100G QSFP28 CWDM4 光發(fā)射組件的研究

陶宏偉，孫莉萍

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；2.武漢光迅科技股份有限公司，湖北武漢 430074）

隨著云計算與大數(shù)據(jù)等物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的商用化，在數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)牧髁亢蛶挸尸F(xiàn)指數(shù)級的增長趨勢，根據(jù)知名光通信市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Light Counting 的統(tǒng)計，2019 年使用到數(shù)據(jù)中心的光模塊超過了5 000 萬只，預(yù)測在2021 年使用到整個數(shù)據(jù)中心的光模塊市值有望達(dá)到49 億美元，這無疑將是數(shù)據(jù)中心光模塊快速發(fā)展的一大契機(jī)。其中基于IEEE 802.3cd 協(xié)議的100G QSFP28 CWDM4 光模塊由于高速率及低功耗等優(yōu)點(diǎn)被大量地應(yīng)用于華為、阿里等公司的數(shù)據(jù)中心，為了順應(yīng)數(shù)據(jù)中心光模塊價格低、功耗小、速率快、信道密度高和生命周期短等發(fā)展要求[1]，文中將著重研究組成該光模塊的核心100G QSFP28 CWDM4光發(fā)射組件（Transmitter Optical Subassembly，TOSA）的關(guān)鍵技術(shù)[2-4]。

1 TOSA光學(xué)系統(tǒng)的分析

1.1 兩種波分復(fù)用方案的分析

如圖1 所示，圖1（a）為100G QSFP28 CWDM4 光發(fā)射組件基于空間光合波的方案，該方案的整體組件主要包括：半導(dǎo)體激光器芯片、準(zhǔn)直透鏡、介質(zhì)薄膜濾光片（Thin Film Filter，TFF）、光路轉(zhuǎn)折棱鏡、隔離器、匯聚透鏡、光纖適配器組件、封裝管殼、柔性電路板及單模光纖。

該方案的發(fā)射原理如下：半導(dǎo)體激光器通過柔性電路板連接外部電路從而驅(qū)動發(fā)光，發(fā)射的四道高斯光束通過4 個準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行光束的整形，整形完成后四道不同波長的光束通過薄膜濾光片進(jìn)行合波，形成一道光束，該光束通過匯聚透鏡的再次整形與單模光纖的數(shù)值孔徑相匹配，最終通過光纖適配器組件進(jìn)入單模光纖。該方案的光發(fā)射組件使用了BOX 封裝，氣密性較好，器件可靠性高；在耦合工藝上使用了雙透鏡方案，所以整體光路比較長，能夠容下足夠多的光學(xué)元件。該方案的缺點(diǎn)有：在生產(chǎn)過程中耦合工藝復(fù)雜、封裝周期長，導(dǎo)致投入的成本較高[5-6]。

圖1（b）為基于陣列波導(dǎo)光柵（Array Waveguide Grating，AWG）合波的方案，該方案的整體組件包括：陶瓷基板、半導(dǎo)體激光器芯片、匯聚透鏡、陣列波導(dǎo)光柵、隔離器、單模光纖等。

圖1 兩種合波方案光發(fā)射組件結(jié)構(gòu)

該方案的發(fā)射原理如下：通過鍵合金線使半導(dǎo)體激光器與外部電路結(jié)構(gòu)連接，激光器驅(qū)動后發(fā)射四道高斯光束，光束通過匯聚透鏡整形后（主要與AWG 的模場相匹配），四道光束通過光學(xué)波導(dǎo)進(jìn)行合波，最終合波光束進(jìn)入單模光纖。該方案的主要優(yōu)勢如下：

1）采取板上芯片（Chip On Board）COB 封裝的形式，光發(fā)射組件通過鍵合線與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB)鍵合[7]，代替?zhèn)鹘y(tǒng)方案使用焊錫連接柔性電路板與PCB 板，在模塊的組裝生產(chǎn)出現(xiàn)故障時，拆解及修理難度大幅度降低；

2）使用單透鏡耦合方案，光路結(jié)構(gòu)短小緊湊，能夠有效減小TOSA 的尺寸；

3）使用的光學(xué)元件較少，便于在生產(chǎn)過程中快速定位失效原因；生產(chǎn)封裝周期快，產(chǎn)出量能夠大幅度提升。

通過比對兩種合波方案，雖然基于TFF 合波的方案可靠性高、耦合損耗小，但是該方案的光路復(fù)雜、生產(chǎn)成本高；而基于AWG 合波的方案雖然損耗較大，但是通過對光學(xué)元件進(jìn)行選型，對光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，TOSA 的成品是能夠符合IEEE802.3cd 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，為100G QSFP28 CWDM4 模塊低成本化提供了一條路徑[8-10]。

