阵列宽带集成光电收发模块①

张志珂，刘建国，韩雪妍，赵泽平

(中国科学院半导体研究所，北京 100083)

0 引言

宽带光收发模块作为光通信系统中的核心部件，其性能直接决定了光通信系统中信号的传输质量。宽带光收发模块在光载射频(ROF)系统、无线通信以及波分复用无源光网络中被广泛应用。ROF技术不仅可以解决高频信号的传输问题，而且还可以有效降低基站建设的成本和复杂程度，ROF技术将传统基站结构改为分布式结构，基站与中心站之间用光纤传输高频的射频信号，系统远端射频单元直接接收来自主基站的射频信号，由于光载波承载的是可直接通过天线发射的射频信号，因此系统不再属于传统的数字光纤通信系统，而是一种模拟通信系统[1]。系统只需将射频信号直接放大后经天线发射出去，不需要数字化处理、数模转换以及上变频等操作，可大大简化远端射频单元结构，降低系统成本。相比于传统的数字光纤链路，模拟光纤链路对器件、模块的性能要求更为苟刻，目前仍存在以下三方面的制约：

一是高性能宽带光收发模块的国产化，目前 ROF系统中所用的高性能核心器件完全依赖进口，其进一步推广必将受到国外的限制；二是目前ROF系统完全采用分立式光电模块，系统成本以及能耗非常高，无法满足高质量绿色通信的要求；三是与常规的光纤通信系统不同，模拟ROF系统所用光电子器件需要支持多制式、宽频带、多载波信号的传输，因此对低成本、高性能的模拟光收发模块的封装与设计提出前所未有的挑战。基于上述制约，迫切需要实现宽频带、集成化、高性能的模拟宽带收发组件的自主可控及集成化研制。

阵列集成化光通信模块凭借集成化、小体积、低功耗的优势一直是国内外科研工作者的研究热点[2-3]。2014年，韩国电子通信研究院研制出一个10×10Gb/s的激光器阵列模块，该模块将分布反馈激光器阵列芯片、阵列波导光栅(AWG)、柔性电路板(FPCB)等元件进行混合集成，如图1(a)所示，实现了边模抑制比大于45dB，10Gb/s 速率下消光比大于4.4 dB 的性能[4]。同年，中国科学院半导体所研制出八通道的蝶形封装直调激光器，如图1(b)所示。该模块每个通道的边模抑制比均超过40dB，-3dB 带宽均达到10GHz 以上，并实现了8×12.5Gb/s 的数据传输[5]。此模块的不足之处在于射频信号和直流偏置的传输路径一样，偏置电流需要经过匹配电阻，从而增加了系统的产热量和功耗。日本NTT公司在2016 年开发出一个紧凑型混合集成的光发射模块，它是由四个电吸收调制集成分布式反馈激光器、阵列波导光栅、温控电路等构成，如图1(c)所示。为实现激光器与阵列波导光栅间的高效耦合，在激光器芯片上集成有模斑变换结构，模块-3dB带宽达14GHz，并实现了4×25Gb/s 的数据传输[6]。2018年，中科院半导体所报道了一款超紧凑，低成本的四通道发射器光学组件模块，其内部如图1(d)所示。该模块包括阵列波导光栅、透镜阵列、直调激光器芯片阵列以及高频传输线等，基于该模块实现了总容量112Gb/s 数据传输[7]。

然而，上述集成光收发模块的研究主要是针对数字高速光纤通信系统的应用，关注的性能指标为传输速率、误码率、灵敏度、消光比等指标；而针对模拟ROF系统等应用的阵列集成宽带光电收发模块的报道较少，模拟系统重点关注的性能指标是带宽、幅度平坦度、无杂散动态范围、链路增益等指标。本文着重针对模拟通信系统中的光电收发模块进行研究和性能优化，主要研究指标包括带宽、幅度平坦度、无杂散动态范围等。本文首先对介绍了阵列收发光模块的整体结构设计，然后重点对高频阵列管壳、三维微波电路、光学耦合等结构进行优化设计，最后对所研制的收发模块进行带宽、幅度平坦度、链路增益、无杂散动态范围等性能指标测试。

