一种基于LTCC 基板的数字光收发模块设计*

曾永福，葛 逾

（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004）

0 引 言

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co_fired Ceramic， LTCC）技术是将LTCC 生瓷带进行多层加工，并在900 ℃以下烧结制成高密度多层印制电路板的技术[1]。LTCC 基板具有集成度高、高频高速性能好、响应快、生产成本低以及周期短等优点，可被灵活应用于自动化程度较高的大批量生产。另外，LTCC电路板还可以采用共烧技术在LTCC 基板内部形成电阻、电容、电感等无源元件，由此实现电感、电容及电阻的全部内埋。尤其是带腔体结构的基板产品的广泛应用，对实现封装高密度化、高性能化以及对产品的小型化和高性价比非常有效。由于它具有诸多优点，LTCC 技术已成为制造高速高频器件、小型化模块等的重要技术，甚至有取代传统PCB 板技术的趋势。

数字光模块是目前数字光通信领域非常重要的光电器件。随着电信业务的发展，骨干网、城域网、接入网等设备的光接口，对光模块的速度要求越来越高。与之相关，对于光模块设计开发人员而言，需要在传输速度、模块尺寸、功耗、可靠性和性价比等多方面寻求平衡。本文主要以电路印制板为着眼点，提出了一种基于LTCC 基板的光模块设计方案，并对其进行了性能测试。

1 LTCC 技术综述

LTCC 技术是20 世纪80 年代中期美国首先提出的集互联、无源元件和封装于一体的多层陶瓷制造技术。近年来，它已发展为令人瞩目的整合组件技术，吸引了许多研究者，成为无源组件集成的主流技术，是无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。

LTCC 是将低温烧结的陶瓷材料制作成陶瓷生带，然后采用丝网印刷、微孔注浆、喷墨打印以及激光打孔等工艺方法，将设计好的电路图形印刷在生瓷带上，再将多层生瓷带进行叠压，在低温下进行烧结制得高密度电路的制造技术[2]。该技术的内外电极通常使用铜、银、金等高导电金属，其烧结温度需要低于选用的导电金属的熔点，因此通常的烧结温度低于900 ℃[1]。LTCC 技术还可将多个无源器件或组件（如电阻器、电容器、电感器、滤波器等）置入到多层陶瓷基板中，烧结制得具有更高复杂性和集成度的电路或电路基板，并在此基础上将基板表面贴装集成电路或其他有源器件，制造各种无源或有源集成的功能模块，进一步实现电路的小型化和集成化。

LTCC 技术制造流程较为复杂，基本流程包括原料制备、落料冲孔、线路印刷、层叠压以及低温烧结等[3]。

与传统印刷树脂板相比，LTCC 有许多优点：（1）LTCC 材料具有良好的高速、高频传输以及宽通带特性，根据配料的不同，陶瓷材料的介电常数变化范围较大、较灵活，可以得到高品质因数的电路系统，也增加了电路设计的灵活性；（2）低温共烧陶瓷基板容易内置无源元件，既可以缩小电路尺寸，也可以减小寄生电感等寄生参数，有利于器件小型化和集成化设计，较大程度地降低了成本；（3）LTCC 材料的高频特性更好，LTCC 技术制备的陶瓷基板介电损耗要比树脂材料的介电损耗小，其介电损耗是用以制作印刷电路板的FR4 材料的1/3，与树脂印刷电路板相比，低温共烧陶瓷更适合于高频应用；（4）LTCC 生产工艺易于在成品前检查各个环节的质量，提高成品率，缩短生产周期；（5）LTCC 材料导热性更好，同时具有与半导体材料能够匹配的热膨胀系数，可以减小集成电路等贴装时与基板的热应力，使得可靠性更高[4]。

2 数字光模块原理

数字光模块主要由发射部分和接收部分组成，也可以由发射部分或接收部分独立构成数字光发射模块或数字光接收模块。组成框图如图1 所示，发射部分由激光器、激光器驱动电路以及接口电路组成。输入的用户信号经过接口电路处理后用于调制激光器，激光器经过调制后完成电光转换，从而生成调制光信号进行传输。

图1 数字光模块组成

接收部分由光电探测器、前置放大器和主放大器组成。从光纤传输过来的调制光信号经过光电探测器监测可生成微弱的光电流即电信号。该微弱电信号经过前置放大器和主放大器放大后，信号幅度适中，然后经过接口电路处理后传送给用户。由于探测器生成的光电流极其微弱，因此目前通常的器件厂商已将前置放大器和光电探测器封装在一起，便于信号的放大和光模块的设计。

