一種基于LTCC 基板的數(shù)字光收發(fā)模塊設計*

曾永福，葛 逾

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引 言

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co_fired Ceramic， LTCC）技術(shù)是將LTCC 生瓷帶進行多層加工，并在900 ℃以下燒結(jié)制成高密度多層印制電路板的技術(shù)[1]。LTCC 基板具有集成度高、高頻高速性能好、響應快、生產(chǎn)成本低以及周期短等優(yōu)點，可被靈活應用于自動化程度較高的大批量生產(chǎn)。另外，LTCC電路板還可以采用共燒技術(shù)在LTCC 基板內(nèi)部形成電阻、電容、電感等無源元件，由此實現(xiàn)電感、電容及電阻的全部內(nèi)埋。尤其是帶腔體結(jié)構(gòu)的基板產(chǎn)品的廣泛應用，對實現(xiàn)封裝高密度化、高性能化以及對產(chǎn)品的小型化和高性價比非常有效。由于它具有諸多優(yōu)點，LTCC 技術(shù)已成為制造高速高頻器件、小型化模塊等的重要技術(shù)，甚至有取代傳統(tǒng)PCB 板技術(shù)的趨勢。

數(shù)字光模塊是目前數(shù)字光通信領域非常重要的光電器件。隨著電信業(yè)務的發(fā)展，骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)等設備的光接口，對光模塊的速度要求越來越高。與之相關(guān)，對于光模塊設計開發(fā)人員而言，需要在傳輸速度、模塊尺寸、功耗、可靠性和性價比等多方面尋求平衡。本文主要以電路印制板為著眼點，提出了一種基于LTCC 基板的光模塊設計方案，并對其進行了性能測試。

1 LTCC 技術(shù)綜述

LTCC 技術(shù)是20 世紀80 年代中期美國首先提出的集互聯(lián)、無源元件和封裝于一體的多層陶瓷制造技術(shù)。近年來，它已發(fā)展為令人矚目的整合組件技術(shù)，吸引了許多研究者，成為無源組件集成的主流技術(shù)，是無源元件領域的發(fā)展方向和新的元件產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟增長點。

LTCC 是將低溫燒結(jié)的陶瓷材料制作成陶瓷生帶，然后采用絲網(wǎng)印刷、微孔注漿、噴墨打印以及激光打孔等工藝方法，將設計好的電路圖形印刷在生瓷帶上，再將多層生瓷帶進行疊壓，在低溫下進行燒結(jié)制得高密度電路的制造技術(shù)[2]。該技術(shù)的內(nèi)外電極通常使用銅、銀、金等高導電金屬，其燒結(jié)溫度需要低于選用的導電金屬的熔點，因此通常的燒結(jié)溫度低于900 ℃[1]。LTCC 技術(shù)還可將多個無源器件或組件（如電阻器、電容器、電感器、濾波器等）置入到多層陶瓷基板中，燒結(jié)制得具有更高復雜性和集成度的電路或電路基板，并在此基礎上將基板表面貼裝集成電路或其他有源器件，制造各種無源或有源集成的功能模塊，進一步實現(xiàn)電路的小型化和集成化。

LTCC 技術(shù)制造流程較為復雜，基本流程包括原料制備、落料沖孔、線路印刷、層疊壓以及低溫燒結(jié)等[3]。

與傳統(tǒng)印刷樹脂板相比，LTCC 有許多優(yōu)點：（1）LTCC 材料具有良好的高速、高頻傳輸以及寬通帶特性，根據(jù)配料的不同，陶瓷材料的介電常數(shù)變化范圍較大、較靈活，可以得到高品質(zhì)因數(shù)的電路系統(tǒng)，也增加了電路設計的靈活性；（2）低溫共燒陶瓷基板容易內(nèi)置無源元件，既可以縮小電路尺寸，也可以減小寄生電感等寄生參數(shù)，有利于器件小型化和集成化設計，較大程度地降低了成本；（3）LTCC 材料的高頻特性更好，LTCC 技術(shù)制備的陶瓷基板介電損耗要比樹脂材料的介電損耗小，其介電損耗是用以制作印刷電路板的FR4 材料的1/3，與樹脂印刷電路板相比，低溫共燒陶瓷更適合于高頻應用；（4）LTCC 生產(chǎn)工藝易于在成品前檢查各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量，提高成品率，縮短生產(chǎn)周期；（5）LTCC 材料導熱性更好，同時具有與半導體材料能夠匹配的熱膨脹系數(shù)，可以減小集成電路等貼裝時與基板的熱應力，使得可靠性更高[4]。

