胡 婷,樂 歡,高建河,鄭慶立,汪 欽,徐紅春
(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074; 2.武漢光迅科技股份有限公司,武漢 430074)
自2019年6月工信部正式向中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通和中國廣電發(fā)放5G商用牌照以來,我國正不斷推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)度。5G超高速率、超低時(shí)延和超大連接的技術(shù)特點(diǎn)不僅提升了用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn),還推動(dòng)了人們對未來生活方式的暢想:萬物互聯(lián),智慧城市。這些應(yīng)用場景需要更大的帶寬、更高精度的時(shí)間同步以及海量連接,因此對接入網(wǎng)有更高的要求。5G建設(shè)中后期,無線接入網(wǎng)將以分布式無線接入網(wǎng)(Cloud-Radio Access Network,C-RAN)為主,從小集中向大集中演進(jìn),中大規(guī)模的C-RAN組網(wǎng)也將成為5G前傳主流場景[1-2]。為此,中移動(dòng)提出了中等波分復(fù)用(Medium Wavelength Division Multiplexing,MWDM)方案,其主要包括有源天線處理單元側(cè)的彩光模塊和無源波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)器以及分布單元側(cè)的有源WDM設(shè)備。該方案既能節(jié)約光纖資源,支持遠(yuǎn)程管控,相對有源WDM方案,其還更節(jié)約成本[3]。
中國移動(dòng)提出的25 Gbit/s MWDM方案是在粗WDM方案前6波成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,通過半導(dǎo)體制冷器(Thermo Electric Cooler,TEC)將這6波分別向左和右平移3.5 nm,從原有的6波擴(kuò)展成了12波,從而該方案可以借鑒粗WDM方案中直接調(diào)制分布反饋(Distributed Feed Back,DFB)激光器的成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工藝控制手段。本文所介紹的MWDM彩光器件,使用55 ℃時(shí)工作在中心波長的直接調(diào)制DFB芯片配合TEC進(jìn)行控溫,采用成熟穩(wěn)定的同軸封裝形式即可滿足要求。
25 Gbit/s MWDM 的光發(fā)射組件(Transmitter Optical Subassembly,TOSA)主要由固定波長DFB激光器、熱敏電阻、高頻過渡塊、背光探測器、鎢銅墊塊、TEC、晶體管外形(Transistor Outline,TO)底座、TO帽、管體和光適配器等組件構(gòu)成。
其中DFB激光器[4]為核心物料之一。隨著5G的發(fā)展和大量數(shù)據(jù)中心的建成,直接調(diào)制激光器已成為了核心光源,目前用于通信的DFB激光器直接調(diào)制速率已能達(dá)到100 Gbit/s[5]。本文選用的25 Gbit/s MWDM DFB芯片為公司自主研發(fā),基于粗WDM前6波設(shè)計(jì)了1 271~1 371 nm ±3.5 nm 12個(gè)波長通道,芯片工作溫度控制在55 ℃,支持工業(yè)級模塊需求,極具市場競爭力。
過渡塊作為激光器芯片的直接載體,是微波設(shè)計(jì)中重要的封裝過程之一。除了導(dǎo)熱功能外,還需在表面制作電路結(jié)構(gòu),考慮傳輸線設(shè)計(jì)的阻抗變換和微波模式的匹配問題[6]。本文中的高頻過渡塊設(shè)置了多個(gè)參考地平面,整體插損和回?fù)p極低,相比普通微帶線傳輸線,其具有更低的輻射損耗且更利于抑制寄生模式。
本文開發(fā)TOSA的過程主要分為兩個(gè)部分:TO和器件級開發(fā)。在TO級開發(fā)中,本文采用立式封裝形式,由于涉及兩個(gè)維度的元件貼裝及打線,工藝較為復(fù)雜,但該結(jié)構(gòu)對光路要求低,后期易于量產(chǎn)。
由于在高溫情況下,立式同軸封裝形式會(huì)使TEC的降溫能力大大下降。現(xiàn)對器件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱仿真,若環(huán)境溫度為85 ℃,固定底座底面溫度為85 ℃,TEC 施加電流320 mA,考慮DFB 芯片墊塊與兩側(cè)過渡塊之間的熱傳導(dǎo),將每側(cè)的10 根金線合在一起建立等效模型,不考慮輻射,圖1所示為器件熱仿真結(jié)果。如圖所示,器件整體溫度在59.71~93.13 ℃,支架和墊塊的溫度在59.9~67.9 ℃,芯片溫度為64.72 ℃,墊塊及管芯的溫度過高,考慮增加TEC電流來進(jìn)一步降溫,得到的仿真結(jié)果如表1所示。
表1 不同TEC電流下器件及支架墊塊的溫度范圍
圖1 TO及支架墊塊的整體溫度分布圖
