埋入光纖撓性基板的光電耦合模塊設(shè)計

雷 庭， 周德儉*， 唐睿強, 陳小勇,2

(1. 桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2. 廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室， 廣西 桂林 541004)

1 引 言

撓性光電印制電路板將柔性電路與光互聯(lián)技術(shù)相結(jié)合，不僅具有撓性電路板可折疊、蜷縮、彎曲、連接活動部件及三維布線等特點，還具有光互聯(lián)高速大容量、低功耗信息傳輸?shù)奶匦?，并且具有無信號延遲與串?dāng)_、無電磁干擾等優(yōu)點[1-3]，是解決電子產(chǎn)品高密度化與高速化之間矛盾的有效方法。撓性光電印制板中，把激光器發(fā)射出的光耦合進光纖中的耦合器是高速光互聯(lián)傳輸?shù)年P(guān)鍵器件之一，其耦合效率直接影響著光信號的傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能。

2009年，韓國光電子技術(shù)研究所通過刀片切割方法制作了撓性聚合物光波導(dǎo)軟膜[4]，光路通過具有鎳銀涂層的45°反射鏡發(fā)生傳播方向的改變，光傳輸損耗為1.26 dB·cm-1，彎曲半徑為3 mm時的損耗小于2 dB，該撓性光電印制板的總互聯(lián)損耗為15 dB。2012年，CHEN等設(shè)計了4通道并行傳輸模塊[5]，采用撓性印制電路板讓光源直接和光纖非常近距離地耦合，以降低光損耗，提高耦合效率，但該PCB的制作難度以及成本非常高，工程上應(yīng)用較困難。2016年，成磊等研究了埋入光纖剛性印制板光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)與振動沖擊下的可靠性及其對耦合效率的影響[6-7]，試驗表明光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)在工作環(huán)境下不會發(fā)生破壞，并且光電耦合效率不發(fā)生顯著變化，能夠保證光傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

為了降低耦合封裝難度和制作成本，本文結(jié)合相關(guān)科研及其產(chǎn)品研發(fā)需要，針對埋入光纖的嵌入式撓性光電互聯(lián)基板設(shè)計了一種基于垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)的可分離式單路10 Gbit/s 光電耦合模塊。該模塊提高了器件的集成度，能實現(xiàn)光模塊的低成本生產(chǎn)、高效率傳輸，具有良好的耦合效果。

2 光電耦合模塊設(shè)計與分析

2.1 激光器光束特性

VCSEL憑借其高可靠性、低功耗、體積小、易集成大面積陣列等優(yōu)點[8]，廣泛應(yīng)用于光通信、光互聯(lián)等領(lǐng)域。VCSEL為面發(fā)射型激光，其發(fā)射的光束呈圓形分布，是一種高斯光速，遠場發(fā)散角在10°～20°之間，VCSEL常用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。VCSEL發(fā)出的光束在快軸方向(垂直于PN結(jié)方向)和慢軸方向(平行于PN結(jié)方向)的發(fā)散角相同，因此光束遠場具有對稱性，使得VCSEL容易與光纖耦合。

圖1 VCSEL結(jié)構(gòu)圖

2.2 耦合模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

用于光纖耦合的透鏡分為球面透鏡和非球面透鏡，實現(xiàn)光路90°改變的有45°微鏡和直角棱鏡[9]，考慮到透鏡的制作工藝、成本等因素，本文選取球面透鏡和45°微鏡。具有球面透鏡的耦合模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，上球面透鏡為準直透鏡，可以將VCSEL發(fā)射出的光線進行準直，準直后的光線被45°微鏡反射后發(fā)生90°的轉(zhuǎn)向，最后通過下球面的聚焦透鏡，縮小成合適的光斑耦合進光纖中傳輸。

