楊鵬毅,汪夢瑤,姚宗影,曹狄峰

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230088;2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所,安徽 合肥 230088)

1 引 言

光纖通信具有寬帶大容量的優(yōu)勢,構(gòu)成了我國通信網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng),隨著云計(jì)算、云存儲和5G萬物互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展,光通信的基礎(chǔ)構(gòu)成單元—光模塊呈現(xiàn)逐年遞增、需求旺盛的趨勢[1-2],市場研究和咨詢公司Yole于2021年發(fā)布的光模塊研究報(bào)告顯示,2020～2026年光模塊市場預(yù)計(jì)年均增長率為14 %,并且市場收入將從2020年的96億美元增長到2026年預(yù)計(jì)將達(dá)到209億美元,2020年我國光模塊產(chǎn)量為2.74億只,在全球光模塊市場上的占比達(dá)到40 %[3]。光模塊是光通信網(wǎng)絡(luò)的核心,其性能指標(biāo)決定了光通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和可靠性[4],面對不同的應(yīng)用場景,光模塊在速率、傳輸距離和寬溫度工作范圍等呈現(xiàn)出了差異化要求[5-6]。然而,現(xiàn)有并行多路數(shù)字光模塊采用非氣密封結(jié)構(gòu),光芯片、電芯片裸露在空氣中,會因氧化而降低性能,甚至無法正常通信,在一些高可靠應(yīng)用領(lǐng)域同樣要求產(chǎn)品需具備全氣密性,本文提出了一種全氣密封并行多路數(shù)字光模塊的設(shè)計(jì)方法,用于解決現(xiàn)有并行多路數(shù)字光模塊非氣密性的技術(shù)難題,采用LTCC基板四周設(shè)置焊環(huán)、管殼設(shè)計(jì)環(huán)框的新型結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字光模塊基板與管殼的氣密焊接,從而實(shí)現(xiàn)了并行多路數(shù)字光模塊的全氣密性設(shè)計(jì)。以12路收發(fā)一體數(shù)字光模塊為例,在介紹并行多路數(shù)字光模塊設(shè)計(jì)原理、并行多路光路耦合的基礎(chǔ)上,給出了全氣密封并行多路數(shù)字光模塊的完整結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法,解決了現(xiàn)有數(shù)字光模塊非氣密封設(shè)計(jì)難題。

2 總體設(shè)計(jì)原理

以12路收發(fā)一體并行數(shù)字光模塊為例,介紹并行多路數(shù)字光模塊的設(shè)計(jì)原理,整體上包括12路數(shù)字光發(fā)射和12路數(shù)字光接收兩部分,如圖1所示。

圖1 并行多路數(shù)字光模塊設(shè)計(jì)原理

在圖1中,12路數(shù)字光發(fā)射單元的原理是12路高速差分?jǐn)?shù)字信號通過接口電路實(shí)現(xiàn)外部數(shù)字信號的輸入,阻抗匹配的功能是實(shí)現(xiàn)100 Ω信號匹配,電光調(diào)制將阻抗匹配后的12路并行數(shù)字信號調(diào)制為光信號,然后通過12路光纖陣列(Fiber Array,FA)光路耦合,實(shí)現(xiàn)12路并行數(shù)字信號的電光轉(zhuǎn)換;接收單元的原理與發(fā)射單元類似,12芯的FA接收12路已調(diào)光信號,傳輸至電光解調(diào)單元,實(shí)現(xiàn)12路光信號的解調(diào),電光解調(diào)單元輸出12路并行數(shù)字信號,經(jīng)100歐姆阻抗匹配,最終輸出12路并行高速數(shù)字信號。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 收發(fā)電路設(shè)計(jì)

收發(fā)電路的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào),是數(shù)字信號光傳輸?shù)幕A(chǔ),光發(fā)射部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的電光轉(zhuǎn)換,即將高速差分電信號轉(zhuǎn)換為光信號輸出,由激光器、激光器驅(qū)動電路和MCU控制電路三部分組成,具有工作狀態(tài)和監(jiān)視光功率輸出的功能。模塊內(nèi)部的驅(qū)動電路包括對輸出波形進(jìn)行整形的緩沖級、電光調(diào)制、靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)以及保證發(fā)射光功率和消光比穩(wěn)定的自動功率補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償電路。激光器陣列將12路數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為12路光信號,再通過FA陣列光纖實(shí)現(xiàn)光輸出,光發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 12路并行光模塊光發(fā)射設(shè)計(jì)原理

