比之下，在光探测器中，光电转换时间和载流子扩散时间可以忽略。因此，光探测器的响应速率主要由光生载流子在‘I’层的漂移时间和RC时间所决定。为了降低光生载流子的漂移时间和RC时间，必须减少PIN型光探测器光吸收区（亦即‘I’层）的厚度和PN结面积。正面进光的光探测器光吸收区厚度一般在2.0-3.0微米，而PN结直径一般大于20微米。这样，其最高光响应速率小于20Gb/s。为解决光响应速率问题，提出了波导型PIN光探测器结构。

WG-PIN-PD结构通常是一种小面积、薄光吸收区的台面结构。对于40Gb/s WG-PIN-PD来说，其光吸收区厚度一般设计在0.4-0.6微米，而PN结一般小于8（微米）×15（微米）。这样薄、小的管芯结构，要得到较高的入射光利用率是非常困难的。也就是说，要得到比较高的光响应度是很困难的。因此，尽量提高WG-PIN-PD的光耦合效率和光响应度，就是一件非常有意义的工作。

1 光耦合基本理论

所谓光耦合，就是把把光从一个物件有效转移到另一个物件中的过程。如光从激光器到光纤的耦合、光纤到探测器的耦合、一根光纤到另一根光纤的耦合。为了提高光转移的有效性，在两个物件之间常常还有其它物件，如球透镜、光准直器、柱透镜、增透膜等。作为例子，光从单模光纤到侧面进光探测器的耦合示意图如图1所示。

采用光耦合波理论来求解实际问题往往是困难的。它受到复杂边界条件、待定物理参数的限制；此外，还有许多问题是简单理论无法解决的。例如，曲面（包括圆柱面）光反射问题等。对单模光纤发出的圆形光斑和WG-PIN-PD扁形光敏面，要提高耦合效率，就要解决孔径角匹配、图形匹配和尺寸匹配问题。为解决这些问题，现提出几种可能的光耦合方式。

2 几种可能的光耦合方式

对于单模光纤与WG-PIN-PD之间的光耦合，要提高光响应度和光耦合效率，不仅要解决光纤端部制作、中间光学组件光束变换问题，还要解决光纤与WG-PIN-PD之间的五维对准、通光表面增透膜制作等问题；此外，还有光纤、光学组件的固定问题。应该说，对于具有极小光敏面的WG-PIN-PD光耦合及封装，是40Gb/s PIN/TIA组件最重要的问题之一。由于光纤端部形状不同、中间光学组件不同、各种组件的固定方式不同，就有多种可能的耦合方法。

2.1 楔形光纤直接耦合

如果采用芯径为5微米的楔形光纤，端面为平面，直接和WG-PIN-PD光敏面对准和固定，且纵向间距适宜，则实现了光纤与WG-PIN-PD的直接耦合。这里，楔形光纤起着光斑形状变换的作用，它把光纤中的圆形光斑变换为椭园形光斑输出，从而使光远场图与WG-PIN-PD光敏面形状接近匹配。其耦合示意图如图2所示。

2.2 圆锥光纤＋柱面透镜

如果采用芯径为9微米的圆锥形光纤，中间再水平放置一柱面透镜，也可实现光纤与WG-PIN-PD之间的光耦合。其示意图如图1所示。图中，水平放置的柱面透镜，不仅具有光波形变换作用，而且具有光聚焦作用。

2.3 圆-扁形特种自聚焦透镜直接耦合

上述柱面透镜中介质的介电常数是均匀的，折射率分布也是均匀的。其聚焦作用是依靠入射到柱面透镜表面光线的折射作用来实现的。现在有一种光纤，叫梯度光纤或渐变折射率光纤，其中心折射率最高；离中心愈远，折射率愈低。因此，光在这种光纤中传播时呈驻波样式，在波节处具有自聚焦作用。利用这种自聚焦光纤就可以很方便地制作自聚焦透镜。

