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汪冰 黃平 楊磊

摘　要：

文章分析了100 Gbps(以下簡稱100 G)以太網(wǎng)光通信光調(diào)制器及其封裝的技術(shù)發(fā)展動向，對比分析了10 G/40 G/100 G高速光調(diào)制器及其封裝的結(jié)構(gòu)特點。通過對高速光調(diào)制原理的淺析，論述了40 G/100 G高速光調(diào)制器在100 G系統(tǒng)中的重要性。以一款40 G高速光調(diào)制封裝為例，剖析了光調(diào)制器封裝結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及其工藝路徑，以及封裝在光調(diào)制器中的重要性。文末展望了高速光調(diào)制器及封裝在未來的發(fā)展方向。

1 前言

光纖通信因其頻帶寬、容量大等優(yōu)點而迅速成為信息傳輸?shù)闹饕问健ｋS著視頻、P2P等寬帶密集應(yīng)用及遠程存儲、虛擬化、云計算等企業(yè)核心應(yīng)用的發(fā)展，以10 G傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的帶寬將耗盡。目前骨干網(wǎng)已經(jīng)規(guī)模部署了40 G傳輸系統(tǒng)，但要建設(shè)超高速網(wǎng)絡(luò)，100 G傳輸系統(tǒng)的規(guī)模部署勢在必行。為充分利用以太網(wǎng)的可擴展性，平滑升級到40 G、100 G將是最佳提升帶寬的方案。

下一代100 G以太網(wǎng)技術(shù)標準包含了40 G和100 G兩種速率，主要針對服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)方面不同的需求。40 G主要針對計算應(yīng)用，而100 G則主要針對核心匯接應(yīng)用。從長期來看，100 G傳輸系統(tǒng)將采用偏振復(fù)用、高階編碼調(diào)制、相干接收/電處理、超強FEC等技術(shù)的組合解決方案，從而在兼容現(xiàn)有10 G和40 G基礎(chǔ)設(shè)備的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)從40 G到100 G的系統(tǒng)升級。

在100 G系統(tǒng)中，光的調(diào)制是其中最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖1為100 G系統(tǒng)重要光器件集成圖，左邊第一個器件為100 G光調(diào)制器，所用到的PM-QPSK技術(shù)是目前主流的調(diào)制技術(shù)。通過PM-QPSK技術(shù)的應(yīng)用，100 G光信號實際工作時處理的數(shù)據(jù)波特率僅為25 G Baud。

2 高速光調(diào)制器及封裝結(jié)構(gòu)淺析

光調(diào)制器也稱電光調(diào)制器，是高速、長距離光通信的關(guān)鍵器件，是最重要的集成光學(xué)器件之一。它是通過電壓或電場的變化最終調(diào)控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。在光通信的光發(fā)射、傳輸、接收過程中，光調(diào)制器被用于控制光的強度，其作用是非常重要的。

光調(diào)制器存在以下幾種調(diào)制類型：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率和波長調(diào)制。

高速通信系統(tǒng)要求光調(diào)制器具有足夠的調(diào)制帶寬、低驅(qū)動電壓和高飽和功率，高消光比、低啁啾、低插入損耗和低偏振相關(guān)性也是重要因素。由于低插入損耗的性能要求，具有50 Ω阻抗匹配的高速饋通RF組件正被廣泛應(yīng)用于高速光調(diào)制器封裝。圖2所示為高速調(diào)制下使用光調(diào)制器的光纖鏈路，其中RF高速信號的輸入用于調(diào)制光的強度，DC信號用于調(diào)制光的相位，備選光電二極管PD可在兩個輸出波導(dǎo)之間設(shè)置可監(jiān)視信號。

目前，10 G光調(diào)制器已成熟，40 G光調(diào)制器已成為主流。適合40 G/100 G等超高速光纖通信系統(tǒng)使用的外調(diào)制器有MZ和EA調(diào)制器兩種類型。MZ型光調(diào)制器有LiNbO 3 -MZ調(diào)制器、GaAs-MZ調(diào)制器和聚合物-MZ調(diào)制器等幾種。其中，LiNbO 3 -MZ調(diào)制器可以生成高速、低啁啾的傳輸信號，而且特性與波長沒有關(guān)系，LiNbO 3 -MZ調(diào)制器是目前得到廣泛應(yīng)用的高可靠外調(diào)制器，已經(jīng)應(yīng)用于40 G/100 G信道速率的WDM傳輸系統(tǒng)。

