陣列寬帶集成光電收發(fā)模塊①

張志珂，劉建國，韓雪妍，趙澤平

(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083)

0 引言

寬帶光收發(fā)模塊作為光通信系統(tǒng)中的核心部件，其性能直接決定了光通信系統(tǒng)中信號的傳輸質(zhì)量。寬帶光收發(fā)模塊在光載射頻(ROF)系統(tǒng)、無線通信以及波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)中被廣泛應(yīng)用。ROF技術(shù)不僅可以解決高頻信號的傳輸問題，而且還可以有效降低基站建設(shè)的成本和復(fù)雜程度，ROF技術(shù)將傳統(tǒng)基站結(jié)構(gòu)改為分布式結(jié)構(gòu)，基站與中心站之間用光纖傳輸高頻的射頻信號，系統(tǒng)遠(yuǎn)端射頻單元直接接收來自主基站的射頻信號，由于光載波承載的是可直接通過天線發(fā)射的射頻信號，因此系統(tǒng)不再屬于傳統(tǒng)的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，而是一種模擬通信系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)只需將射頻信號直接放大后經(jīng)天線發(fā)射出去，不需要數(shù)字化處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及上變頻等操作，可大大簡化遠(yuǎn)端射頻單元結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。相比于傳統(tǒng)的數(shù)字光纖鏈路，模擬光纖鏈路對器件、模塊的性能要求更為茍刻，目前仍存在以下三方面的制約：

一是高性能寬帶光收發(fā)模塊的國產(chǎn)化，目前 ROF系統(tǒng)中所用的高性能核心器件完全依賴進口，其進一步推廣必將受到國外的限制；二是目前ROF系統(tǒng)完全采用分立式光電模塊，系統(tǒng)成本以及能耗非常高，無法滿足高質(zhì)量綠色通信的要求；三是與常規(guī)的光纖通信系統(tǒng)不同，模擬ROF系統(tǒng)所用光電子器件需要支持多制式、寬頻帶、多載波信號的傳輸，因此對低成本、高性能的模擬光收發(fā)模塊的封裝與設(shè)計提出前所未有的挑戰(zhàn)?；谏鲜鲋萍s，迫切需要實現(xiàn)寬頻帶、集成化、高性能的模擬寬帶收發(fā)組件的自主可控及集成化研制。

陣列集成化光通信模塊憑借集成化、小體積、低功耗的優(yōu)勢一直是國內(nèi)外科研工作者的研究熱點[2-3]。2014年，韓國電子通信研究院研制出一個10×10Gb/s的激光器陣列模塊，該模塊將分布反饋激光器陣列芯片、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、柔性電路板(FPCB)等元件進行混合集成，如圖1(a)所示，實現(xiàn)了邊模抑制比大于45dB，10Gb/s 速率下消光比大于4.4 dB 的性能[4]。同年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所研制出八通道的蝶形封裝直調(diào)激光器，如圖1(b)所示。該模塊每個通道的邊模抑制比均超過40dB，-3dB 帶寬均達(dá)到10GHz 以上，并實現(xiàn)了8×12.5Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸[5]。此模塊的不足之處在于射頻信號和直流偏置的傳輸路徑一樣，偏置電流需要經(jīng)過匹配電阻，從而增加了系統(tǒng)的產(chǎn)熱量和功耗。日本NTT公司在2016 年開發(fā)出一個緊湊型混合集成的光發(fā)射模塊，它是由四個電吸收調(diào)制集成分布式反饋激光器、陣列波導(dǎo)光柵、溫控電路等構(gòu)成，如圖1(c)所示。為實現(xiàn)激光器與陣列波導(dǎo)光柵間的高效耦合，在激光器芯片上集成有模斑變換結(jié)構(gòu)，模塊-3dB帶寬達(dá)14GHz，并實現(xiàn)了4×25Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸[6]。2018年，中科院半導(dǎo)體所報道了一款超緊湊，低成本的四通道發(fā)射器光學(xué)組件模塊，其內(nèi)部如圖1(d)所示。該模塊包括陣列波導(dǎo)光柵、透鏡陣列、直調(diào)激光器芯片陣列以及高頻傳輸線等，基于該模塊實現(xiàn)了總?cè)萘?12Gb/s 數(shù)據(jù)傳輸[7]。

