成璇璇,趙建宜,肖 希,李淼峰,王 磊,張 博,石 川,胡蕾蕾,蔡 敬

(1.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430074；2.國家信息光電子創(chuàng)新中心，武漢 430074)

0 引 言

隨著光通信的快速發(fā)展，光纖傳輸?shù)娜萘客辉?，對密集波分?fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理和調(diào)度靈活性要求也在不斷提高，可調(diào)激光器(Tunable Tramsmitter Optical Subassembly, TTOSA)在5G[1]網(wǎng)絡(luò)中將會有廣泛應(yīng)用。目前主流商用的可調(diào)諧光源主要有3種方案：(1)分布反饋(Distributed Feed Back，DFB)陣列方案；(2)外腔方案；(3)馬赫曾德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)和布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector，DBR)單片集成方案。DFB陣列方案多采用多模干涉器或微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electromechaniacl System,MEMS)進(jìn)行波長選擇，多模干涉器會增加10 dB的損耗，這將會大大提高器件的整體功耗，而MEMS驅(qū)動電路較復(fù)雜，需要引入更多的硬件電路控制。外腔方案體積較大，無法實(shí)現(xiàn)小型化及集成化封裝。因此從器件集成化、功耗以及成品率考慮，本文將著重對25 Gbit/s基于硅光混合集成TTOSA的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，從DBR激光器、硅光調(diào)制器以及其組件的研制3個方面進(jìn)行介紹。所研制的TTOSA發(fā)射組件采用了自研的DBR激光器和硅光調(diào)制器芯片混合集成封裝，并利用光路折疊的設(shè)計，節(jié)省了封裝尺寸，使得可調(diào)器件滿足小型可熱插拔光收發(fā)一體模塊(Small Form-factor Pluggable, SFP)SFP28模塊的封裝要求。在波長控制單元，采用膠合方案的標(biāo)準(zhǔn)具與TTOSA配合使用時，能夠不采用半導(dǎo)體制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)[2]進(jìn)行溫度控制，降低模塊功耗。因此該器件的開發(fā)和研制為提高TTOSA的成品率、降低芯片的開發(fā)難度做出了有益的貢獻(xiàn)。該技術(shù)既打破了國外技術(shù)壁壘，也為高端器件國產(chǎn)化積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 TTOSA芯片研制

為實(shí)現(xiàn)寬波長調(diào)諧范圍，自研芯片采用InGaAsP應(yīng)變量子阱作為有源區(qū)材料，通過應(yīng)變調(diào)控及量子阱厚度等參數(shù)優(yōu)化，增大增益譜覆蓋范圍，為芯片在C波段提供足夠的增益能力。

在波長調(diào)諧部分，芯片采用兩個取樣周期略有不同的取樣光柵組成反射鏡及諧振腔，利用游標(biāo)效應(yīng)增強(qiáng)波長調(diào)諧范圍。由游標(biāo)效應(yīng)原理可知，由前后光柵構(gòu)成的諧振腔自由光譜范圍(Free Spectrum Range,FSR)由如下公式?jīng)Q定：

(1)

式中，Δλf和Δλb分別為前后取樣光柵的梳狀反射峰間距。由式(1)可知，增大各自反射峰間距及縮小前后光柵反射峰間距差都可增大FSR，實(shí)現(xiàn)更大的波長調(diào)諧范圍[3]。但上述兩個參數(shù)也不可隨意增大，過大的反射峰間距會使得光柵調(diào)諧所需電流過大，從而產(chǎn)生較高的額外波導(dǎo)附加損耗，劣化芯片的功率性能。而過小的前后光柵反射峰間距會導(dǎo)致諧振腔次模與主模反射率差別過小，劣化芯片的光譜質(zhì)量，因此需要權(quán)衡選擇。在本文中，取樣光柵梳狀反射峰分別采用6.5及7.0 nm的波長間隔，實(shí)現(xiàn)了85 nm左右FSR，可覆蓋整個C波段，同時兼顧功率劣化和光譜劣化特性。圖1所示為FSR譜線圖。

圖1 FSR譜線

圖2所示為研制的TTOSA芯片性能圖。如圖2(a)所示，不同顏色曲線分別對應(yīng)不同的波長范圍，由圖可知，全波段范圍內(nèi)邊模抑制比>40 dB。如圖2(b)所示，波長調(diào)諧范圍為1 528～1 568 nm，覆蓋了整個C波段。如圖2(c)所示，曲線從下到上代表不同器件功率隨增益電流的變化，由圖可知，TOSA芯片全波段閾值<35 mA。如圖2(d)所示，曲線從下到上依次代表不同器件出光功率隨半導(dǎo)體放大器電流的變化，由圖可知，其出光功率>40 mW。以上這些芯片指標(biāo)為組件研制提供了有力保證。