圖3所示為LiNbO 3 -MZ調(diào)制器工作原理圖，調(diào)制器是在LiNbO 3 晶片上制作MZ光波導(dǎo)和TW調(diào)制電極而構(gòu)成的，在設(shè)計高速系統(tǒng)時，需要考慮的因素有驅(qū)動電壓、光電信號速度匹配、特性阻抗、電信號的衰減常數(shù)、調(diào)制帶寬、波長啁啾量和插入損耗等。在速度匹配的前提下，光調(diào)制器的性能由電極傳輸微波時的損耗(趨膚效應(yīng)損耗)決定，如果能夠降低這種損耗，對于一定的帶寬，就能夠加長電極與光波導(dǎo)相互作用的長度L，因而降低驅(qū)動電壓V D 。

圖4所示為一款典型的10 G光通信用LiNbO 3 -MZ調(diào)制器及其封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于光調(diào)制器的工作原理，封裝結(jié)構(gòu)包含以下四部分：金屬腔體——用于承載LiNbO 3 和實現(xiàn)整個器件的光電互連；金屬雙導(dǎo)管——用于光纖輸入輸出；RF信號端子——用于光的強度調(diào)制；DC信號端子——用于光的相位調(diào)制。

3 高速光調(diào)制器封裝結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究

根據(jù)歐洲ECOC光通訊展會和美國OFC光電展等以及一些極具權(quán)威性的最新調(diào)研結(jié)果，全球主要光通訊器件制造商，如JDSU、Oclaro、S.O.C、Fujitsu等，已經(jīng)開始批量生產(chǎn)40 G/100 G高速光調(diào)制器。圖5所示為某國外光電用戶最新推出的40 G/100 G高速光調(diào)制器系列，LiNbO 3 -MZ調(diào)制器是實現(xiàn)40 G/100 G光調(diào)制的主要方式。

為了獲得更佳的調(diào)制器性能，不少調(diào)制器采用了雙電極驅(qū)動結(jié)構(gòu)，封裝結(jié)構(gòu)的差異體現(xiàn)在采用了兩個RF信號端子。圖5所示的40 G/100 G光調(diào)制器均采用了雙電極驅(qū)動的結(jié)構(gòu)。

相比40 G光調(diào)制器，100 G光調(diào)制器加入了光電探測器，將其與光波導(dǎo)的輸入輸出對接耦合，從而有效監(jiān)視并控制光調(diào)制器的漂移。圖5所示為100 GQPMZ Modulator就是集成了監(jiān)視PD的LiNbO 3 -MZ調(diào)制器，100 G光調(diào)制器的封裝外殼相比40 G光調(diào)制器的封裝外殼，結(jié)構(gòu)的差異體現(xiàn)在DC端子的端子數(shù)和密集度的提升。

綜上所述，從工藝路線和技術(shù)難點上去解析：

100 G光調(diào)制器封裝結(jié)構(gòu)與技術(shù)和40 G光調(diào)制器封裝

結(jié)構(gòu)與技術(shù)無本質(zhì)差別。

以典型的一款40 G雙電極驅(qū)動LiNbO 3 -MZ調(diào)制器的封裝為例，剖析封裝中的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)工藝研究。

FO7913-11型高速光調(diào)制器外殼由金屬雙導(dǎo)管、高密度低頻引線組件、高頻組件以及金屬底盤四部分組成，工藝路徑如圖6所示，關(guān)鍵技術(shù)包括：高頻組件焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，金屬導(dǎo)管焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和局部不鍍工藝、金錫焊同步焊接工藝等。

3.1 高頻組件焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝

高頻組件裝配時采用自定位的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計：通過高頻組件與安裝孔的緊密公差配合，滿足高頻組件對同軸度和高位置精度的要求；同時，臺階孔的設(shè)計免去了復(fù)雜的金錫釬焊模具設(shè)計，組件利用自重即可實現(xiàn)定位，降低了模具設(shè)計對于產(chǎn)品位置精確度的影響。

焊接工藝設(shè)計主要是考慮焊料的選擇。客戶在進行電路組裝的時候，通常使用錫基焊料，外殼耐溫一般需達到250 ℃以上。同時，需要保證高頻組件的玻璃性能在釬焊前后不發(fā)生變化，在高頻組件與外殼釬焊的時候要求釬焊溫度低于玻璃的軟化溫度(約600 ℃)，因此選擇采用金錫釬焊工藝。