然而，上述集成光收發(fā)模塊的研究主要是針對數(shù)字高速光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用，關(guān)注的性能指標(biāo)為傳輸速率、誤碼率、靈敏度、消光比等指標(biāo)；而針對模擬ROF系統(tǒng)等應(yīng)用的陣列集成寬帶光電收發(fā)模塊的報道較少，模擬系統(tǒng)重點關(guān)注的性能指標(biāo)是帶寬、幅度平坦度、無雜散動態(tài)范圍、鏈路增益等指標(biāo)。本文著重針對模擬通信系統(tǒng)中的光電收發(fā)模塊進行研究和性能優(yōu)化，主要研究指標(biāo)包括帶寬、幅度平坦度、無雜散動態(tài)范圍等。本文首先對介紹了陣列收發(fā)光模塊的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后重點對高頻陣列管殼、三維微波電路、光學(xué)耦合等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，最后對所研制的收發(fā)模塊進行帶寬、幅度平坦度、鏈路增益、無雜散動態(tài)范圍等性能指標(biāo)測試。

1 四通道陣列寬帶收發(fā)模塊

1.1 寬帶收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

四通道寬帶陣列光收發(fā)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過采用三維立體微波電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)陣列化混合集成。光發(fā)射模塊主要由激光器陣列芯片、三維立體微波電路結(jié)構(gòu)、雙透鏡加隔離器陣列光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)、溫控電路及高頻管殼等五大部分構(gòu)成。激光器陣列與激光器射頻電路共用一個熱沉墊塊，熱沉下裝有溫度控制器(Temperature Controller，TEC)，對激光器芯片的工作溫度進行穩(wěn)定控制。相比于光發(fā)射模塊，光接收模塊的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單一些，其不包括激光器所需要的電流驅(qū)動電路和制冷電路，光接收模塊主要由探測器陣列芯片、三維立體微波電路結(jié)構(gòu)、射頻旋轉(zhuǎn)電路、陣列光纖等四部分構(gòu)成。激光器芯片與探測器芯片微組裝間隔均為2mm；光收發(fā)模塊均采用蝶形外殼封裝結(jié)構(gòu)，體積為23mm×17mm×9.8mm；其兩側(cè)為DC引腳，為激光器提供偏置電流或為探測器提供偏置電壓，間隔為3mm；外殼前端的高頻引腳需要經(jīng)過特殊設(shè)計，用于射頻信號的輸入與輸出，收發(fā)模塊的重量約為36g，功耗分別約為0.5W。

圖2 (a)收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)組成；(b)陣列發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)示意圖；(c)陣列接收模塊結(jié)構(gòu)示意圖

對于多通道光電收發(fā)模塊的封裝設(shè)計而言，需要著重解決高頻傳輸線的密集排列所引入的串?dāng)_問題，溫度傳感控制方面的問題以及小型化與耦合占用空間相矛盾的問題。因此，需要從電學(xué)連接、溫度傳感與控制以及光學(xué)耦合等多方面進行綜合考慮，并對其進行優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)模塊功能的完整與穩(wěn)定。下面，將從管殼結(jié)構(gòu)設(shè)計、微波電路設(shè)計和光耦合設(shè)計等幾個方面詳細(xì)介紹。

1.1.1 陣列高頻管殼設(shè)計

陣列光收發(fā)模塊管殼采用多層陶瓷結(jié)構(gòu)作為信號饋入的通道，如圖3所示。陶瓷結(jié)構(gòu)共有4 層介質(zhì)板，第一層、第四層陶瓷基片上的微帶電路均采用類似共面波導(dǎo)的地-信號-地(GSG)結(jié)構(gòu)，分別作為高頻信號的輸入、輸出端口，第二層、第三層陶瓷基片則為信號傳輸提供通道，第二層陶瓷基片的上表面制備了金屬的信號電極，該電極與兩層陶瓷基片形成了類似“帶狀線”的結(jié)構(gòu)，第二層與第三層陶瓷通過金屬過孔連接。射頻信號由上/下表面?zhèn)鬏斁€輸入，經(jīng)過兩個金屬過孔和一段帶狀線，直到下/上傳輸線的對應(yīng)單元輸出。為減小阻抗不連續(xù)引起的反射，GSG、過孔、帶狀線均設(shè)計阻抗匹配，同時為實現(xiàn)接地屏蔽優(yōu)化，多層結(jié)構(gòu)中的所有地電極均通過金屬化過孔串聯(lián)到一起，從而減小了信號的泄露。對設(shè)計的穿墻結(jié)構(gòu)進行高頻特性模擬仿真，圖4顯示了穿墻結(jié)構(gòu)單元的頻率特性。由圖4可以看到，-3dB達(dá)到40GHz，但是由于反射響應(yīng)在32GHz處超過了-10dB，所以該穿墻結(jié)構(gòu)的有效帶寬也被限制在32GHz。

(a) (b)

(a) (b)