在圖2中,激光器驅(qū)動電路主要功能是為激光器提供合適的調(diào)制電流和偏置電流,采用國產(chǎn)化單路14 Gbps的VCSEL驅(qū)動器芯片,驅(qū)動芯片每一對差分輸入阻抗為100 Ω,在驅(qū)動芯片外圍有多個控制引腳,根據(jù)VCSEL激光器特性,通過I2C接口修改驅(qū)動芯片的寄存器參數(shù),分別對預(yù)加重、上升沿、全局告警進(jìn)行調(diào)制電流、偏置電流、脈寬、峰值、極性等參數(shù)的設(shè)置,如修改平均電流寄存器和調(diào)制電流寄存器,可以修改偏置電路和調(diào)制電流,最終以確保模塊工作在最佳狀態(tài)。激光器陣列采用的是中心波長為850 nm的國產(chǎn)化VCSEL激光器陣列芯片,差分信號最高傳輸速率為單路14 Gbps。

光接收電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的光電轉(zhuǎn)換,即將光信號轉(zhuǎn)換為高速差分電信號輸出,由探測器、限幅放大電路和MCU控制電路三部分組成,具有工作狀態(tài)和監(jiān)視響應(yīng)電壓輸出的功能。模塊內(nèi)部的限幅放大電路包括對輸出電信號的接收放大、整形緩沖、溫度補(bǔ)償、啟動保護(hù)等功能,并實(shí)時進(jìn)行光模塊的工作溫度、增益、輸出電平等參數(shù)的智能監(jiān)控。探測器陣列將12路光信號轉(zhuǎn)換為12路數(shù)字信號,再通過BGA電引出端實(shí)現(xiàn)差分信號輸出,光接收電路如圖3所示。

圖3 12路并行光模塊光接收設(shè)計(jì)原理

在圖3中,PIN探測器陣列芯片其單路最高速率為14 Gbps,限幅放大器一般在時鐘恢復(fù)電路和前置放大器之間,其主要功能是把前置放大器輸出的低噪聲信號放大到一個固定的信號幅度,以便于其后數(shù)據(jù)判決電路和時鐘恢復(fù)電路的工作,限幅放大器一般還提供信號丟失監(jiān)測,當(dāng)輸入信號低于閾值時,將不再檢測該信號,接收部分輸出電平為CML電平,所有的輸出信號都為差分信號,單通道最高速率高達(dá)14 Gbps。

3.2 光路耦合設(shè)計(jì)

光路耦合直接影響數(shù)字光模塊的發(fā)射光功率、接收靈敏度和信號傳輸誤碼率,12路收發(fā)一體數(shù)字光模塊發(fā)射部分采用45°FA-MT進(jìn)行光路耦合,接收部分則采用42.5°FA-MT進(jìn)行耦合,以減小光反射,提高信號傳輸質(zhì)量。光芯片與FA進(jìn)行耦合后,光信號可通過光纖進(jìn)行傳輸,光端口采用MT連接方式,便于模塊之間插拔測試。FA的作用是將產(chǎn)品內(nèi)部的激光器陣列芯片發(fā)出的光信號通過陣列光纖傳輸至產(chǎn)品外或接收產(chǎn)品外部的光信號傳輸至探測器陣列芯片光敏面。因激光器單元和探測器單元的發(fā)光窗口間距均為250 μm,為了便于激光器陣列、探測器陣列的發(fā)光窗口與FA精確對位,FA光纖陣列的接口間距同樣設(shè)計(jì)為250 μm。激光器陣列芯片與探測器陣列芯片均采用垂直共振腔面射型激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)工藝,屬于垂直腔面發(fā)射工藝,即貼裝好的激光器芯片垂直向上發(fā)光與FA尾纖近似垂直,根據(jù)光路反射原理,激光器陣列芯片和FA之間采用45°光路耦合,如圖4所示。

圖4 FA光路耦合示意圖

FA光纖端面被研磨成約45°,激光器發(fā)出的光垂直入射到光纖后在45°端面發(fā)生全反射而進(jìn)入光纖,從而實(shí)現(xiàn)光芯片與光纖的耦合。對于接收部分,FA與探測器陣列光芯片在光路上需近似垂直接收,為防止光纖端面的光路反射影響信號傳輸質(zhì)量,設(shè)計(jì)42.5°光路實(shí)現(xiàn)FA與探測器陣列芯片之間的光耦合,如圖5所示。