2 數(shù)字光模塊原理

數(shù)字光模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，也可以由發(fā)射部分或接收部分獨立構(gòu)成數(shù)字光發(fā)射模塊或數(shù)字光接收模塊。組成框圖如圖1 所示，發(fā)射部分由激光器、激光器驅(qū)動電路以及接口電路組成。輸入的用戶信號經(jīng)過接口電路處理后用于調(diào)制激光器，激光器經(jīng)過調(diào)制后完成電光轉(zhuǎn)換，從而生成調(diào)制光信號進行傳輸。

圖1 數(shù)字光模塊組成

接收部分由光電探測器、前置放大器和主放大器組成。從光纖傳輸過來的調(diào)制光信號經(jīng)過光電探測器監(jiān)測可生成微弱的光電流即電信號。該微弱電信號經(jīng)過前置放大器和主放大器放大后，信號幅度適中，然后經(jīng)過接口電路處理后傳送給用戶。由于探測器生成的光電流極其微弱，因此目前通常的器件廠商已將前置放大器和光電探測器封裝在一起，便于信號的放大和光模塊的設計。

數(shù)字光模塊實現(xiàn)通信的原理是利用激光器的開關(guān)狀態(tài)（即有光/無光）來表征信號的高低電平，利用探測器對光信號開關(guān)狀態(tài)（即有無光電流）的監(jiān)測還原信號的高低電平。激光器發(fā)光需要一定的電流條件，稱之為閾值電流。當激光器驅(qū)動電流大于閾值電流時，激光器發(fā)光；反之，當驅(qū)動電流小于閾值電流時，激光器不發(fā)光或發(fā)極其微弱的光。數(shù)字光通信中，采用有光和無光分別代表“1”“0”電平。數(shù)字光模塊的功能就是能夠在數(shù)字電信號“1”“0”電平的調(diào)制下，驅(qū)動激光器進行有光和無光的操作，從而完成電信號的光調(diào)制。在接收部分，通過探測器生成光電流并進行多級放大后，與門限電平進行比較，低于門限電平判為“0”，高于門限電平判為“1”，完成光調(diào)制信號的解調(diào)。

3 光模塊電路設計

3.1 發(fā)射部分

前面已介紹了光模塊的發(fā)射部分是由驅(qū)動電路、激光器和接口電路組成，其中驅(qū)動電路和激光器是核心。

數(shù)字光模塊使用的激光器有很多種，如發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）和半導體激光器（Laser Diode，LD）等。LED 發(fā)射的不是激光而是輻射光，光譜范圍很寬，發(fā)光效率低，輸出功率小，一般應用在低速領域?，F(xiàn)代光通信大多使用的是半導體激光器。半導體激光器根據(jù)它的工作模式又可以分為多縱模激光器和單縱模激光器。常用的法布里-帕羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）激光器屬于多縱模激光器。單縱模激光器有分布反饋式（Distributed Feedback Laser，DFB）激光器、多量子阱（Multi Quantum Well，MQW）激光器、波長可調(diào)諧激光器以及垂直腔表面發(fā)射激光器（Vertical Carity Surface Emitting Laser，VCSEL）等，各有特點。本次設計選用的是性價比更高的1 310 nm 波長的FP 激光器。