1 四通道阵列宽带收发模块

1.1 宽带收发模块结构设计

四通道宽带阵列光收发模块内部结构如图2所示，通过采用三维立体微波电路结构实现阵列化混合集成。光发射模块主要由激光器阵列芯片、三维立体微波电路结构、双透镜加隔离器阵列光学耦合结构、温控电路及高频管壳等五大部分构成。激光器阵列与激光器射频电路共用一个热沉垫块，热沉下装有温度控制器(Temperature Controller，TEC)，对激光器芯片的工作温度进行稳定控制。相比于光发射模块，光接收模块的整体结构设计相对简单一些，其不包括激光器所需要的电流驱动电路和制冷电路，光接收模块主要由探测器阵列芯片、三维立体微波电路结构、射频旋转电路、阵列光纤等四部分构成。激光器芯片与探测器芯片微组装间隔均为2mm；光收发模块均采用蝶形外壳封装结构，体积为23mm×17mm×9.8mm；其两侧为DC引脚，为激光器提供偏置电流或为探测器提供偏置电压，间隔为3mm；外壳前端的高频引脚需要经过特殊设计，用于射频信号的输入与输出，收发模块的重量约为36g，功耗分别约为0.5W。

图2 (a)收发模块结构组成；(b)阵列发射模块结构示意图；(c)阵列接收模块结构示意图

对于多通道光电收发模块的封装设计而言，需要着重解决高频传输线的密集排列所引入的串扰问题，温度传感控制方面的问题以及小型化与耦合占用空间相矛盾的问题。因此，需要从电学连接、温度传感与控制以及光学耦合等多方面进行综合考虑，并对其进行优化设计以实现模块功能的完整与稳定。下面，将从管壳结构设计、微波电路设计和光耦合设计等几个方面详细介绍。

1.1.1 阵列高频管壳设计

阵列光收发模块管壳采用多层陶瓷结构作为信号馈入的通道，如图3所示。陶瓷结构共有4 层介质板，第一层、第四层陶瓷基片上的微带电路均采用类似共面波导的地-信号-地(GSG)结构，分别作为高频信号的输入、输出端口，第二层、第三层陶瓷基片则为信号传输提供通道，第二层陶瓷基片的上表面制备了金属的信号电极，该电极与两层陶瓷基片形成了类似“带状线”的结构，第二层与第三层陶瓷通过金属过孔连接。射频信号由上/下表面传输线输入，经过两个金属过孔和一段带状线，直到下/上传输线的对应单元输出。为减小阻抗不连续引起的反射，GSG、过孔、带状线均设计阻抗匹配，同时为实现接地屏蔽优化，多层结构中的所有地电极均通过金属化过孔串联到一起，从而减小了信号的泄露。对设计的穿墙结构进行高频特性模拟仿真，图4显示了穿墙结构单元的频率特性。由图4可以看到，-3dB达到40GHz，但是由于反射响应在32GHz处超过了-10dB，所以该穿墙结构的有效带宽也被限制在32GHz。

(a) (b)

(a) (b)

1.1.2 高频微波电路设计

作为信号传输链路的重要组成部分，高频电路的设计显得尤为重要，在设计中需要考虑微波模场转换、阻抗匹配等问题。本文研制模块中的微带电路基于共面波导结构，采用氮化铝衬底基板，其相对介电常数为8.7。为了获得最佳的传输性能，共面波导传输线需要保证特征阻抗的连续性和匹配性。共面波导传输线的特征阻抗由信号线宽度和信号线与地线之间沟道宽度的比值决定。在小型化模块封装中，微波电路包含射频传输线和直流驱动电路两部分，电路板可用的空间是十分有限的，因此众多元器件的微组装很容易引起信号串扰。在模拟光子链路中，通道射频隔离度是非常重要的一个指标。借鉴于传统微波收发组件中通过物理隔离降低相邻通道串扰的方案，针对所研制的光收发模块提出了三维微波电路结构，将电路板设计成双层结构。直流电路设计在上层板，射频电路设计在下层板，将射频信号和直流部分在物理空间上进行分离，通过这种设计可以加宽射频信号线间的距离，从而降低信号的串扰。

(a) (b)

