高速光模塊多通道光學(xué)耦合對準(zhǔn)技術(shù)研究

唐紹宇，曾 鵬，伍 穎，湯 科，陳國帥

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林）

引言

高速數(shù)字光模塊目前廣泛應(yīng)用于數(shù)字光通信系統(tǒng)，隨著AI 及移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，通信容量的需求不斷提升，通信機房里的光模塊通道數(shù)量也在不斷增加，數(shù)字光模塊產(chǎn)品封裝已經(jīng)從單通道的SFP 封裝轉(zhuǎn)變?yōu)镼SFP28 等多通道封裝形式[1-2]。在光模塊的制造過程中，光信號的輸入輸出問題是必須解決的，而要想實現(xiàn)光信號的輸入輸出，必須解決多通道的光學(xué)芯片的發(fā)光面或者接收面與陣列光纖一一耦合對準(zhǔn)。耦合對準(zhǔn)的質(zhì)量好壞直接決定了光模塊的生產(chǎn)良品率[3]。

耦合對準(zhǔn)的問題，從數(shù)學(xué)角度分析就是在多通道光學(xué)芯片裝配位置確定前提下，找到多通道光纖陣列最佳擺放位置。在尋找最佳擺放位置的過程中，不同的策略對應(yīng)不同的工裝夾具及尋優(yōu)算法，也就意味著實現(xiàn)的難易程度及實現(xiàn)成本不一樣。目前業(yè)內(nèi)主流的位置尋優(yōu)技術(shù)有手動尋優(yōu)耦合和自動化尋優(yōu)耦合兩種，借助多維的光學(xué)調(diào)節(jié)架，夾持陣列光纖，在多個空間維度不斷調(diào)節(jié)光纖的擺放位置，直至找到最佳位置停止，固定光纖從而完成真?zhèn)€光學(xué)耦合過程。

本文從光學(xué)芯片的布局、陣列光纖的設(shè)計加工和耦合尋找最優(yōu)耦合位置三個方面進行研究，介紹了多通道的光學(xué)耦合對準(zhǔn)技術(shù)，并對耦合后的效果進行測試分析。

1 多通道光學(xué)芯片布局

以4 路的高速光模塊為例，其主要由4 通道VCSEL 激光器驅(qū)動芯片、4 通道PIN 探測器驅(qū)動芯片、4 通道VCSEL 激光器和4 通道PIN 探測芯片組成。

信號發(fā)射流程：高速信號以差分的形式通過驅(qū)動芯片放大均衡后，驅(qū)動VCSEL 激光器發(fā)光，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。

信號接收流程：已調(diào)制光信號通過光接口進入模塊內(nèi)部，照射在PIN 探測器光敏面上產(chǎn)生高速光電流，經(jīng)由PIN 驅(qū)動芯片放大調(diào)節(jié)后輸出，完成光電轉(zhuǎn)換過程。

從圖1 中可以看出，電信號和光信號是分別處于光學(xué)芯片的兩側(cè)，這就決定了光學(xué)芯片的金屬電極必須朝向同一個方向。兩塊光學(xué)芯片處于同一條線上。目前業(yè)內(nèi)主流的芯片通道間距都是按250 um 作為標(biāo)準(zhǔn)，收發(fā)芯片的芯片中心距設(shè)計為1 250 um，中間間隔4 位[4-5]。多通道模塊的收發(fā)光芯片布局見圖2。

圖1 高速光模塊基本構(gòu)成圖示例

圖2 多通道模塊的收發(fā)光芯片布局

光學(xué)芯片的差分金屬電極朝向同一側(cè)，方便與驅(qū)動電芯片進行金絲互連后，從同一個方向引申出去，進行高速PCB 布線與電接口連接。

2 陣列光纖設(shè)計及制作

以4 發(fā)4 收高速模塊為例，內(nèi)部的光學(xué)芯片采用4 通道的光發(fā)射芯片和4 通道的光接收芯片，其光敏面均垂直向上。而工程上大部分的PCB 及光路布局都以水平方式為主，所以光路必須進行90°翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)垂直光和水平光的轉(zhuǎn)換傳輸。

收發(fā)光路設(shè)計見圖3。

圖3 收發(fā)光路設(shè)計

根據(jù)光學(xué)芯片的水平布局，陣列光纖采用光纖帶的方式，按250 um 間距并行排布，并采用MT-V 型槽的樣式作為完整的光學(xué)連接器，一體化設(shè)計制作。其中V 型槽作用是固定多路扁帶光纖，硅V 形槽精度要求嚴(yán)格以保證扁帶光纖250 um 的間距。目前可以采用等離子體刻蝕方法來刻蝕V 形槽，得到精度滿足使用要求的產(chǎn)品。

