高速光模块多通道光学耦合对准技术研究.pdf

2023.22 科学技术创新高速光模块多通道光学耦合对准技术研究唐绍宇，曾鹏，伍颖，汤科，陈国帅（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林）引言高速数字光模块目前广泛应用于数字光通信系统，随着 AI 及移动互联网的发展，通信容量的需求不断提升，通信机房里的光模块通道数量也在不断增加，数字光模块产品封装已经从单通道的 SFP 封装转变为 QSFP28 等多通道封装形式1-2。在光模块的制造过程中，光信号的输入输出问题是必须解决的，而要想实现光信号的输入输出，必须解决多通道的光学芯片的发光面或者接收面与阵列光纤一一耦合对准。耦合对准的质量好坏直接决定了光模块的生产良品率3。耦合对准的问题，从数学角度分析就是在多通道光学芯片装配位置确定前提下，找到多通道光纤阵列最佳摆放位置。在寻找最佳摆放位置的过程中，不同的策略对应不同的工装夹具及寻优算法，也就意味着实现的难易程度及实现成本不一样。目前业内主流的位置寻优技术有手动寻优耦合和自动化寻优耦合两种，借助多维的光学调节架，夹持阵列光纤，在多个空间维度不断调节光纤的摆放位置，直至找到最佳位置停止，固定光纤从而完成真个光学耦合过程。本文从光学芯片的布局、阵列光纤的设计加工和耦合寻找最优耦合位置三个方面进行研究，介绍了多通道的光学耦合对准技术，并对耦合后的效果进行测试分析。1多通道光学芯片布局以 4 路的高速光模块为例，其主要由 4 通道VCSEL 激光器驱动芯片、4 通道 PIN 探测器驱动芯片、4 通道 VCSEL 激光器和 4 通道 PIN 探测芯片组成。信号发射流程：高速信号以差分的形式通过驱动芯片放大均衡后，驱动 VCSEL 激光器发光，实现电光转换。信号接收流程：已调制光信号通过光接口进入模块内部，照射在 PIN 探测器光敏面上产生高速光电流，经由 PIN 驱动芯片放大调节后输出，完成光电转换过程。从图 1 中可以看出，电信号和光信号是分别处于光学芯片的两侧，这就决定了光学芯片的金属电极必须朝向同一个方向。两块光学芯片处于同一条线上。目前业内主流的芯片通道间距都是按 250 um 作为标准，收发芯片的芯片中心距设计为 1 250 um，中间间作者简介：唐绍宇（1991-），男，硕士研究生，工程师，主要从事微波光电子产品开发工作。摘要：随着 5G 这一高带宽、大容量通信技术的发展，高速光模块成为支撑这一发展的重要基石。目前的高速光模块都是多通道同时封装集成在一起，其设计和制造的关键一环就是完成多通道的光学芯片与阵列光纤耦合对准，完成光信号的输入输出。本文通过对光学芯片的布局及光纤阵列设计方法研究，介绍了实现 4 收4 发光芯片同时与光纤一一耦合对准的技术，并对耦合后的效果进行了高低温测试分析。关键词：高速光模块；耦合对准；4 收 4 发；高低温测试中图分类号院TN253文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤22-0027-04图 1高速光模块基本构成图示例27-科学技术创新 2023.22图 2多通道模块的收发光芯片布局图 3收发光路设计隔 4 位4-5。多通道模块的收发光芯片布局见图 2。光学芯片的差分金属电极朝向同一侧，方便与驱动电芯片进行金丝互连后，从同一个方向引申出去，进行高速 PCB 布线与电接口连接。2阵列光纤设计及制作以 4 发 4 收高速模块为例，内部的光学芯片采用4 通道的光发射芯片和 4 通道的光接收芯片，其光敏面均垂直向上。而工程上大部分的 PCB 及光路布局都以水平方式为主，所以光路必须进行 90翻转，实现垂直光和水平光的转换传输。收发光路设计见图 3。根据光学芯片的水平布局，阵列光纤采用光纤带的方式，按 250 um 间距并行排布，并采用 MT-V 型槽的样式作为完整的光学连接器，一体化设计制作。其中 V 型槽作用是固定多路扁带光纤，硅 V 形槽精度要求严格以保证扁带光纤 250 um 的间距。目前可以采用等离子体刻蚀方法来刻蚀 形槽，得到精度满足使用要求的产品。将阵列光纤带放入硅 形槽内，盖上玻璃盖片将光纤固定在 形槽中，将固定好的玻璃盖片 形槽和阵列扁带光纤一起安装至研磨机上，经过粗磨、精磨、抛光工艺完成阵列光纤 45反射面的制作。光纤陈列组件见图 4。3光模块最佳耦合位置实验方法在耦合位置寻找实验中，芯片固定在 PCB 载板上，通过金丝将光电芯片的对应电极进行互联，作为一个整体放置在具备 6 维方向调节功能的耦合台上。用直流电源给 PCB 供电后，光电芯片开始工作。将MT-V 型槽阵列光纤连接器夹持到耦合台的夹子上，MT 一端连接到光源和功率计，即可开展耦合实验。在实验中，耦合台的夹具可以对 MT-V 型槽进行水平限位固定，所以不需要考虑角度偏差，整个耦合调节方式可以从 6 维调节降为 3 维调节，大大降低了耦合过程的时间及难度。根据前面的介绍，光模块的光学收发芯片是处在一条水平线上，收发光路可以同时进行对准，并可以进行均衡操作，即可以在发射光功率和接收光电流大小之间做一个折衷处理，降低光收发芯片实际贴片位置偏差造成的影响，使得收发通道性能差距不会过大。整个耦合操作包括：初始位置设定、粗调阵列光纤图 4光纤阵列组件28-2023.22 科学技术创新图 6多通道光模块耦合完成效果位置判断最优的位置方向偏差大小、细调阵列光纤移动方向、达到最佳位置、固定阵列光纤。光模块耦合流程见图 5。4多通道耦合效果测试及分析多通道光模块耦合完成效果见图 6。阵列光纤在找到最佳耦合位置后，用 UV 胶水将其固定在 PCB 板上，让后盖上盖板保护起来，防止灰尘污染光芯片表面。此时可以记录下光模块各个发射通道的光功率大小和接收端各个通道接收响应度的大小。光模块的 PCB 板可以通过 I2C 总线方式与上位机进行实时通信，进而监控各个通道在耦合过程中的状态，上位机对采用到的光功率和接收光电流进行换算显示，并进行记录反馈6-10。多通道光学耦合测试结果见表 1。从测试结果看，固定后对整个模块进行烘烤，光模块的各个发射接收端性能有一定程度下降。