1.2 透鏡耦合系統(tǒng)搭建及容差分析

文中研究的是基于AWG 波分復(fù)用方案的光發(fā)射組件，其中，光路結(jié)構(gòu)是使用單透鏡方案。通過確定透鏡以及半導(dǎo)體激光器的選型，文中使用Zemax軟件進(jìn)行透鏡耦合光路的仿真[11-12]，仿真結(jié)果如圖2所示。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了減小反射，AWG 接收光端面有8°角的拋光，為了補(bǔ)償這8°角，LD 出光點(diǎn)會比AWG 波導(dǎo)高30 μm，在此基礎(chǔ)上對光學(xué)系統(tǒng)耦合效率進(jìn)行優(yōu)化，最終得到系統(tǒng)耦合效率為0.991，接收器耦合效率為0.874，光纖耦合效為0.866，其中光纖耦合效率等于系統(tǒng)耦合效率與接收器耦合效率的乘積。根據(jù)光纖耦合效率為0.866，說明整個光路的最低耦合損耗為0.62 dB，此時光路總長度LD 端面到AWG 端面的距離為1.31 mm，其中，LD 到透鏡距離為167 μm，AWG 到透鏡的距離為643 μm。

圖2 單透鏡耦合系統(tǒng)仿真

在實(shí)際生產(chǎn)制造中，由于工藝限制，LD、透鏡、AWG 的位置不是完全固定的，導(dǎo)致耦合效率不可能是最佳的，所以進(jìn)行容差分析是光路設(shè)計時必須考慮的問題。文中通過對透鏡的容差進(jìn)行一系列分析，得到了相應(yīng)的工藝精度以及設(shè)備的允許誤差范圍，耦合效率如圖3 所示。

圖3 透鏡耦合效率

由容差結(jié)果分析，透鏡的耦合效率對光軸方向的位移比較不敏感，2.8 μm 級別的移動，光功率僅下降了1 dB；而在水平或者高度方向平移0.3 μm 透鏡耦合效率就會下降1 dB，繞垂軸或水平方向透鏡角度旋轉(zhuǎn)0.07°光功率也會下降1 dB。所以在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行光路調(diào)試時，只需要調(diào)整透鏡軸向、水平、高度方向這3 個維度就可以實(shí)現(xiàn)光路耦合，但是需要先調(diào)好水平、高度兩個方向再調(diào)整軸向光路；透鏡耦合完成后進(jìn)行膠水固化時，通過透鏡高度方向以及角度旋轉(zhuǎn)的容差數(shù)據(jù)分析，膠水的高度收縮應(yīng)小于0.3 μm，角度偏移應(yīng)在0.07°以內(nèi)。

2 TOSA射頻分析

射頻設(shè)計是高速封裝設(shè)計的關(guān)鍵，射頻設(shè)計的優(yōu)劣將直接影響到器件的整體性能指標(biāo)，文中研究的TOSA 以NRZ 調(diào)制方式工作速率為25 Gb/s，激光器芯片貼裝在LD 基板上，然后以金絲鍵合的方式與PCB 形成電連接，所以在鏈路中需要傳輸高頻信號的有LD 基板和金絲線。對于LD 基板，為了與PCB板阻抗匹配，它的傳輸特性阻抗設(shè)計為單端25 Ω或者差分50 Ω；由趨膚效應(yīng)可知，對于1 mm 長的金絲，在高頻下的電感為0.8 nH，與負(fù)載電阻一起會形成低通濾波器，從而阻止高頻信號的傳輸，其截止頻率f=R/2πL，所以對于20 GHz 信號，要求電感L≤R/πf，即L≤0.398 nH，換算成金絲線長度L=0.497 5 mm。所以，通過縮短金絲長度或者并聯(lián)多根金絲，可以降低寄生效應(yīng)，從而減小金絲對射頻系統(tǒng)阻抗匹配的影響[13]。

