基于MWDM的25 Gbit/s TOSA設計與開發

胡 婷，樂 歡，高建河，鄭慶立，汪 欽，徐紅春

(1.武漢郵電科學研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430074)

0 引 言

自2019年6月工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通和中國廣電發放5G商用牌照以來，我國正不斷推進5G網絡建設進度。5G超高速率、超低時延和超大連接的技術特點不僅提升了用戶的網絡體驗，還推動了人們對未來生活方式的暢想：萬物互聯，智慧城市。這些應用場景需要更大的帶寬、更高精度的時間同步以及海量連接，因此對接入網有更高的要求。5G建設中后期，無線接入網將以分布式無線接入網(Cloud-Radio Access Network,C-RAN)為主，從小集中向大集中演進，中大規模的C-RAN組網也將成為5G前傳主流場景[1-2]。為此，中移動提出了中等波分復用(Medium Wavelength Division Multiplexing,MWDM)方案，其主要包括有源天線處理單元側的彩光模塊和無源波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)器以及分布單元側的有源WDM設備。該方案既能節約光纖資源，支持遠程管控，相對有源WDM方案，其還更節約成本[3]。

中國移動提出的25 Gbit/s MWDM方案是在粗WDM方案前6波成熟產品的基礎上，通過半導體制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)將這6波分別向左和右平移3.5 nm，從原有的6波擴展成了12波，從而該方案可以借鑒粗WDM方案中直接調制分布反饋(Distributed Feed Back，DFB)激光器的成熟設計經驗及工藝控制手段。本文所介紹的MWDM彩光器件，使用55 ℃時工作在中心波長的直接調制DFB芯片配合TEC進行控溫，采用成熟穩定的同軸封裝形式即可滿足要求。

1 器件概述

25 Gbit/s MWDM 的光發射組件(Transmitter Optical Subassembly,TOSA)主要由固定波長DFB激光器、熱敏電阻、高頻過渡塊、背光探測器、鎢銅墊塊、TEC、晶體管外形(Transistor Outline,TO)底座、TO帽、管體和光適配器等組件構成。

其中DFB激光器[4]為核心物料之一。隨著5G的發展和大量數據中心的建成，直接調制激光器已成為了核心光源，目前用于通信的DFB激光器直接調制速率已能達到100 Gbit/s[5]。本文選用的25 Gbit/s MWDM DFB芯片為公司自主研發，基于粗WDM前6波設計了1 271～1 371 nm ±3.5 nm 12個波長通道，芯片工作溫度控制在55 ℃，支持工業級模塊需求，極具市場競爭力。

過渡塊作為激光器芯片的直接載體，是微波設計中重要的封裝過程之一。除了導熱功能外，還需在表面制作電路結構，考慮傳輸線設計的阻抗變換和微波模式的匹配問題[6]。本文中的高頻過渡塊設置了多個參考地平面，整體插損和回損極低，相比普通微帶線傳輸線，其具有更低的輻射損耗且更利于抑制寄生模式。

2 設計開發

本文開發TOSA的過程主要分為兩個部分：TO和器件級開發。在TO級開發中，本文采用立式封裝形式，由于涉及兩個維度的元件貼裝及打線，工藝較為復雜，但該結構對光路要求低，后期易于量產。

由于在高溫情況下，立式同軸封裝形式會使TEC的降溫能力大大下降。現對器件整體結構進行熱仿真，若環境溫度為85 ℃，固定底座底面溫度為85 ℃，TEC 施加電流320 mA，考慮DFB 芯片墊塊與兩側過渡塊之間的熱傳導，將每側的10 根金線合在一起建立等效模型，不考慮輻射，圖1所示為器件熱仿真結果。如圖所示，器件整體溫度在59.71～93.13 ℃，支架和墊塊的溫度在59.9～67.9 ℃，芯片溫度為64.72 ℃，墊塊及管芯的溫度過高，考慮增加TEC電流來進一步降溫，得到的仿真結果如表1所示。

表1 不同TEC電流下器件及支架墊塊的溫度范圍

圖1 TO及支架墊塊的整體溫度分布圖

由表可知，增加電流并不能顯著降低支架和墊塊的溫度。假設兩側的陶瓷墊塊與鎢銅過渡塊之間的溫差為40 ℃，那么從陶瓷墊塊經過金線傳遞至鎢銅過渡塊的功率約為0.40 W，加上芯片的功耗為0.15 W，要求TEC制冷量超過了0.55 W。而TEC的最大制冷量為 0.55～0.91 W，此時TEC冷熱端溫度都為27 ℃。因此，金線的導熱使得TEC的制冷能力不足。并且激光器的熱功耗是持續加載的，TEC不斷將熱量從冷端搬運到熱端，使熱量在底座和散熱塊部位聚集，而底座和散熱塊的熱量只能通過空氣熱對流向外散熱，熱端散熱能力有限，也使得冷端制冷能力下降。