圖2 TTOSA芯片性能

2 硅光調(diào)制器芯片研制

近年來，基于微電子工藝平臺的硅基光電子技術(shù)可最大限度地發(fā)揮微電子先進(jìn)成熟的工藝能力和大規(guī)模集成制造的成本優(yōu)勢。硅光子芯片在低成本、高集成度和高可靠性等方面優(yōu)勢顯著，已成為光通信器件的主要選擇之一，并取得了廣泛的商業(yè)應(yīng)用[4]。綜合考慮成本、可靠性和芯片自主可控等因素，模塊所采取的調(diào)制器方案即為硅光MZM。硅光MZM芯片主要由MZM調(diào)制區(qū)、監(jiān)控光探測器(Monitor Photo Detector，MPD)單元、熱調(diào)相移器單元和光纖耦合器單元幾個部分組成。調(diào)制器有源區(qū)部分為了使帶寬得到優(yōu)化采用了推挽驅(qū)動的電學(xué)結(jié)構(gòu)，另外，考慮到帶寬和消光比的權(quán)衡，整個調(diào)制器有源區(qū)長度選擇為2.5 mm。行波電極部分為了獲得較高的阻抗并同時保持電光速度匹配，采用了慢波電極的設(shè)計結(jié)構(gòu)。為了方便耦合工藝制作和模塊偏置點(diǎn)控制，在調(diào)制器的芯片輸入輸出部分都加入一個用于光功率監(jiān)控的MPD。調(diào)制器芯片的輸入輸出部分采用基于模斑變換的端面耦合器。芯片的傳輸(S11)和反射(S21)實(shí)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 調(diào)制器芯片傳輸和反射特性圖

3 TTOSA和硅光調(diào)制器芯片光學(xué)系統(tǒng)的耦合設(shè)計

TTOSA光學(xué)系統(tǒng)主要由TTOSA芯片、透鏡、隔離器、分光片、調(diào)制器芯片和光透鏡組成，其實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 器件實(shí)物圖

為了減小器件的封裝尺寸，采用了光路折疊結(jié)構(gòu)，通過一組45 °的反光片將激光器的光耦合進(jìn)接收器，如圖5所示。

土壤是種子生根發(fā)芽的重要基礎(chǔ)條件，但依據(jù)多樣化的傳播形式，隨機(jī)掉落至地面之上。很多種子在適合的環(huán)境中生產(chǎn)，植被逐漸的狀態(tài)，但也有很多種子掉落至比較惡劣的環(huán)境之中，在土壤中逐漸消亡，在此，仍有一部分種子會處于休眠狀態(tài)中，被稱之為土壤種子庫。很多動物以種子為食，在環(huán)境要素與生物要素影響下，部分種子萌芽，部分種子消亡，很多休眠中的種子成為了植被恢復(fù)更替的內(nèi)在動力。質(zhì)量比較小的種子具有持久種子庫的優(yōu)勢。因此，植被在種子階段時，種子庫為植被的恢復(fù)與更新創(chuàng)造了良好的條件，長期保存著種子的活力，并在適宜的環(huán)境中發(fā)揮其生態(tài)意義。

圖5 激光器與調(diào)制器之間的耦合設(shè)計

如圖6所示，調(diào)制器芯片輸出端經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直耦合進(jìn)入光口。光口透鏡現(xiàn)使用的是日本公司的一款聚焦透鏡,針對光口透鏡設(shè)計了耦合方案，光束經(jīng)過準(zhǔn)直后光斑半徑為196 μm,雙透鏡放大倍率為-1.257。

圖6 光口透鏡和調(diào)制器輸出端透鏡光路分析

4 波長鎖定設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)具是由兩塊平板玻璃或石英板構(gòu)成的一種干涉儀。以石英標(biāo)準(zhǔn)具為例，標(biāo)準(zhǔn)具端面鍍有具有特定反射率的反射膜，兩端面相互平行，端面間形成平行平面的介質(zhì)層，光束在這兩個鍍膜端面介質(zhì)層間來回反射，形成與光束波長有關(guān)的干涉光譜圖[5]。標(biāo)準(zhǔn)具透射光譜曲線滿足下式：