发射端因为光芯片的光敏面比较小，约只有 20 um30 um，微小的位移偏移都能敏感得感受到，变化较为明显。分析其中原因是由于阵列光纤采用的是 UV 胶水固定方式，受到胶水固化程度及收缩率大小的影响，阵列光纤在耦合操作完成后仍然会出现位置偏移，所以在实际工程制造过程中，一定要保证胶水有足够的紫外光照射时间，使其充分固化，以及进行必要的高温烘烤过程。目前业内主流需求是要求光功率大于等于-5 dBm，接收端响应度 0.5 A/W，从测试结果上看，耦合的收发通道数据符合目前业内主流需求指标要求11-15。结束语多通道光学耦合是封装制造高速光模块的关键工艺步骤，其效果的好坏直接影响光模块的性能和成品率。本文通过分析光模块的构成，设计了芯片的布局方式和光路中的阵列光纤，介绍了制作方法，在此基础上完成耦合工艺设计，利用耦合调节台将 6 维调节降低至 3 维调节，快速通过粗调、细调 X，Y，Z 方向找到最佳耦合位置，完成耦合。最后通过测试分析，所制作的光模块耦合数据满足业内主流需求指标要求。参考文献1赵佳丽.数据通信 40Gbit/s 并行光收发模块的研究图 5光模块耦合流程耦合完成测试耦合完成测试 高温烘烤后测试高温烘烤后测试 通道序号通道序号 光功率（dBm）接收响应度(A/W)光功率（dBm）接收响应度(A/W)1 1.63 0.54 1.1 0.57 2 1.45 0.58 0.69 0.55 3 1.24 0.57 0.65 0.53 4 0.81 0.55 0.93 0.51 表 1多通道光学耦合测试结果29-科学技术创新 2023.22Research on Multi Channel OpticalCoupling Alignment Technology of HighSpeed Optical ModuleTang Shaoyu,Zeng Peng,Wu Ying,Tang Ke,Chen Guoshuai（The 34th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation Corporation,Guilin,China）Absrtact:With the development of 5G,a high bandwidth and large capacity communication technology,high-speed Optical module has become an important cornerstone to support this development.At present,high-speed Optical module are all packaged and integrated with multi-channel at the same time.The key totheir design and manufacture is to complete the coupling alignment of multi-channel optical chips and arrayfibers,and complete the input and output of optical signals.This article studies the layout of optical chipsand the design method of fiber array,introduces the technology of achieving simultaneous coupling andalignment of 4 receiving and 4 sending chips with fiber one by one,and conducts high and low temperaturetesting and analysis of the coupling effect.Key words:high-speed optical module;coupling alignment;4 receiving and 4 sending;high and lowtemperature testJ.光通信研究，2014(2):34-38.2胡庆生.40Gbps 甚短距离并行光传输技术与实验系统J.电子学报，2011(5):78-83.3马铭涵，涂凯扬，段炼，等.COB 光模块耦合对准及算法研究J.制造业自动化，2022(7):78-79.4陈燕.40GbpsCFP 光收发一体模块的研究与设计D.武汉:武汉邮电科学研究院，2014.5金琦，胡毅.100/400 Gbit/s PAM4 光收发模块的技术分析J.光通信研究，2016(2)：33-36.6王燕飞，周雷，刘勇，等.高速光模块用激光器的耦合误差分析J.光纤光缆传输技术，2014(3):28-31.7罗静.空间光耦合自动对准技术研究D.西安：西安理工大学，2023.8倪日文，蒋艳锋，王安军.光学耦合系统，光模块和光通信设备:202080091983P.2022-08-12.9严英占.面向角速度传感的高 Q 值微谐振腔及其耦合结构关键技术研究D.太原：中北大学，2012.10 温 首 新.一 种 光 模 块 无 源 耦 合 对 准 装 置:CN202022106934.7P.2021-04-20.11胡莹璐，吴启凡，尚金龙，等.一种光学器件，耦合机及光模块测试系统:CN201911318549.4 P.2021-06-22.12金琳淇，冯泽亮，胡贵军.基于高速单模光模块的多模光纤传输系统性能分析J.聊城大学学报:自然科学版，2022，35(4):34-44.13于光达.光模块自动接收耦合设备控制系统的开发与研究D.大连:大连交通大学，2023.14尹奔康.空间光-光纤耦合自动对准及控制算法实验研究D.西安：西安理工大学，2022.15胡贵军，冯泽亮.一种基于高速单模光模块的多模光纤传输系统：CN202111062853P.2022-08-30.30-