3.3 全氣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并行多路數(shù)字光模塊內(nèi)部使用的光芯片、電芯片均是裸芯片,裸芯片若暴露在空氣中會因氧化而降低性能,甚至失效,全氣密封裝對于數(shù)字光模塊的長期可靠性至關(guān)重要。分析數(shù)字光模塊的結(jié)構(gòu)可知,需要?dú)饷芊庠O(shè)計(jì)的主要有基板與管殼之間,管殼與蓋板之間,以及尾纖與管殼之間,其中管殼與蓋板之間采用平行封焊實(shí)現(xiàn)氣密封、尾纖與管殼之間先通過光纖金屬化,然后與金屬管殼直接焊接實(shí)現(xiàn)氣密封,而基板與管殼之間的氣密封則是數(shù)字光模塊氣密設(shè)計(jì)的核心?，F(xiàn)有同類數(shù)字光模塊基板一般采用PCB板材,因PCB無法與管殼焊接,一般采用膠封,膠封存在長期可靠性差的問題,在一些應(yīng)用領(lǐng)域也不允許使用膠封。本文提出的一種并行多路數(shù)字光模塊全氣密封如圖6所示。

圖6 全氣密封數(shù)字光模塊結(jié)構(gòu)圖

如圖6所示,全氣密封數(shù)字光模塊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括上蓋板、焊環(huán)、金屬環(huán)框、尾纖套管、光纖密封結(jié)、LTCC基板和下蓋板等,金屬環(huán)框上預(yù)置焊環(huán),預(yù)置后與上蓋板通過平行封焊焊接,實(shí)現(xiàn)模塊上蓋板與殼體的氣密封;24路尾纖設(shè)計(jì)有光纖密封結(jié),光纖密封結(jié)是通過光纖金屬化工藝將多芯FA光纖進(jìn)行金屬化鍍金并在每根光纖之間填充焊料形成的,尾纖與模塊內(nèi)部的光芯片完成耦合后,密封結(jié)與尾纖套管之間填充金錫焊料,通過金錫焊實(shí)現(xiàn)尾纖的氣密封;芯片及阻容可貼裝在LTCC基板的上表面,基板上表面四周是金屬焊環(huán),與殼體的金屬環(huán)框焊接,實(shí)現(xiàn)模塊底部的氣密封。下蓋板主要用于固定BGA電引出端,BGA電引出端用于模塊與外部輸入輸出信號的連接。全氣密封數(shù)字光模塊的外觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

在圖7中,兩路12芯的FA設(shè)計(jì)有密封結(jié),可以和管殼上燒結(jié)的光接口直接焊接,光發(fā)射和光接收采用彼此獨(dú)立的FA,可單獨(dú)分別對位耦合,減少耦合對位時相互影響。輸入輸出電信號從底部引出,產(chǎn)品設(shè)計(jì)有三角防反插定位柱,四周有4個安裝固定孔。

4 試驗(yàn)與分析

12路收發(fā)一體全氣密數(shù)字光模塊的產(chǎn)品實(shí)物如圖8所示,對產(chǎn)品的漏率進(jìn)行了測試,最大漏率(氣密性):5×10-9(P·m3·s-1),此外,對產(chǎn)品的光眼圖、電眼圖進(jìn)行了測試,如圖9所示。

圖8 12路收發(fā)一體全氣密數(shù)字光模塊產(chǎn)品實(shí)物

圖9 數(shù)字光模塊光眼圖與電眼圖測試結(jié)果

由圖9可知,數(shù)字光發(fā)射模塊的光眼圖形狀對稱,眼圖平滑,無“雙眼皮”和過沖現(xiàn)象,電眼圖開眼較大、形狀對稱,眼圖平滑,12路收發(fā)一體數(shù)字光模塊的主要性能指標(biāo)測試如表1所示。

表1 12路收發(fā)一體數(shù)字光模塊的主要性能指標(biāo)測試

5 結(jié) 論

本文以12路收發(fā)一體并行數(shù)字光模塊為例,介紹了并行多路數(shù)字光模塊的設(shè)計(jì)原理,給出了12路并行電光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方法及并行多路光路耦合設(shè)計(jì)要點(diǎn),在此基礎(chǔ)上,提出了一種全氣密封并行多路數(shù)字光模塊的結(jié)構(gòu),通過LTCC基板四周設(shè)置焊環(huán)、管殼設(shè)計(jì)環(huán)框的新型結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字光模塊基板與管殼的直接焊接,從而實(shí)現(xiàn)了全氣密封數(shù)字光模塊的設(shè)計(jì),解決了現(xiàn)有數(shù)字光模塊非氣密封問題。本文提出的全氣密封并行多路數(shù)字光模塊設(shè)計(jì)方法,不僅可以用在12路收發(fā)一體數(shù)字光模塊中,也可以用在24路、48路等不同路數(shù)的并行數(shù)字光模塊中,具有重要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義,全氣密封并行多路數(shù)字光模塊在島礁、海灘、高原等惡劣環(huán)境及高可靠應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。