(2)

式中：P(λ)為標(biāo)準(zhǔn)具透射光譜曲線[4]，λ為波長；F為精細(xì)度系數(shù)，F(xiàn)=4R/(1-R)2，R為端面反射率；thita為光束在標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)單次反射的相位變化，

(3)

式中：nt為標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)的材料折射率；d為標(biāo)準(zhǔn)具的厚度(即標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)兩個端面之間的距離)；phi為標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)光束的反射角度。

由sellmeier色散公式可知，波長λ與折射率n的關(guān)系滿足下式：

(4)

式中，sqrt為平方根運(yùn)算。

由康寧提供的折射率變化與溫度的關(guān)系可知：

(5)

式(4)和(5)中：A1～A3、B1～B3和C1～C4均為已知系數(shù)；dn為溫度變化dt時折射率的變化率(相對于20 ℃的情況下，即n=20 °)。

(6)

由式(4)～(6)可得到特定波長在特定溫度下的折射率。

(7)

(8)

式中，m為整數(shù)時，通過式(3)可得到標(biāo)準(zhǔn)具峰值透射波長λ*(以下可簡稱峰值波長)，λ*滿足式(9)。由式(8)和(9)可得，λ*與標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)光束的反射角度phi的關(guān)系為

(9)

由干涉原理可知，多光束間相位差為2mπ時，前向傳輸為標(biāo)準(zhǔn)具峰值透射波長λ*，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，由式(7)和(8)可知，石英材料折射率nt會發(fā)生變化，其熱光系數(shù)εSiO2=dn/dt≈9×10-6/℃ @20 ℃。nt發(fā)生變化，λ*也發(fā)生變化[6]。本文中以d=2 mm，R=30%，m=3 732為例，λ*與溫度的關(guān)系系數(shù)為1.25 GHz/℃。當(dāng)溫度不變時，改變標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)光束的反射角度phi也能改變λ*，λ*與cos(phi)呈線性關(guān)系。

標(biāo)準(zhǔn)具材料折射率隨溫度發(fā)生變化，對應(yīng)λ波長光的相位發(fā)生變化，導(dǎo)致λ*發(fā)生變化。為了補(bǔ)償石英材料的折射率變化(熱光系數(shù)為正數(shù))，我們可選擇熱光系數(shù)為負(fù)數(shù)的玻璃材料與石英材料膠合在一起，補(bǔ)償溫度變化時石英材料帶來的相位的變化。保持對應(yīng)λ波長光的相位在不同溫度下不變，即可保證FSR光譜不發(fā)生漂移，標(biāo)準(zhǔn)具峰值透射波長λ*不發(fā)生變化，達(dá)到溫度補(bǔ)償效果。圖7所示為材料折射率與溫度的關(guān)系圖。

圖7 材料折射率與溫度的關(guān)系

本文中選用D-FK61作為設(shè)計方案說明，D-FK61熱光系數(shù)為負(fù)數(shù)，εD-FK61=dn/dt≈-9×10-6/℃@20 ℃。

在溫度為20 ℃時，設(shè)計膠合方案的標(biāo)準(zhǔn)具。設(shè)石英厚度為d1，D-FK61厚度為d2。

(10)

式中，nSiO2和nD-FK61分別為20 ℃時石英和D-FK61的折射率，此處取d=2 mm，設(shè)計膠合標(biāo)準(zhǔn)具與上文石英標(biāo)準(zhǔn)具FSR一致的標(biāo)準(zhǔn)具。

(11)

當(dāng)溫度發(fā)生變化時，兩種材料折射率帶來相位的變化量相抵消，消除了相位變化造成的標(biāo)準(zhǔn)具波長的漂移。由式(10)和(11)求得d1和d2大小，并計算膠合標(biāo)準(zhǔn)具FSR。由d1和d2數(shù)據(jù)繪制膠合標(biāo)準(zhǔn)具FSR光譜圖，如圖8所示，本文膠合方案與2 mm的石英標(biāo)準(zhǔn)具FSR光譜圖完全一致。但石英標(biāo)準(zhǔn)具在溫度為-20～60 ℃時，波長漂移約0.8 nm，而經(jīng)雙膠合設(shè)計補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)具，其波長漂移約0.02 nm，后者波長漂移量降低了一個數(shù)量級。