因此在封裝設計時，可以從如下3個方面來提升器件整體散熱能力：(1)用導熱率高的銀漿膠水[7]來貼裝TEC、鎢銅墊塊、陶瓷基板以及熱敏電阻，降低整體傳輸和接觸熱阻[8]，通過選擇不同的固化劑和稀釋劑的材料和配比[9]，使得膠水粘性適中，固化條件簡單易實現，有利于量產工藝實行；(2)考慮減少金絲數量和長度，從而降低立柱到過渡塊的熱量傳輸；(3)在器件的熱端面使用導熱膏或散熱塊來加速熱端熱量的傳輸。

本文所提25 Gbit/s MWDM TOSA器件整體裝配圖如圖2所示。先進行隔離器貼裝，由于管帽側壁較厚，可通過穿透焊將滑配管體和TO焊在一起，在第二次焊接時采用斜焊搭接焊將滑配管體和插針焊在一起。TOSA的封裝主要采用激光焊接工藝，其能瞬時加熱升溫和快速降溫，通過選擇合適的參數，如脈沖能量、脈沖波形、離焦量和焊接角度等，可改善焊接質量，提高焊接強度，減小殘余應力以及減少焊后偏移[10]。

圖2 TOSA整體裝配圖

3 實驗測試結果

整個器件樣品完成后，對其進行性能測試，包括光電特性、TEC溫控能力以及光眼圖測試。

5個樣品的光電特性測試結果匯總如表2所示。

表2 器件樣品光電特性測試結果

由表可知，器件跟蹤誤差在1 dB以內，性能穩定。對器件溫度循環前后TEC 交流電阻進行測試，結果顯示其交流阻值變化率在5%以內，表明TEC未劣化，可靠性高。這5個樣品各項光電性能指標都符合標準，且在保證波長穩定的情況下，器件功耗適中。

為驗證TEC的升溫和降溫性能，現將器件樣品1～4分別放在環境溫度-40和90 ℃的溫箱中，給器件加40 mA的電流，逐漸增加TEC工作功率，得到如圖3所示的制熱和制冷溫差與TEC功率之間的曲線關系。由圖可知，在90 ℃的環境溫度下，TEC的最大制冷溫差為36 ℃，繼續增加TEC功率，降溫效果不明顯；在-40 ℃的環境溫度下，TEC的功率和制熱溫差幾乎成線性關系，最高可升溫120 ℃。

圖3 TEC制冷和制熱能力曲線

當芯片在55 ℃工作在中心波長時，MWDM可接受的最大波長漂移為±2.5 nm，而DFB激光器的波長容易隨溫度的變化發生漂移[11]。實際測量中，本文所用DFB激光器溫度漂移約為0.09 nm/℃。對TEC來說，能將溫度控制在30～70 ℃就能滿足要求，使波長穩定工作。由上述實驗結果可知，文中TEC完全能滿足工業使用需求。

圖4所示為兩個激光器組件樣品封裝到SFP28模塊的常溫和高低溫光發射眼圖，在25.78 Gbit/s的調制速率下，12波常溫眼圖的消光比(Extinction Ratio，ER)>3.5 dB，眼圖模板容限(Eye Mask Margin，EMM)>25%，高低溫環境下，性能略有下降，但EMM仍>20%，器件整體性能優良，完全滿足5G前傳彩光模塊的需求。

圖4 25 Gbit/s光眼圖

4 結束語

本文針對5G前傳網絡設計并制作了同軸帶制冷25 Gbit/s彩光TOSA器件，其光電特性和控溫能力都達到了預期，并且TOSA的工作帶寬也完全滿足25 Gbit/s速率的信號傳輸。同時，委托可靠性實驗室對一批樣品進行了熱沖擊、溫度循環、低溫存儲、機械振動和變頻震動等可靠性實驗，實驗結果表明，TOSA的性能滿足工業應用要求。5G前傳正在部署中，基于WDM技術的前傳方案得到了運營商的認可，同時如何降低成本是每種WDM方案所面臨的技術難點[12]，相對于使用蝶形封裝的MWDM模塊，本文設計的同軸封裝器件會使模塊成本大大降低，有助于前傳網絡的建設，可推進我國的5G商用進程。