3 TOSA特性分析

3.1 PIV測試與光譜測試

實(shí)驗(yàn)過程中的環(huán)境條件為25 ℃，在此條件下進(jìn)行基于AWG 合波TOSA 的光電特性檢測，主要包括PIV 測試和光譜測試。PIV 測試主要是篩選器件的P-I、V-I、Im-I特性曲線，其中P是單通道光功率，I是激勵電流，V是正向電壓，Im是背光電流。光譜測試是通過光譜儀進(jìn)行光發(fā)射組件的中心波長、邊模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio，SMSR）等參數(shù)的測量。首先搭建測試系統(tǒng)如圖4 所示，該測試系統(tǒng)使用光分路器將出射的激光分為兩部分，分別接入PIV 測試系統(tǒng)和光譜儀中，由此實(shí)現(xiàn)同步測試。

圖4 PIV測試與光譜測試系統(tǒng)

系統(tǒng)使用軟件程序控制電流源、皮安計、電開關(guān)等儀器，來進(jìn)行自動化測試和數(shù)據(jù)搜集。整體的測試原理：通過設(shè)置輸入電流的掃描終點(diǎn)和掃描的步進(jìn)，在掃描過程中加電電流按照步進(jìn)逐步變大，同時系統(tǒng)的其他儀器在每一個電流點(diǎn)處進(jìn)行電壓V、光功率P、背光電流Im等的讀值，采集的測試數(shù)據(jù)同步傳遞給控制主機(jī)，控制主機(jī)再按照每個采集點(diǎn)處的數(shù)據(jù)在二維坐標(biāo)系中進(jìn)行線性曲線的繪制[14]。最后，測試軟件按照不同的算法對測試指標(biāo)進(jìn)行計算，如正向電壓與背光電流都是在特定驅(qū)動電流下的讀值，P-I曲線的閾值電流和曲線扭折點(diǎn)按照二階微分的算法進(jìn)行計算。圖5 為實(shí)驗(yàn)樣品4 個通道的PIV曲線，通過圖中數(shù)據(jù)及曲線分析，激光器的閾值電流較小，正向電壓曲線與二極管伏安特性曲線一致，輸出光功率曲線呈線性并且無異常扭折，表明光發(fā)射組件的PIV 性能正常。表1 為光發(fā)射組件4 個通道的光譜測試數(shù)據(jù)，中心波長及邊模抑制比均滿足IEEE802.3cd 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由光發(fā)射組件PIV 測試及光譜測試的結(jié)果，基于AWG 合波方案的TOSA 的光電特性符合使用要求。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品光譜測試數(shù)據(jù)

圖5 實(shí)驗(yàn)樣品4個通道PIV測試曲線

3.2 光眼圖測試

半導(dǎo)體激光器作為放射光源，一般以大信號狀態(tài)進(jìn)行工作，激光器長時間以該狀態(tài)進(jìn)行工作會導(dǎo)致非線性失真，最終光發(fā)射組件不能輸出合格的光信號。因此進(jìn)行光眼圖測試是為了對光發(fā)射組件的性能進(jìn)行檢查，判斷組件能否符合光纖通信的要求。

光眼圖測試原理：待測光發(fā)射組件進(jìn)行加電后，會把誤碼儀提供的高速電信號轉(zhuǎn)換為光信號（其中電信號是由大量非歸零碼組成的偽隨機(jī)比特序列模擬得到）；然后，光信號通過光纖傳輸?shù)焦馐静ㄆ?，示波器通過對光功率及波長進(jìn)行調(diào)配，最后進(jìn)行采樣形成眼圖。

圖6 為光發(fā)射組件在高低溫及常溫下的光眼圖測試結(jié)果。由圖像分析可知，眼圖整體形狀較好、眼線清晰、眼睛張開度大、無明顯散點(diǎn)現(xiàn)象；由數(shù)據(jù)分析可知，消光比大于3.5 dB，眼圖余量大于5%，均符合IEEE 802.3cd 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，充分表明光發(fā)射組件在高低溫及常溫環(huán)境下發(fā)射的光信號質(zhì)量滿足合格標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。

圖6 三溫狀態(tài)下的光眼圖

4 結(jié)論

文中對100G QSFP28 CWDM4 光發(fā)射組件的兩種波分復(fù)用方案進(jìn)行了比較，從而選擇了低成本化的AWG 合波方案。通過對該方案的光發(fā)射組件進(jìn)行光路仿真、光學(xué)容差分析、射頻分析和特性分析，結(jié)果表明該方案的TOSA 完全滿足QSFP28 封裝形式和IEEE 802.3cd 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了生產(chǎn)成本更低，但性能與國內(nèi)外同類型產(chǎn)品水平一致的要求，目前該方案的TOSA 已經(jīng)具備批量化生產(chǎn)的能力，有望在數(shù)據(jù)中心中得到廣泛的應(yīng)用。