圖8 兩種標(biāo)準(zhǔn)具FSR光譜圖對比

經(jīng)過溫度補(bǔ)償方案設(shè)計的雙膠合方案標(biāo)準(zhǔn)具，波長對外界溫度變化敏感度小，漂移量小。對比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)計方案，均采用融石英標(biāo)準(zhǔn)具或空氣標(biāo)準(zhǔn)具的方案，并配合TEC進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)波長鎖定的目的，一般波長精度可控制在0.02 nm范圍內(nèi)。而本設(shè)計在不采用TEC溫度控制的情況下實(shí)現(xiàn)了波長控制，簡化了控制電路和封裝尺寸，并且其精度與帶TEC控制的方案達(dá)到同一水平。圖9所示為兩種標(biāo)準(zhǔn)具波長漂移對比圖。

圖9 兩種標(biāo)準(zhǔn)具波長漂移對比

膠合標(biāo)準(zhǔn)具兩種材料通過紫外膠粘接膠合固化，膠合面鍍有增透膜，增透膜減小了兩種材料的直接折射率不匹配問題，降低了端面菲涅爾反射。

隔離器由兩個起偏器及法拉第晶體膠合組成，外部有磁環(huán)。也可根據(jù)光路偏振態(tài)設(shè)計需要，在隔離器第2個起偏器后面膠合一塊半波片。隔離器起到對光路單向傳輸?shù)淖饔?，防止后面光路回反光反射進(jìn)入TTOSA，影響激光器工作。隔離器鍍有增透膜，用以減小光線反射。

5 TTOSA射頻分析

射頻設(shè)計是高速封裝設(shè)計的關(guān)鍵，將直接影響器件的高頻性能指標(biāo)。在設(shè)計時對管殼、高頻過渡塊和軟帶等元件的回波損耗、插入損耗、串?dāng)_和時域反射[7]等參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格仿真。圖10模擬了芯片在芯片載體(Chip on Carrier，COC)上、管殼和軟帶級聯(lián)情況下的回波損耗、插入損耗和時域反射性能，得出在40 GHz頻率范圍內(nèi)，回波損耗在-15 dB以內(nèi)；插入損耗3 dB之內(nèi)的帶寬可以達(dá)到40 GHz；時域反射在50 Ω±10%范圍內(nèi)，但在金絲建合區(qū)域存在阻抗失配，在工藝中可通過控制金絲建合的數(shù)目、跨度和角度來減小金絲建合對射頻系統(tǒng)阻抗匹配的影響。

圖10 芯片在過渡塊上、管殼和軟帶級聯(lián)時回波損耗、插入損耗和時域反射性能

6 TTOSA特性

在室溫(25 ℃)條件下對TOSA的25 Gbit/s眼圖、帶寬和波長特性進(jìn)行了測試。由圖11可知，25 Gbit/s眼圖模板容限(Eye Mask Margin,EMM)均在30%以上，消光比(Extinction Ratio,ER)在7.5 dB以上?？梢姡撈骷诔叵滦阅軆?yōu)良。

圖11 常溫下25 Gbit/s光眼圖

為了更全面地檢測TTOSA高低溫性能，分別測試了環(huán)境溫度為0和70 ℃下25 Gbit/s的光眼圖。為保證器件良好的散熱性，在設(shè)計時選用了導(dǎo)熱系數(shù)較高的鎢銅材料作為基板，同時在高頻過渡塊上下基板密集排布過孔，通過孔內(nèi)填鎢技術(shù)實(shí)現(xiàn)上下表面連通，增加器件的熱傳導(dǎo)面積。通過一系列的優(yōu)化設(shè)計，保證了器件在高低溫下的射頻性能。如圖12所示，EMM和ER在0～70 ℃溫度范圍內(nèi)較為穩(wěn)定，達(dá)到了業(yè)內(nèi)同類先進(jìn)水平。

圖12 高低溫下25 Gbit/s光眼圖

7 結(jié)束語

本文提出了一種基于硅光調(diào)制器混合集成的25 Gbit/s TTOSA,從芯片研制和組件研制兩個方面進(jìn)行了介紹,并結(jié)合光路設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)具、射頻分析和性能方面進(jìn)行了展示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此TTOSA完全滿足SFP28封裝形式和IEEE 802.3ca[8]協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的水平。該組件的成功研制打破了國外企業(yè)在可調(diào)器件研制方面的壁壘，對提高國內(nèi)光器件制造商競爭力具有積極地推動作用，且已具備一定的量產(chǎn)能力，有望在DWDM系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。