光模塊中互連結構的補償設計

寧 靜，宋小平，劉成剛，余春平

(1.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205； 2.武漢郵電科學研究院，武漢 430074)

0 引 言

隨著新型互聯網技術的應用和第五代移動通信系統的發展，通信網絡中的流量呈現出爆炸式的增長，現有網絡難以滿足通信網的容量和速率快速增長的需求。光模塊作為通信網的基礎組成部分，其數據傳輸速率已經從10 Gbit/s提升至25 Gbit/s，并向著更高的傳輸速率提升。

光模塊中存在印刷電路板、管殼陶瓷件和管殼內部光電芯片的載體等多個分立元器件，金絲互連線和柔性電路板連接是光模塊中分立元器件的射頻電路之間的主要連接方式。通常情況下光模塊中射頻信號的阻抗為50或者差分100 Ω，但在射頻電路的互連處，射頻電路的阻抗不連續，造成信號的反射和信號完整性問題，會影響整個系統的電特性，從而難以提升其傳輸速率。合理的射頻電路設計能夠減小系統的傳輸損耗和反射，提升光模塊的帶寬。

1 金絲鍵合互連的容性補償結構

光模塊中的金絲互連可以簡單分為帶制冷封裝和無制冷的金絲互連。當兩個分立元器件都無制冷時，兩元件可以緊貼在一起，金絲兩件鍵合點之間間距較小，生產過程中可以采用控制金絲鍵合線的長度[1]和增加同一焊盤上金絲鍵合線的數量等方式改善金絲互連結構的射頻性能[2]。當兩個分立元器件中存在帶制冷封裝的元件(一般是帶制冷封裝的激光器芯片)時，為了保持激光器芯片的溫度穩定，使激光器芯片的波長不發生變化，帶制冷封裝的激光器芯片需要與其他元器件之間保持一定的間距，金絲鍵合線的長度隨之增加；金絲鍵合線數量的增加會增加熱傳導，增加熱電制冷器的功耗，所以為了降低功耗，通常情況下帶制冷封裝的激光器芯片的同一焊盤上只鍵合單根金絲。在這種情況下，本文提出了一種適用于單根金絲鍵合互連的容性補償結構。

金絲鍵合線模型的示意圖如圖1所示，兩個傳輸線電路之間使用金絲進行連接。金絲鍵合線的等效電路模型如圖2所示[3]，其由串聯電感L、串聯電阻R以及并聯電容C組成。

圖1 金絲鍵合線模型

圖2 金絲鍵合線的等效電路模型

串聯電感L可以表示為[4-6]

式中：l為金絲鍵合線的長度；d為金絲鍵合線的直徑；μ0為真空中的磁導率(μ0=4π×10-7H/m)；μr為金絲鍵合線的相對磁導率(μr=1)。

串聯電阻R可以表示為

式中：ρ為金絲鍵合線的電阻率；δ為趨膚深度。

并聯電容C可以表示為

式中：ε0為真空介電常數；εr為相對介電常數；A為金絲鍵合線所在微帶傳輸線焊盤的面積；h0為微帶傳輸線的介質基片的厚度。

從金絲鍵合的等效電路來看，金絲鍵合結果具有低通的性質。隨著頻率的提高，寄生電感效應的影響會明顯加劇，為了提升金絲鍵合線的高頻傳輸特性，可以適當加大鍵合處的容性分量，例如增加金絲鍵合線焊盤處的寬度，同時在焊盤與參考地之間設置第二參考地，以減小焊盤與參考地之間的距離。在三維電磁仿真軟件HFSS中建立共面波導傳輸線與金絲鍵合線模型(即具有補償結構的金絲鍵合模型)如圖3所示[7]，模型中傳輸線的基板使用Al2O3陶瓷材料，其相對介電常數為9.8，基板厚度為0.30 mm，當共面波導的線寬為0.20 mm、間距為0.18 mm時，共面波導的特性阻抗為50 Ω，金絲鍵合線的直徑為0.025 mm，跨距為0.300 mm，弧高為0.100 mm。通過在HFSS軟件中仿真，得到電容補償結構的長度為0.2 mm，寬度為0.4 mm，第二參考地與焊盤之間的距離H為0.10 mm，第二參考地的長度為0.15 mm。