驅(qū)動電路的好壞決定著光模塊功能和性能能否滿足設計要求。目前，國內(nèi)外有許多集成電路芯片專為激光器驅(qū)動設計，且功能較完善，非常適合光模塊的小型化設計。圖2 是MAXIM 公司的一款速率可到2.7 Gb/s 的激光器驅(qū)動芯片（max3735）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖。該驅(qū)動芯片內(nèi)部集成有激光器驅(qū)動偏置電路、自動功率控制電路以及電流檢測、輸入禁用、失效告警等安全電路。本設計的激光器驅(qū)動電路以該芯片為核心構(gòu)成[5]。驅(qū)動電路采用電阻上拉式差分驅(qū)動，使用交流耦合輸出，以提供背向匹配和更大的調(diào)制電流。

圖2 激光器驅(qū)動芯片內(nèi)部功能框

3.2 接收部分

接收部分主要由探測器、前置放大器、主放大器和接口電路組成。

光模塊中使用的光電探測器利用半導體光電效應制成。所謂光電效應是指一定波長的光照射到半導體的PN 結(jié)時，價帶上的電子吸收光子能量而躍遷到導帶，使導帶中有了電子，價帶中有了空穴，從而使P-N 結(jié)產(chǎn)生光生載流子的現(xiàn)象。在信號的光傳輸鏈路中，探測器是光接收機的核心器件。常用的光探測器主要有PIN 光電二極管和雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode，APD）。PIN 光電二極管使用簡單，工作偏壓低，對溫度不敏感，對電源要求較低，但是靈敏度一般；而APD 管則由于內(nèi)部雪崩倍增效應，具有很高的內(nèi)部增益，可以具有優(yōu)秀的靈敏度表現(xiàn)，但是需要很高的工作偏壓，且對溫度敏感，需要溫度補償電路。本設計中的探測器選用PIN 管。

放大器電路中，主放大器選用MAXIM 公司的專用限幅放大器集成電路MAX3747B。內(nèi)部主要由三級構(gòu)成，分別是輸入級、多級放大器和輸出緩沖級。主放大器具有可編程信號丟失檢測和可選擇的禁用功能，兩種功能可以結(jié)合使用，以達到信號抑制的作用。在輸入級附加有偏移校正回路，在 3.2 kHz 低頻截止。多級放大器增益約為61 dB。它的輸出緩沖級有較高的阻抗不匹配寬容度，輸出電壓穩(wěn)定為800 mVp-p[6]。

前置放大器一般選用跨阻放大器，且與探測器集成在一起。

3.3 電路原理圖

根據(jù)前述選擇的各部分器件以及電路進行原理圖設計，設計好的局部電路圖如圖3 和圖4 所示。

3.4 電路板實物

設計中，電路基板采用LTCC 基板。由于LTCC基板的脆性，易折斷。為了預防基板在調(diào)試組裝過程中過度損耗，在樣板試制時共制作基板20 塊。

LTCC 電路板實物圖如圖5 所示。

圖3 驅(qū)動電路原理

圖4 主放大器原理

圖5 TLCC 電路板實物（頂層局部）

4 性能測試結(jié)果

將電路板的元器件裝配好，參數(shù)調(diào)試結(jié)束后對其進行指標測試，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 LTCC 基板光模塊測試記錄表

發(fā)射光信號眼圖測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 光模塊發(fā)射光信號眼圖

5 結(jié) 語

通過對LTCC 基板的數(shù)字光模塊樣件的性能指標進行測試，其性能指標滿足設計要求，驗證了本文提出的基于LTCC 基板的數(shù)字光模塊設計方案的可行性。同時，設計中沒有對分立無源器件進行內(nèi)置共燒處理，所以模塊尺寸相較于傳統(tǒng)電路板工藝的光模塊并沒有太大優(yōu)化。在后續(xù)研究中，筆者將對分立器件與基板共燒的工藝進行驗證，以期在后續(xù)光模塊的超小型化設計中使用，并在傳輸速度、模塊尺寸、功耗、可靠性和性價比等方面與傳統(tǒng)工藝光模塊進行對比，以進一步研究驗證LTCC 基板在數(shù)字光模塊設計中的應用前景。