1.1.2 高頻微波電路設(shè)計

作為信號傳輸鏈路的重要組成部分，高頻電路的設(shè)計顯得尤為重要，在設(shè)計中需要考慮微波模場轉(zhuǎn)換、阻抗匹配等問題。本文研制模塊中的微帶電路基于共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用氮化鋁襯底基板，其相對介電常數(shù)為8.7。為了獲得最佳的傳輸性能，共面波導(dǎo)傳輸線需要保證特征阻抗的連續(xù)性和匹配性。共面波導(dǎo)傳輸線的特征阻抗由信號線寬度和信號線與地線之間溝道寬度的比值決定。在小型化模塊封裝中，微波電路包含射頻傳輸線和直流驅(qū)動電路兩部分，電路板可用的空間是十分有限的，因此眾多元器件的微組裝很容易引起信號串?dāng)_。在模擬光子鏈路中，通道射頻隔離度是非常重要的一個指標(biāo)。借鑒于傳統(tǒng)微波收發(fā)組件中通過物理隔離降低相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_的方案，針對所研制的光收發(fā)模塊提出了三維微波電路結(jié)構(gòu)，將電路板設(shè)計成雙層結(jié)構(gòu)。直流電路設(shè)計在上層板，射頻電路設(shè)計在下層板，將射頻信號和直流部分在物理空間上進行分離，通過這種設(shè)計可以加寬射頻信號線間的距離，從而降低信號的串?dāng)_。

(a) (b)

圖6 (a)微帶線傳輸曲線；(b)微帶線串?dāng)_測試曲線

陣列收發(fā)模塊的三維微波電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。對于光發(fā)射模塊，上層電路板上設(shè)有隔直電感，既可以過濾掉偏置電流的高頻噪聲，還有效的防止射頻信號的泄露，且直流信號不經(jīng)過匹配歐姆電阻，可以有效減少熱量的產(chǎn)生，降低器件的功耗。激光器芯片放置在下層電路板的射頻電路終端(紅色區(qū)域)，每一路射頻信號線末端串聯(lián)了匹配電阻(藍(lán)色區(qū)域)以實現(xiàn)50 歐姆阻抗匹配。對于陣列接收模塊，上層電路板為探測器芯片提供反向偏置電壓，每一路直流信號線上均串聯(lián)一個薄膜電阻，該薄膜電阻用來調(diào)節(jié)探測器芯片的靜態(tài)工作偏置點。在直流信號線正極與地電極之間通常還會并聯(lián)一個電阻，用以濾除偏置電壓中的高頻信號噪聲。下層電路板同樣為射頻過渡傳輸線，它將光電探測器產(chǎn)生的光生電流信號傳遞到管殼外部，在芯片附近設(shè)置有旁路電容，接收模塊通過并聯(lián)50歐姆電阻的形式實現(xiàn)阻抗匹配。光電芯片與射頻電路的連接以及上下電路板之間的連接均是通過金絲鍵合的方式，金絲直徑為25μm。此外，為降低通道間的信號串?dāng)_，將多路傳輸線的地線進行連接，結(jié)合側(cè)面金屬化結(jié)構(gòu)，將整個射頻傳輸線所有的地連在一起，形成“一體化共地”結(jié)構(gòu)，可以有效實現(xiàn)對電磁場的“約束”。對發(fā)射模塊的微帶線進行了傳輸性能測試，結(jié)果如圖6所示，可以看到四路傳輸線一致性良好，且-3dB帶寬均達(dá)到28GHz以上，相鄰信道間的串?dāng)_優(yōu)于-30dB。

1.1.3 光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計

光耦合，本質(zhì)上是實現(xiàn)模場在芯片與光纖之間的模式匹配，其匹配程度一般用耦合效率表征。在模擬光子鏈路中，較低的耦合效率會降低光發(fā)射器件的量子效率與光接收器件的響應(yīng)度，進而影響到發(fā)射信號的光信噪比與接收靈敏度，降低系統(tǒng)工作動態(tài)范圍。因此，高效光耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常重要。

所研制的光收發(fā)模塊中激光器芯片以2mm的間距被燒結(jié)在氮化鋁載體上形成陣列。由于激光器工作距離較大，自由度較高，調(diào)整的容忍度也高，因此采用雙透鏡加隔離器的方式進行光學(xué)耦合。對于光發(fā)射模塊，激光器在正常的工作狀態(tài)下，通過多維調(diào)控平臺控制各元件與激光器芯片的相對位置，同時對耦合輸出光功率進行實時監(jiān)測，待其達(dá)到最大值后固定各元件完成耦合過程。該耦合方案的耦合效率可以達(dá)到75%以上。對于光接收模塊，需要對每路探測器的輸出光電流進行監(jiān)測，待其達(dá)到最大值時進行點膠固化。在固化過程中，紫外燈照射的強度、時間和距離都會對光纖的最終固化強度產(chǎn)生影響。若應(yīng)力沒有充分釋放，光纖會發(fā)生偏移，此時需要再次進行三維調(diào)節(jié)找最大值，反復(fù)幾次后才能完成光纖固定。