圖2 耦合模塊結(jié)構(gòu)示意圖

耦合模塊結(jié)構(gòu)的初始上下球面透鏡的直徑都為200 μm，曲率半徑都先假定為200 μm。由于下球面透鏡的直徑為200 μm，為了使下球面透鏡不與耦合模塊直接接觸，所以設(shè)定45°反射鏡的垂直高度H3=300 μm，略大于透鏡的直徑。同時，為了保護球面透鏡的表面光潔性，設(shè)定D1和H2都為250 μm，其中D1的長度決定了光纖到球面透鏡的距離，H2和焊點的高度決定了發(fā)射器到球面透鏡的距離?？紤]到PCB的厚度，設(shè)定耦合模塊的高度H4=2 mm，所以H1=1.7 mm。使用Zemax軟件模擬并優(yōu)化透鏡的尺寸，仿真光路如圖3所示，優(yōu)化后得到的透鏡參數(shù)如表1所示。

表1 透鏡參數(shù)

圖3 Zemax仿真光路圖

2.3 45°全反射鏡分析

經(jīng)過耦合模塊上透鏡準直的光線經(jīng)45°全反射鏡時，只有當(dāng)入射角θi(θi=45°)大于臨界角θc，光線才會發(fā)生90°轉(zhuǎn)變。全反射時的臨界角遵循公式：

n1、n2分別代表光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)的折射率，由于耦合模塊的材料是有機玻璃(Polymethyl methacrylate,PMMA)，當(dāng)波長為1 310 nm時其折射率為1.48，根據(jù)式(1)求得其全發(fā)射角為42.5°小于入射角45°，因此光線到達這個界面時發(fā)生全反射，方向發(fā)生90°改變，從而實現(xiàn)耦合。

為了了解PMMA與空氣界面上的能量反射特征，使用菲涅爾公式研究了光能流反射率和能流透射率隨入射角變化情況：

式中，rp、tp分別代表光的振幅在兩介質(zhì)界面反射和透射時的平行分量，rs、ts則表示光的振幅在兩介質(zhì)界面反射和透射時的垂直分量。

光的強度(平均能流密度)為振幅的二次方，并且由反射和折射定律可知，反射光束與入射光束的橫截面面積相等，而折射光束與入射光束的橫截面面積之比為折射角與入射角的余弦之比，因此，能流的反射率與透射率表示為：

R=r2，(6)

圖4為能流的變化曲線，可以看出，隨著入射角度的增加，能流的反射越來越強，而折射原來越弱，并且能流的反射率與折射率之和始終為1。當(dāng)入射角為45°時，光的入射角大于臨界角，有能流反射率Rp=Rs=1，所有光波全部反射回光密介質(zhì)中，光在界面上發(fā)生全反射將不會有能量的損失。

圖4 能流變化曲線。(a)能流反射率;(b)能流折射率。

Fig.4 Energy flow curve. (a) Energy reflex index. (b) Energy refractive index.

2.4 總體結(jié)構(gòu)

整個撓性板級光電互聯(lián)鏈路如圖5所示，VCSEL和PD以球柵陣列的形式封裝在FR4基板上，然后通過光電耦合模塊和下面撓性基板中埋入的多模光纖進行信號的傳遞。

VCSEL與多模光纖之間的耦合是光互連模塊中的關(guān)鍵技術(shù)之一，光耦合的理想狀況是VCSEL發(fā)射的光能盡可能多地耦合進入多模光纖，但在實際情況中，VCSEL的光能量不可能全部進入光纖，導(dǎo)致這種情況的因素有：光纖端面的影響，VCSEL與多模光纖之間存在對準偏移。這些影響因素大多存在于光纖輸入端，而且不能避免，但是通過分析研究可盡量減少這些誤差，從而提高耦合效率。

圖5 撓性板級光電互聯(lián)鏈路示意圖

3 耦合效率分析

仿真試驗中，VCSEL激光器的輸出功率設(shè)置為1 W，利用物理光學(xué)和光纖耦合功能計算耦合器的耦合效率，得到的能量分布和耦合效率分別如圖6和圖7所示。由圖可知光纖出射的能量為0.853 5 W，耦合器的耦合效率為85.35%。

