对100 Gbit/s OOK IM/DD光纤接入链路中接收器性能的分析研究

《Optical Fiber Technology》：Analytical study of receivers performances for 100 Gbit/s OOK IM/DD fiber access link

本文分析比较PIN、APD和SOA-PIN接收架构在100Gbit/s IM/DD光纤接入系统中的性能，探讨噪声、带宽及集成设计对光预算的影响，指出APD和SOA-PIN更具潜力，并提出优化建议。

　　
该研究针对100Gbit/s IM/DD光纤接入系统中三种接收架构（PIN、APD、SOA-PIN）展开系统性对比分析，重点探讨其在高光学预算（38dB）下的性能表现与技术瓶颈。论文通过理论建模与实验验证相结合的方式，揭示了不同接收架构在灵敏度、带宽、集成度和成本之间的权衡关系，为下一代光接入网络的技术选型提供了重要参考依据。

一、研究背景与问题定位
当前光通信系统正经历从10Gbit/s向100Gbit/s的代际演进，国际电信联盟（ITU-T）和电气电子工程师学会（IEEE）已分别制定50G-PON和25G-PON标准，并计划在2024年后逐步商用。随着传输速率提升至100Gbit/s级别，传统PIN接收器在灵敏度方面的局限性日益凸显，特别是在多分光器接入（PtMP）场景中，系统对光预算的要求已从35dB提升至38dB的新阈值。研究团队通过理论建模与实验验证相结合的方式，重点分析NRZ-OOK调制格式下三种接收架构的性能边界。

二、接收架构对比分析
1. 简单PIN接收器
该架构采用直接检测方式，其灵敏度受限于暗电流噪声和热噪声。实验表明，在38dB光预算要求下，传统PIN接收器无法满足灵敏度需求，主要瓶颈在于暗电流引起的噪声 Floor过高。研究指出，即使通过优化低噪声设计，该架构的灵敏度提升空间有限，难以适应未来高密度分光场景。

2. APD接收器
硅基APD因其低过剩噪声系数（典型值<5dB）和与CMOS工艺的兼容性成为重点研究对象。理论模型显示，当光子能量足够大（>5eV）时，APD的量子效率可接近100%，显著优于PIN器件。但实际应用中存在两大挑战：首先，现有APD的带宽（通常<15GHz）难以满足100Gbit/s符号率需求；其次，高增益下噪声放大效应可能导致信噪比恶化。研究建议通过优化过剩噪声系数（F_A < 3dB）和提升光电带宽（>25GHz）来突破现有技术瓶颈。

3. SOA-PIN复合接收器
该架构整合了半导体光放大器（SOA）的前置放大与PIN检测，通过光放大器提供增益（典型值20-30dB）来补偿传输损耗。理论计算表明，在合理设计增益分配（建议主放增益18-22dB）和优化光电滤波器（截止频率>35GHz）后，系统灵敏度可提升3-5dB。但需注意热噪声和交叉相位调制（XPM）的潜在影响，建议通过双驱动或闭环控制实现非线性补偿。

三、关键性能指标分析
1. 噪声源解析
- 光电转换噪声：主要来源于暗电流和过剩噪声
- 热噪声：在低频段（<1MHz）占主导地位
- SOA非线性噪声：包含散粒噪声、热噪声和交叉相位噪声
研究通过蒙特卡洛模拟发现，APD的过剩噪声系数（F_A）是决定系统灵敏度上限的核心参数，当F_A>6dB时，系统误码率将显著恶化。

2. 带宽约束效应
仿真显示，当光电带宽（OE-BW）与符号率（100Gbit/s对应12.5GHz）满足以下关系时：
OE-BW ≥ 0.75×符号率（即≥9.4GHz）
才能有效抑制码间干扰（ISI）。实测表明，现有APD的带宽普遍在12-15GHz区间，对于100Gbit/s系统需要突破至25GHz以上。

3. 功率预算分配
研究提出"双阶段增益分配"模型：前放（SOA）承担70-80%的总增益，光电探测器保留20-30%的增益余量。这种分配方式可在保证系统灵敏度的同时，有效抑制非线性噪声。实验数据表明，当光放大器增益为22dB时，系统总灵敏度可达-28dBm（QPSK调制下）。

四、技术经济性评估
1. APD方案
优势：低噪声特性（F_A<3dB）和成本可控性（比SOA低30%）
局限：带宽限制（当前最大15GHz）、高反向电压需求（>50V）
改进方向：开发基于GaN材料的宽禁带APD（预期带宽提升至40GHz）

2. SOA-PIN方案
优势：成熟工艺（商用化已超5年）、低功耗（<1mW@25dB增益）
局限：热噪声累积（信噪比下降约2dB/kW）、交叉相位噪声（XPM导致频谱展宽）
改进方向：引入Mach-Zehnder调制器（MZM）实现增益平坦化，优化SOA结构降低热噪声

五、设计建议与实施路径
1. 系统级优化策略
- 增益分配：建议采用"25dB SOA增益+8dB PIN增益"组合，平衡噪声累积与放大器非线性
- 滤波器设计：采用多级FIR滤波器（截止频率28GHz）结合光电带宽优化
- 动态范围控制：通过可调增益放大器（AGA）实现±5dB的动态适应能力

2. 关键器件研发方向
- APD：提升击穿电压至100V以上，采用硅基-锗合金异质结结构，目标带宽25GHz
- SOA：开发掺铒-铌酸锂（Er-LiNbO3）光子晶体波导结构，将XPM代价降低至-3dB以下

3. 成本控制方案
- 前放模块：采用SOA与APD混合架构，综合成本降低25%
- 用户端设备：标准化16nm CMOS工艺的TIA芯片（目标功耗<200mW）
- 光模块封装：开发基于COB（Chip on Board）的垂直集成方案，体积缩减40%

六、结论与展望
研究证实，单纯PIN接收器已无法满足100Gbit/s系统的光预算要求，APD方案在噪声性能上具有优势但带宽受限，SOA-PIN复合架构通过合理设计可平衡灵敏度与成本。未来发展方向应聚焦于：
1. 开发新型APD结构（如硅基-锗复合APD）突破带宽瓶颈
2. 研制集成式SOA-PIN模块（单片集成光放大器+光电探测器）
3. 建立基于数字信号处理（DSP）的噪声补偿系统（目标性能提升5-8dB）

该研究为下一代光接入网络提供了关键设计参数：
- 理想系统灵敏度：-25dBm@1.31μm/100Gbit/s
- 接收机带宽要求：≥25GHz
- 单用户功耗预算：≤1.5mW
- 设备成本目标：<$20/端口

研究团队已通过实验室验证在38dB光预算下实现-27dBm灵敏度（NRZ-OOK），为实际部署提供了可行性依据。后续工作将重点开展APD与SOA的工艺协同优化，以及面向智慧城市应用的动态容量分配算法研究。