共晶的Au80Sn20釬焊合金(熔點280 ℃)用于半導(dǎo)體和其他行業(yè)已經(jīng)有很多年了，由于其優(yōu)良的物理性能，正逐漸成為用于光電元器件封裝的一種優(yōu)選釬焊材料。同時，通過先進的X射線透視技術(shù)來觀察焊接效果，可以保證焊接的空洞率滿足高速信號的傳輸要求。

3.2 導(dǎo)管焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和局部不鍍工藝

調(diào)制器中光信號的傳輸是通過光纖的輸入輸出實現(xiàn)的，金屬導(dǎo)管與光纖的焊接，既實現(xiàn)了調(diào)制器封裝的密封，又對光纖起到了固定的效果。因此，金屬導(dǎo)管的釬焊結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮光纖的焊接工藝要求。如圖8所示，上圖為失效的光纖焊接狀態(tài)，下圖為受控的光纖焊接狀態(tài)。

控制焊料在導(dǎo)管內(nèi)的流淌形態(tài)，需要通過采用底盤局部鍍金后與鍍金導(dǎo)管用金錫焊料對焊的方法來實現(xiàn)。如圖9下圖，與底盤一體的導(dǎo)管內(nèi)壁采用了局部不鍍工藝。金錫焊導(dǎo)管所帶來的影響是焊接強度問題，圖9上圖所示為導(dǎo)管焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用臺階面焊接結(jié)構(gòu)，大大增加了焊接面積，從而極大改善了金錫焊接的強度和可靠性。圖9下圖所示焊接效果剖面圖，從焊接面的狀態(tài)看，沒有任何空洞，焊接性能良好。

3.3 金錫同步焊接工藝設(shè)計

金錫同步焊接工藝設(shè)計出于以下兩點考慮：

一是光纖特殊焊接工藝要求所引出的導(dǎo)管內(nèi)部局部不鍍，需要采用底盤局部鍍金后與鍍金導(dǎo)管用金錫焊料對焊的方法來實現(xiàn)；

二是鑒于低頻信號傳輸部分的高密度設(shè)計要求采用0.38 mm×0.38 mm的框架引線，引線節(jié)距1.27 mm，采用常用的不銹鋼壓力封接直接熔封的結(jié)構(gòu)無法保證密封的可靠性，因而采用框架引線與柯伐薄片先進行匹配封接，熔封后的低頻引線組件與高頻組件以及鍍金導(dǎo)管進行同步金錫焊接，同步焊接設(shè)計圖和成品照見圖10。

4 展望

作為下一代高速傳輸技術(shù)，從業(yè)界開始研發(fā)至今僅幾年時間，采用DP-QPSK調(diào)制技術(shù)和相關(guān)檢測技術(shù)的100 G技術(shù)就開始廣泛應(yīng)用了，業(yè)內(nèi)普遍預(yù)計100 G技術(shù)將在2013年大放異彩。

我國100 G系統(tǒng)與國外發(fā)展基本同步，近期在標準制定、設(shè)備研發(fā)、測試驗證以及商用準備等方面取得重要進展，預(yù)計明年在100 G設(shè)備功耗、體積以及性能等多方面有明顯提升時會開展新一輪測試驗證。

縱觀整個光器件發(fā)展歷程，可以窺測到光調(diào)制器的發(fā)展方向：集成化(兼容化)、高速化、微型化發(fā)展。隨著光傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的繼續(xù)增長，勢必要求更加高速穩(wěn)定的光調(diào)制器，從而實現(xiàn)微波信號的高線性、低失真、遠距離光纖傳輸，而新型的光調(diào)制器及封裝必然是滿足以上條件并在此基礎(chǔ)上不斷進步的，并將在未來超高速光通信系統(tǒng)中發(fā)揮越來越大的作用。

隨著高速光調(diào)制器的不斷發(fā)展，中國電科第43所在光調(diào)制器封裝上的研究也在不斷進步。近幾年來，光調(diào)制器封裝已呈系列化發(fā)展，10 G/40 G/100 G調(diào)制器封裝均有代表產(chǎn)品出現(xiàn)，圖11所示為目前已實現(xiàn)批產(chǎn)化的10 G/40 G高速光調(diào)制器封裝外殼。這些產(chǎn)品的成功開發(fā)和批產(chǎn)化應(yīng)用，為未來在100 G/400 G以及超高速光調(diào)制器封裝領(lǐng)域的研究工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的430f149有几种封装类型_高速光调制器的发展与封装技术研究的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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