一種并行多路數(shù)字光模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器芯片,驅(qū)動(dòng)芯片每一對差分輸入阻抗為100 Ω,在驅(qū)動(dòng)芯片外圍有多個(gè)控制引腳,根據(jù)VCSEL激光器特性,通過I2C接口修改驅(qū)動(dòng)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(dòng)保護(hù)等功能,并實(shí)時(shí)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(shí)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(gè)固定的信號幅度,以便于其后數(shù)據(jù)判決電路和時(shí)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(shí),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。現(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(shí)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(gè)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。