圖3 共面波導傳輸線與金絲鍵合模型

無補償結構的金絲鍵合模型和具有補償結構的金絲鍵合模型的回波損耗和插入損耗對比分別如圖4和5所示。仿真結果表明，具有補償結構的模型回波損耗在0～20 GHz頻率范圍內增加了約18 dB，在更高頻率增加了7 dB以上，插入損耗減小了約0.10～0.25 dB。可見所提出的金絲鍵合處的電容補償結構能夠有效地改善傳輸特性，提高信號質量。

圖4 無補償結構和有補償結構的金絲鍵合模型的回波損耗對比

圖5 無補償結構和有補償結構的金絲鍵合模型的插入損耗對比

2 柔性電路板互連的補償結構

光模塊中另一種主要的互連方式是柔性電路板互連。在柔性電路板中，傳輸線的主要類型為微帶線，微帶線的特性阻抗Z0可表示為

式中：h為介質厚度；w為微帶線寬度；t為微帶線厚度。

柔性電路板信號線的剖面圖如圖6所示，信號線在柔性電路板的上表面，信號線焊盤和參考地設置在柔性電路板下表面。由于柔性電路板結構和制版工藝的限制，信號線焊盤和參考地間存在一定的間隙，此時柔性電路板上表面的信號線參考地發生變化，阻抗不連續，信號會發生反射。為解決現有設計中柔性電路板互連部分的阻抗失配，本文提出一種圓形補償結構，如圖7所示，圓形補償結構設置在信號線上，位于信號線焊盤與參考地間隙的上方。

圖6 柔性電路板信號線剖面圖

圖7 具有圓形補償結構的柔性電路板模型

在HFSS仿真軟件中建立柔性電路板互連模型，基層采用厚度為50.0 μm的聚酰亞胺材料，頂層和底層銅箔采用18.0 μm的壓網格銅材質制成，覆蓋膜采用厚度為12.5 μm的聚酰亞胺材料制成，傳輸線寬度為0.1 mm，傳輸線阻抗為50 Ω。在添加和不添加電容補償結構兩種情況下進行仿真驗證，回波損耗和插入損耗結果分別如圖8和9所示。仿真結果表明，具有補償結構的柔性電路板的回波損耗(在0～20 GHz頻率范圍內)增加了約17 dB，插入損耗減小了0.1 dB，表明添加電容補償結構后傳輸效果有改善。

圖8 無補償結構和有補償結構的柔性電路板的回波損耗對比

圖9 無補償結構和有補償結構的柔性電路板模型的插入損耗對比

3 實驗結果

本文為了驗證補償設計的性能，測試了具有補償結構和不具有補償結構的光發射器件光眼圖。圖10和11所示分別為室溫條件下(25 ℃)測得的具有和不具有補償結構器件的4通道25 Gbit/s光眼圖。由圖可知，具有補償結構的設計被測光發射模塊(Transmitter Optical Subassembly，TOSA)在室溫條件下，25 Gbit/s眼圖模板容限(Eye Mask Margin，EMM)在38%左右，消光比(Extinction Ratio，ER)在9.2 dB以上，不具有補償結構的被測TOSA的眼圖模板容限在32%左右，消光比在8.6 dB以上，可見具有補償結構的TOSA性能較好。

圖10 室溫條件下具有補償結構的器件的4通道25 Gbit/s光眼圖

圖11 室溫條件下不具有補償結構的器件的4通道25 Gbit/s光眼圖

4 結束語

本文提出了用于光模塊中金絲互連結構的補償設計和柔性電路板互連結構的補償設計。通過對兩種互連結構的理論分析，使用HFSS軟件對其進行建模分析，并與無補償設計的互連結構進行了對比，結果表明，具有補償結構的金絲互連線的回波損耗(在0～20 GHz頻率范圍內)增加了約18 dB，插入損耗減小了0.10～0.25 dB；具有補償結構的柔性電路板的回波損耗(在0～20 GHz頻率范圍內)增加了約17 dB，插入損耗減小了0.1 dB。在室溫條件下測試了具有補償結構的光發射器件，被測器件性能較好。本文提出的補償設計，可有效地應用于光模塊中的互連結構。