如果采用λ/4（λ为驻波波长）自聚焦光纤段，并把波节一边压成楔形，这种形状的自聚焦透镜，我们称之为圆-扁形特种自聚焦透镜。利用这种自聚焦透镜进行光耦合，也可以达到光斑图形变换和聚焦作用，从而实现（或近于实现）图形匹配和尺寸匹配。

2.4 柱面透镜＋微球透镜

柱面透镜仅在垂直于中心轴线的方向上有聚焦作用，而在中心轴线的方向上则没有光会聚作用。这将导致从光纤射出的光，经水平放置的柱面透镜后，在中心轴线的方向上发生光弥散。其范围可达20微米以上。为了在该方向上进行光会聚，增加一个微球透镜，从而达到（或接近）光斑图形匹配和尺寸匹配的作用。

2.5 脊形光波导耦合

如果把脊形光波导与WG-PIN-PD集成在一起，这无疑是一种耦合效率较高、又稳定可靠的耦合方式。但其制作工艺比较复杂。国外已有这种集成器件研发产品。由于受到设备和工艺水平限制，国内目前还不能把WG-PIN-PD和光波导集成在一起。这种光耦合方式如图3所示。

2.6 具有球形端面的柱面透镜耦合

如果把柱面透镜的两端通过自然融熔成球形端面，把它用于光纤与WG-PIN-PD之间的耦合，也可实现（或近于实现）光斑图形变换和尺寸近似匹配。

2.7 光匹配液固化耦合

为了减小在空气/介质界面处的光反射，可在其空气隙处滴上光匹配液，并使其固化。这也是一种耦合方式。

3 光耦合中的问题

3.1 光互作用交叠区太小

如前所说，较大芯径的光纤和具有较小面积光敏区（通常为0.6×6微米）WG-PIN-PD之间的耦合，要解决光数值孔径角匹配、光斑图形匹配、尺寸匹配和5维位置偏移问题。它比激光器与光纤之间的耦合困难得多。其原因显而易见：激光器与光纤耦合，是激光器小发光区（0.2×2微米）光远场图与光纤较大接收面（直径9微米）之间的耦合，其交叠积分面积可达60%以上；而光纤与WG-PIN-PD之间的光耦合，是较大的光远图与较小面积光敏面之间的光耦合，其直接耦合交叠积分面积小于30%。

由于交叠区面积太小，高斯光束积分后的总光能就很小，致使WG-PIN-PD的光响应度较小。要想达到光响应度大于0.45A/W，只采用简单的直接耦合方式（具有光波导的简单耦合方式除外），而不采用适当的聚光耦合方式，是非常困难的。

3.2 光耦合对准精度要求苛刻

如上所述，WG-PIN-PD光敏区很小，因此对准非常困难。它需要x、y方向的精细对准：其垂直方向对准精度应达到0.2微米，而水平方向应为微米级。这种亚微米级的对准是非常困难的。在普通实验室，随机震动（如关门、重设备在地面移动、人员突然走动）一般就达亚微米级，甚至微米级。

此外，在Z方向（光纤轴线方向）间距还要适当。光纤端面与WG-PIN-PD光敏面间距，既要尽可能接近，又要便于安装固定；此外，还要考虑到光入射孔径角的匹配问题。否则，尽管光射到光敏区，但孔径角不匹配，进入光探测器的光不被吸收而继续传播时，就有可能泄漏出去。图4就说明了这种情况，图中阴影区中未被WG-PIN-PD光吸收区吸收而泄漏出去的光，对光电转换没有贡献。

除了x、y、z三维方向需要精确对准外，对于非轴对称的光耦合系统，还存在垂直和水平方向角度的精细调节和控制问题，所以这是一个五维精细调节和控制问题。然而，目前最精密的微调架，却没有细微尺度显示，使精细调节‘心中无数’。