由表可知,增加電流并不能顯著降低支架和墊塊的溫度。假設(shè)兩側(cè)的陶瓷墊塊與鎢銅過渡塊之間的溫差為40 ℃,那么從陶瓷墊塊經(jīng)過金線傳遞至鎢銅過渡塊的功率約為0.40 W,加上芯片的功耗為0.15 W,要求TEC制冷量超過了0.55 W。而TEC的最大制冷量為 0.55~0.91 W,此時(shí)TEC冷熱端溫度都為27 ℃。因此,金線的導(dǎo)熱使得TEC的制冷能力不足。并且激光器的熱功耗是持續(xù)加載的,TEC不斷將熱量從冷端搬運(yùn)到熱端,使熱量在底座和散熱塊部位聚集,而底座和散熱塊的熱量只能通過空氣熱對流向外散熱,熱端散熱能力有限,也使得冷端制冷能力下降。
因此在封裝設(shè)計(jì)時(shí),可以從如下3個(gè)方面來提升器件整體散熱能力:(1)用導(dǎo)熱率高的銀漿膠水[7]來貼裝TEC、鎢銅墊塊、陶瓷基板以及熱敏電阻,降低整體傳輸和接觸熱阻[8],通過選擇不同的固化劑和稀釋劑的材料和配比[9],使得膠水粘性適中,固化條件簡單易實(shí)現(xiàn),有利于量產(chǎn)工藝實(shí)行;(2)考慮減少金絲數(shù)量和長度,從而降低立柱到過渡塊的熱量傳輸;(3)在器件的熱端面使用導(dǎo)熱膏或散熱塊來加速熱端熱量的傳輸。
本文所提25 Gbit/s MWDM TOSA器件整體裝配圖如圖2所示。先進(jìn)行隔離器貼裝,由于管帽側(cè)壁較厚,可通過穿透焊將滑配管體和TO焊在一起,在第二次焊接時(shí)采用斜焊搭接焊將滑配管體和插針焊在一起。TOSA的封裝主要采用激光焊接工藝,其能瞬時(shí)加熱升溫和快速降溫,通過選擇合適的參數(shù),如脈沖能量、脈沖波形、離焦量和焊接角度等,可改善焊接質(zhì)量,提高焊接強(qiáng)度,減小殘余應(yīng)力以及減少焊后偏移[10]。
圖2 TOSA整體裝配圖
整個(gè)器件樣品完成后,對其進(jìn)行性能測試,包括光電特性、TEC溫控能力以及光眼圖測試。
5個(gè)樣品的光電特性測試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。
表2 器件樣品光電特性測試結(jié)果
由表可知,器件跟蹤誤差在1 dB以內(nèi),性能穩(wěn)定。對器件溫度循環(huán)前后TEC 交流電阻進(jìn)行測試,結(jié)果顯示其交流阻值變化率在5%以內(nèi),表明TEC未劣化,可靠性高。這5個(gè)樣品各項(xiàng)光電性能指標(biāo)都符合標(biāo)準(zhǔn),且在保證波長穩(wěn)定的情況下,器件功耗適中。
為驗(yàn)證TEC的升溫和降溫性能,現(xiàn)將器件樣品1~4分別放在環(huán)境溫度-40和90 ℃的溫箱中,給器件加40 mA的電流,逐漸增加TEC工作功率,得到如圖3所示的制熱和制冷溫差與TEC功率之間的曲線關(guān)系。由圖可知,在90 ℃的環(huán)境溫度下,TEC的最大制冷溫差為36 ℃,繼續(xù)增加TEC功率,降溫效果不明顯;在-40 ℃的環(huán)境溫度下,TEC的功率和制熱溫差幾乎成線性關(guān)系,最高可升溫120 ℃。
圖3 TEC制冷和制熱能力曲線
當(dāng)芯片在55 ℃工作在中心波長時(shí),MWDM可接受的最大波長漂移為±2.5 nm,而DFB激光器的波長容易隨溫度的變化發(fā)生漂移[11]。實(shí)際測量中,本文所用DFB激光器溫度漂移約為0.09 nm/℃。對TEC來說,能將溫度控制在30~70 ℃就能滿足要求,使波長穩(wěn)定工作。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,文中TEC完全能滿足工業(yè)使用需求。
圖4所示為兩個(gè)激光器組件樣品封裝到SFP28模塊的常溫和高低溫光發(fā)射眼圖,在25.78 Gbit/s的調(diào)制速率下,12波常溫眼圖的消光比(Extinction Ratio,ER)>3.5 dB,眼圖模板容限(Eye Mask Margin,EMM)>25%,高低溫環(huán)境下,性能略有下降,但EMM仍>20%,器件整體性能優(yōu)良,完全滿足5G前傳彩光模塊的需求。
圖4 25 Gbit/s光眼圖
本文針對5G前傳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)并制作了同軸帶制冷25 Gbit/s彩光TOSA器件,其光電特性和控溫能力都達(dá)到了預(yù)期,并且TOSA的工作帶寬也完全滿足25 Gbit/s速率的信號傳輸。同時(shí),委托可靠性實(shí)驗(yàn)室對一批樣品進(jìn)行了熱沖擊、溫度循環(huán)、低溫存儲(chǔ)、機(jī)械振動(dòng)和變頻震動(dòng)等可靠性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,TOSA的性能滿足工業(yè)應(yīng)用要求。5G前傳正在部署中,基于WDM技術(shù)的前傳方案得到了運(yùn)營商的認(rèn)可,同時(shí)如何降低成本是每種WDM方案所面臨的技術(shù)難點(diǎn)[12],相對于使用蝶形封裝的MWDM模塊,本文設(shè)計(jì)的同軸封裝器件會(huì)使模塊成本大大降低,有助于前傳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),可推進(jìn)我國的5G商用進(jìn)程。