將陣列光纖帶放入硅V 形槽內(nèi)，蓋上玻璃蓋片將光纖固定在V 形槽中，將固定好的玻璃蓋片V 形槽和陣列扁帶光纖一起安裝至研磨機上，經(jīng)過粗磨、精磨、拋光工藝完成陣列光纖45°反射面的制作。

光纖陳列組件見圖4。

圖4 光纖陣列組件

3 光模塊最佳耦合位置實驗方法

在耦合位置尋找實驗中，芯片固定在PCB 載板上，通過金絲將光電芯片的對應(yīng)電極進行互聯(lián)，作為一個整體放置在具備6 維方向調(diào)節(jié)功能的耦合臺上。用直流電源給PCB 供電后，光電芯片開始工作。將MT-V 型槽陣列光纖連接器夾持到耦合臺的夾子上，MT 一端連接到光源和功率計，即可開展耦合實驗。

在實驗中，耦合臺的夾具可以對MT-V 型槽進行水平限位固定，所以不需要考慮角度偏差，整個耦合調(diào)節(jié)方式可以從6 維調(diào)節(jié)降為3 維調(diào)節(jié)，大大降低了耦合過程的時間及難度。

根據(jù)前面的介紹，光模塊的光學(xué)收發(fā)芯片是處在一條水平線上，收發(fā)光路可以同時進行對準(zhǔn)，并可以進行均衡操作，即可以在發(fā)射光功率和接收光電流大小之間做一個折衷處理，降低光收發(fā)芯片實際貼片位置偏差造成的影響，使得收發(fā)通道性能差距不會過大。整個耦合操作包括：初始位置設(shè)定、粗調(diào)陣列光纖位置判斷最優(yōu)的位置方向偏差大小、細(xì)調(diào)陣列光纖移動方向、達(dá)到最佳位置、固定陣列光纖。

光模塊耦合流程見圖5。

圖5 光模塊耦合流程

4 多通道耦合效果測試及分析

多通道光模塊耦合完成效果見圖6。

圖6 多通道光模塊耦合完成效果

陣列光纖在找到最佳耦合位置后，用UV 膠水將其固定在PCB 板上，讓后蓋上蓋板保護起來，防止灰塵污染光芯片表面。此時可以記錄下光模塊各個發(fā)射通道的光功率大小和接收端各個通道接收響應(yīng)度的大小。光模塊的PCB 板可以通過I2C 總線方式與上位機進行實時通信，進而監(jiān)控各個通道在耦合過程中的狀態(tài)，上位機對采用到的光功率和接收光電流進行換算顯示，并進行記錄反饋[6-10]。

多通道光學(xué)耦合測試結(jié)果見表1。

表1 多通道光學(xué)耦合測試結(jié)果

從測試結(jié)果看，固定后對整個模塊進行烘烤，光模塊的各個發(fā)射接收端性能有一定程度下降。發(fā)射端因為光芯片的光敏面比較小，約只有20 um～30 um，微小的位移偏移都能敏感得感受到，變化較為明顯。分析其中原因是由于陣列光纖采用的是UV 膠水固定方式，受到膠水固化程度及收縮率大小的影響，陣列光纖在耦合操作完成后仍然會出現(xiàn)位置偏移，所以在實際工程制造過程中，一定要保證膠水有足夠的紫外光照射時間，使其充分固化，以及進行必要的高溫烘烤過程。目前業(yè)內(nèi)主流需求是要求光功率大于等于-5 dBm，接收端響應(yīng)度0.5 A/W，從測試結(jié)果上看，耦合的收發(fā)通道數(shù)據(jù)符合目前業(yè)內(nèi)主流需求指標(biāo)要求[11-15]。

結(jié)束語

多通道光學(xué)耦合是封裝制造高速光模塊的關(guān)鍵工藝步驟，其效果的好壞直接影響光模塊的性能和成品率。本文通過分析光模塊的構(gòu)成，設(shè)計了芯片的布局方式和光路中的陣列光纖，介紹了制作方法，在此基礎(chǔ)上完成耦合工藝設(shè)計，利用耦合調(diào)節(jié)臺將6 維調(diào)節(jié)降低至3 維調(diào)節(jié)，快速通過粗調(diào)、細(xì)調(diào)X，Y，Z 方向找到最佳耦合位置，完成耦合。最后通過測試分析，所制作的光模塊耦合數(shù)據(jù)滿足業(yè)內(nèi)主流需求指標(biāo)要求。