3.3 微米级楔形光纤的光衍射效应

众所周知，激光器的光远场图为椭圆形。其长轴垂直于PN结面，短轴平行于PN结面。造成垂直于PN结面的光发散角大的原因，是光衍射效应。同理，采用楔形光纤直接耦合时，楔形光纤端面厚度在2微米左右，和1.55微米波长光不相上下。它同样会产生衍射效应。且微孔尺度越小，发散角越大。这是一种物理限制，是无法克服的。它表明了楔形光纤（或微球透镜）的聚光作用存在着物理极限。实验证实，不管采用何种方法，要在自由空间中把光斑聚焦到1微米以下，是完全不可能的。

3.4 微米级多光学组件对准组装困难

根据现有组装设备、检测设备和工艺技术，微米级多光学组件的对准组装是目前的重大难题之一。在光耦合时要精细对准到亚微米级，似乎只有碰运气。

此外，在金属焊接或熔接时，很难保证精细对准后的耦合系统不发生偏移。根据现有技术，熔焊时不发生一点偏移是不可能的，只能把这种偏移控制到最小，或在熔焊时再进行微调。

3.5 抗震和抗温度变化有待试验

耦合封装后，组件能否经受震动和温度变化，有待于试验。震动和温度变化有可能造成光纤或其它光学组件的微位移，从而使光响应度下降。这是可靠性试验要研究和解决的问题。

4 光纤耦合方式讨论与分析

究竟采用何种耦合方式，应进行综合考虑。不仅要考虑指标的先进性，还要考虑工艺的可行性（包括原材料、元器件、工艺设备、检测设备的可用程度）和质量可靠性等。

作为一项科技攻关项目，指标的先进性是第一位的，尤其是关键指标的先进性。WG-PIN-PD关键指标之一是光响应度，它应达0.45A/W以上。光耦合就必须为此而努力。当然，工艺的可行性无疑也是非常重要的。再好的方案，如果没有元器件、设备和工艺支持，只是一纸空文。下面对上述几种耦合方式作一简单讨论：

1）与直径9微米较长光纤熔接后的直径5微米楔形光纤直接耦合的方式，是比较简单、有效、可行的耦合方式。这种楔形光纤可实现光斑变换；其光远场图和光探测器光敏面形状较为接近，且容易安装固定。按我们现有的试验，采用这种方式和我们研制的40Gb/s WG-PIN-PD，在零偏置下，其最大光响应度已达0.29A/W。

2）锥形光纤和具有光波导的WG-PIN-PD之间的直接耦合方式，代表了40Gb/s WG-PIN-PD的光耦合技术方向。国外已有这种集成化产品，光响应度可达0.5A/W以上。但光波导和WG-PIN-PD集成在一起，制作工艺比较复杂。要实现光波导和光探测器的集成，国内还有一定差距。

3）圆锥光纤＋柱面透镜耦合方式，是实际可用的一种方式。先把直径9微米单模光纤熔融拉成尖锥形（锥形角为30-50度），并使其端面直径达2-3微米，然后和水平放置的柱面透镜中心对准，再和WG-PIN-PD光敏面耦合。该方式也可实现光斑变换。但它比1）耦合方式复杂一些，对准和固定较困难。

4）柱面透镜＋微球透镜耦合方式，也是实际可用的一种方式。它通过柱面透镜把圆形光斑转换为长扁形光斑；再通过微球透镜把长扁形光斑转换为圆扁形光斑，从而使发射到WG-PIN-PD光敏面上的光斑接近图形匹配和尺寸匹配。不过，调整和安装比较复杂和困难。

5）圆-扁形特种自聚焦透镜直接耦合方式和球形端面柱面透镜耦合方式，是目前设想的耦合方式，它所涉及到的光学组件尚处于计划阶段。该两种耦合方式有待于今后考虑。但它们为提高耦合效率、简化耦合工艺指出了两种可能的途径。

5 结论

40Gb/s WG-PIN-PD的光响应度是一个重要指标。提高光响应度只能通过提高光耦合效率来解决。光纤与40Gb/s WG-PIN-PD有多种耦合方式。其中楔形光纤直接耦合方式比较实用；脊形光波导耦合方式比较先进，可靠性也好，但制作工艺比较复杂。

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