数字光模块实现通信的原理是利用激光器的开关状态（即有光/无光）来表征信号的高低电平，利用探测器对光信号开关状态（即有无光电流）的监测还原信号的高低电平。激光器发光需要一定的电流条件，称之为阈值电流。当激光器驱动电流大于阈值电流时，激光器发光；反之，当驱动电流小于阈值电流时，激光器不发光或发极其微弱的光。数字光通信中，采用有光和无光分别代表“1”“0”电平。数字光模块的功能就是能够在数字电信号“1”“0”电平的调制下，驱动激光器进行有光和无光的操作，从而完成电信号的光调制。在接收部分，通过探测器生成光电流并进行多级放大后，与门限电平进行比较，低于门限电平判为“0”，高于门限电平判为“1”，完成光调制信号的解调。

3 光模块电路设计

3.1 发射部分

前面已介绍了光模块的发射部分是由驱动电路、激光器和接口电路组成，其中驱动电路和激光器是核心。

数字光模块使用的激光器有很多种，如发光二极管（Light Emitting Diode，LED）和半导体激光器（Laser Diode，LD）等。LED 发射的不是激光而是辐射光，光谱范围很宽，发光效率低，输出功率小，一般应用在低速领域。现代光通信大多使用的是半导体激光器。半导体激光器根据它的工作模式又可以分为多纵模激光器和单纵模激光器。常用的法布里-帕罗（Fabry-Perot，FP）激光器属于多纵模激光器。单纵模激光器有分布反馈式（Distributed Feedback Laser，DFB）激光器、多量子阱（Multi Quantum Well，MQW）激光器、波长可调谐激光器以及垂直腔表面发射激光器（Vertical Carity Surface Emitting Laser，VCSEL）等，各有特点。本次设计选用的是性价比更高的1 310 nm 波长的FP 激光器。

驱动电路的好坏决定着光模块功能和性能能否满足设计要求。目前，国内外有许多集成电路芯片专为激光器驱动设计，且功能较完善，非常适合光模块的小型化设计。图2 是MAXIM 公司的一款速率可到2.7 Gb/s 的激光器驱动芯片（max3735）的内部结构原理框图。该驱动芯片内部集成有激光器驱动偏置电路、自动功率控制电路以及电流检测、输入禁用、失效告警等安全电路。本设计的激光器驱动电路以该芯片为核心构成[5]。驱动电路采用电阻上拉式差分驱动，使用交流耦合输出，以提供背向匹配和更大的调制电流。

图2 激光器驱动芯片内部功能框

3.2 接收部分

接收部分主要由探测器、前置放大器、主放大器和接口电路组成。

光模块中使用的光电探测器利用半导体光电效应制成。所谓光电效应是指一定波长的光照射到半导体的PN 结时，价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使P-N 结产生光生载流子的现象。在信号的光传输链路中，探测器是光接收机的核心器件。常用的光探测器主要有PIN 光电二极管和雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode，APD）。PIN 光电二极管使用简单，工作偏压低，对温度不敏感，对电源要求较低，但是灵敏度一般；而APD 管则由于内部雪崩倍增效应，具有很高的内部增益，可以具有优秀的灵敏度表现，但是需要很高的工作偏压，且对温度敏感，需要温度补偿电路。本设计中的探测器选用PIN 管。

放大器电路中，主放大器选用MAXIM 公司的专用限幅放大器集成电路MAX3747B。内部主要由三级构成，分别是输入级、多级放大器和输出缓冲级。主放大器具有可编程信号丢失检测和可选择的禁用功能，两种功能可以结合使用，以达到信号抑制的作用。在输入级附加有偏移校正回路，在 3.2 kHz 低频截止。多级放大器增益约为61 dB。它的输出缓冲级有较高的阻抗不匹配宽容度，输出电压稳定为800 mVp-p[6]。

前置放大器一般选用跨阻放大器，且与探测器集成在一起。

3.3 电路原理图

根据前述选择的各部分器件以及电路进行原理图设计，设计好的局部电路图如图3 和图4 所示。

3.4 电路板实物

设计中，电路基板采用LTCC 基板。由于LTCC基板的脆性，易折断。为了预防基板在调试组装过程中过度损耗，在样板试制时共制作基板20 块。

LTCC 电路板实物图如图5 所示。

图3 驱动电路原理

图4 主放大器原理

图5 TLCC 电路板实物（顶层局部）

4 性能测试结果

将电路板的元器件装配好，参数调试结束后对其进行指标测试，测试数据见表1。

表1 LTCC 基板光模块测试记录表

发射光信号眼图测试结果如图6 所示。

图6 光模块发射光信号眼图

5 结 语

通过对LTCC 基板的数字光模块样件的性能指标进行测试，其性能指标满足设计要求，验证了本文提出的基于LTCC 基板的数字光模块设计方案的可行性。同时，设计中没有对分立无源器件进行内置共烧处理，所以模块尺寸相较于传统电路板工艺的光模块并没有太大优化。在后续研究中，笔者将对分立器件与基板共烧的工艺进行验证，以期在后续光模块的超小型化设计中使用，并在传输速度、模块尺寸、功耗、可靠性和性价比等方面与传统工艺光模块进行对比，以进一步研究验证LTCC 基板在数字光模块设计中的应用前景。