圖6 能量分布圖

在使用過程中，撓性光電互聯(lián)基板受到使用環(huán)境的影響，耦合器與光纖之間存在軸向和角向誤差，這些誤差都會影響耦合效率。使用Zemax

軟件可以分析不同誤差條件下的耦合效率，得到不同情況下耦合效率與耦合損耗的變化情況。

圖7 耦合效率圖

圖8(a)、(b)分別是x、y軸向有偏差時的耦合效率與耦合損耗曲線，從圖中可以分析出：(a)、(b)曲線分別關(guān)于x=0和y=0對稱，并且在±5 μm范圍內(nèi)，耦合效率與耦合損耗變化曲線近似不變，該范圍內(nèi)x、y的軸向偏差對耦合效率與耦合損耗的影響很?。惠S向偏差超過±5 μm時，耦合效率急劇下降，耦合損耗也呈直線增加；耦合損耗為1 dB的軸向定位容差時，x、y軸都為-10～10 μm。

圖8(c)、(d)分別為耦合效率與耦合損耗隨x、y軸角向偏差的變化曲線，對其進行分析可得：(c)、(d)曲線關(guān)于x=0和y=0對稱，呈拋物線形，表明角度偏差對耦合效率與耦合損耗的影響較為嚴重，當(dāng)耦合損耗為1 dB時，x、y軸的角向位置偏移都為-2°～2°。綜合4條曲線，角向偏差對耦合效率與耦合損耗的影響比軸向偏差嚴重。

由于x、y的軸向和角向偏差成對稱形式，因此選取x軸向和角向正偏差作為研究對象，分析它們與耦合效率/損耗之間的關(guān)系，如表2、表3所示。根據(jù)光電器件高精度組裝工藝技術(shù)要求，光電耦合模塊與光纖之間的制造誤差在x、y軸向為±10 μm，角度方向為±2°。從表2和表3可以分析得出，當(dāng)x軸向正偏差為10 μm時，耦合效率為79.82%，耦合損耗為0.98 dB；當(dāng)x軸角向正偏差為2°時，耦合效率為79.37%，耦合損耗為1.00 dB。因此，當(dāng)制造誤差最大時，光電互聯(lián)模塊的耦合效率為79.37%，耦合損耗為1.00 dB。

圖8 耦合效率與耦合損耗隨誤差變化曲線。(a)x軸方向偏差；(b)y軸方向偏差；(c)x軸角向偏差；(d)y軸角向偏差

Fig.8 Coupling efficiency and coupling loss curve. (a) Direction deviation ofx-axis. (b) Direction deviation ofy-axis. (c) Angular deviation ofx-axis.(d) Angular deviation ofy-axis.

表2x軸向正偏差與耦合效率/損耗關(guān)系

Tab.2 Correlation betweenxaxial positive deviation and coupling efficiency/loss

x軸向正偏差/μm耦合效率/%耦合損耗/dB085.350.69584.930.711079.820.981574.511.282069.761.562565.081.863060.612.17

表3x軸角向正偏差與耦合效率/損耗關(guān)系

Tab.3 Correlation betweenxaxial angular positive deviation and coupling efficiency/loss

x角向正偏差/°耦合效率/%耦合損耗/dB085.350.69184.320.74279.371.00373.981.31469.141.60563.811.95658.382.34

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種可分離式光電互聯(lián)耦合模塊。首先，對耦合模塊的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，確定了耦合模塊中各個器件的尺寸，借助Zemax軟件建立了耦合模塊的光學(xué)模型，以耦合效率最大化為目標(biāo)，使用Zemax軟件優(yōu)化模塊中自帶的正交下降法優(yōu)化耦合模塊尺寸；其次，利用Matlab軟件分析45°全發(fā)射鏡的能流反射情況，得到入射角度與能流的反射和折射變化曲線；最后，通過Zemax和Origin軟件分析了多模光纖與耦合器出現(xiàn)誤差時對耦合效率與耦合損耗的影響。試驗分析表明，理想情況下，耦合效率為85.35%；當(dāng)光纖的軸向誤差在±10 μm、角向誤差在±2°(制造誤差)范圍內(nèi)，耦合效率最低為79.37%，耦合損耗為1.00 dB。此外，該耦合模塊集成度高，耦合難度低，其設(shè)計方案及其分析結(jié)論可供高速光模塊耦合技術(shù)研究參考。