1.1.4 激光器和探測器芯片參數(shù)設(shè)計

激光器芯片和探測器芯片是實現(xiàn)光電收發(fā)模塊的核心，采用的激光器芯片為1310波段AlGaInAs型，探測器芯片為InGaAs InP PIN垂直入射結(jié)構(gòu)，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

2 寬帶收發(fā)模塊模擬性能測試

對四通道陣列光收發(fā)模塊進行了級聯(lián)帶寬測試，利用兩個500um 間距的GSG 探針分別對激光器每個通道輸入射頻信號，同時在相應(yīng)通道探測器輸出引腳接收射頻信號，采用ROHDE&SCHWARZ ZVA40 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對收發(fā)模塊進行級聯(lián)帶寬測試，圖7(a)為級聯(lián)帶寬測試結(jié)果，收發(fā)模塊所有通道的3dB 響應(yīng)帶寬均達(dá)到18GHz以上，滿足Ku波段的需求，且具有良好的一致性。工作頻率范圍的帶內(nèi)平坦度基本都在3dB以內(nèi)。圖7(b)是測得收發(fā)模塊其中一個通道在18GHz下的背靠背和傳輸25km后的1dB壓縮點，約為19 dBm。傳輸前后，系統(tǒng)1dB壓縮點未發(fā)生明顯變化，但功率衰減較嚴(yán)重，可通過電放大器進行補償。一般情況下，1dB壓縮點隨調(diào)制頻點的增大而減小。但是，由于直調(diào)激光器諧振峰的存在，使得1dB壓縮點在諧振頻率處的值要大于在其它頻點的值。此外，對收發(fā)模塊的無雜散動態(tài)范圍進行了測試。測試中，選用的原始信號f1 和f2的頻率分別為18.03GHz 和17.97GHz，三階交調(diào)產(chǎn)物頻率為18.09GHz和17.91GHz。輸入不同電功率，分別記錄這幾個頻率下的輸出電功率，通過擬合即可得到三階交調(diào)點，如圖7(c)所示?？梢钥吹?，在18GHz 調(diào)制頻點同時頻偏30MHz 的條件下，噪底測得為 -140dBm/Hz，得到該系統(tǒng)的SFDR 為110dB·Hz2/3。對于直調(diào)模擬微波光子鏈路，系統(tǒng)的線性度主要影響因素包括：一是調(diào)制后的直調(diào)激光器由于啁啾效應(yīng)會產(chǎn)生噪聲和非線性失真，從而惡化鏈路的動態(tài)范圍；二是通過調(diào)控激光器和探測器的工作偏置點可以優(yōu)化系統(tǒng)的線性度；三是優(yōu)化探測器的響應(yīng)度、飽和輸入光功率也會提高鏈路的動態(tài)范圍和增益。

(c)

3 結(jié)論

本文給出了基于三維微波電路結(jié)構(gòu)的四通道陣列光收發(fā)模塊集成方法，并對高頻陣列管殼、三維微波電路、光學(xué)耦合等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)了四通道陣列光收發(fā)模塊的研制，其-3dB級聯(lián)帶寬均達(dá)到18GHz以上，反射損耗在DC-18GHz帶寬內(nèi)均在-10dB以下，并進行了收發(fā)模塊的線性度測試，輸入1dB壓縮點達(dá)19dBm，無雜散動態(tài)范圍為110dB·Hz2/3。光收發(fā)模塊可應(yīng)用于光載射頻無線通信系統(tǒng)、波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)等信息系統(tǒng)中，具有寬頻帶、集成化、高線性度的優(yōu)勢。在模擬系統(tǒng)鏈路中，大帶寬、高線性度、大動態(tài)范圍是光收發(fā)模塊的發(fā)展趨勢，在未來的研究工作中，除關(guān)注其工作帶寬外，需要結(jié)合其在模擬鏈路中的具體應(yīng)用，針對線性度、動態(tài)范圍、輸出功率等指標(biāo)作進一步研究。為提高信號傳輸系統(tǒng)靈敏度和信噪比，也需要開展光電芯片與其他功能芯片如半導(dǎo)體光放大(SOA)芯片、TIA 芯片、可調(diào)光衰(VOA)芯片、可調(diào)延時波導(dǎo)等芯片的混合集成研究，解決光模場匹配、能量分布等科學(xué)問題，實現(xiàn)多功能模擬器件的開發(fā)。