图6 (a)微带线传输曲线；(b)微带线串扰测试曲线

阵列收发模块的三维微波电路结构如图5所示。对于光发射模块，上层电路板上设有隔直电感，既可以过滤掉偏置电流的高频噪声，还有效的防止射频信号的泄露，且直流信号不经过匹配欧姆电阻，可以有效减少热量的产生，降低器件的功耗。激光器芯片放置在下层电路板的射频电路终端(红色区域)，每一路射频信号线末端串联了匹配电阻(蓝色区域)以实现50 欧姆阻抗匹配。对于阵列接收模块，上层电路板为探测器芯片提供反向偏置电压，每一路直流信号线上均串联一个薄膜电阻，该薄膜电阻用来调节探测器芯片的静态工作偏置点。在直流信号线正极与地电极之间通常还会并联一个电阻，用以滤除偏置电压中的高频信号噪声。下层电路板同样为射频过渡传输线，它将光电探测器产生的光生电流信号传递到管壳外部，在芯片附近设置有旁路电容，接收模块通过并联50欧姆电阻的形式实现阻抗匹配。光电芯片与射频电路的连接以及上下电路板之间的连接均是通过金丝键合的方式，金丝直径为25μm。此外，为降低通道间的信号串扰，将多路传输线的地线进行连接，结合侧面金属化结构，将整个射频传输线所有的地连在一起，形成“一体化共地”结构，可以有效实现对电磁场的“约束”。对发射模块的微带线进行了传输性能测试，结果如图6所示，可以看到四路传输线一致性良好，且-3dB带宽均达到28GHz以上，相邻信道间的串扰优于-30dB。

1.1.3 光学耦合结构设计

光耦合，本质上是实现模场在芯片与光纤之间的模式匹配，其匹配程度一般用耦合效率表征。在模拟光子链路中，较低的耦合效率会降低光发射器件的量子效率与光接收器件的响应度，进而影响到发射信号的光信噪比与接收灵敏度，降低系统工作动态范围。因此，高效光耦合结构的设计非常重要。

所研制的光收发模块中激光器芯片以2mm的间距被烧结在氮化铝载体上形成阵列。由于激光器工作距离较大，自由度较高，调整的容忍度也高，因此采用双透镜加隔离器的方式进行光学耦合。对于光发射模块，激光器在正常的工作状态下，通过多维调控平台控制各元件与激光器芯片的相对位置，同时对耦合输出光功率进行实时监测，待其达到最大值后固定各元件完成耦合过程。该耦合方案的耦合效率可以达到75%以上。对于光接收模块，需要对每路探测器的输出光电流进行监测，待其达到最大值时进行点胶固化。在固化过程中，紫外灯照射的强度、时间和距离都会对光纤的最终固化强度产生影响。若应力没有充分释放，光纤会发生偏移，此时需要再次进行三维调节找最大值，反复几次后才能完成光纤固定。

1.1.4 激光器和探测器芯片参数设计

激光器芯片和探测器芯片是实现光电收发模块的核心，采用的激光器芯片为1310波段AlGaInAs型，探测器芯片为InGaAs InP PIN垂直入射结构，其详细参数如表1所示。

2 宽带收发模块模拟性能测试

对四通道阵列光收发模块进行了级联带宽测试，利用两个500um 间距的GSG 探针分别对激光器每个通道输入射频信号，同时在相应通道探测器输出引脚接收射频信号，采用ROHDE&SCHWARZ ZVA40 矢量网络分析仪对收发模块进行级联带宽测试，图7(a)为级联带宽测试结果，收发模块所有通道的3dB 响应带宽均达到18GHz以上，满足Ku波段的需求，且具有良好的一致性。工作频率范围的带内平坦度基本都在3dB以内。图7(b)是测得收发模块其中一个通道在18GHz下的背靠背和传输25km后的1dB压缩点，约为19 dBm。传输前后，系统1dB压缩点未发生明显变化，但功率衰减较严重，可通过电放大器进行补偿。一般情况下，1dB压缩点随调制频点的增大而减小。但是，由于直调激光器谐振峰的存在，使得1dB压缩点在谐振频率处的值要大于在其它频点的值。此外，对收发模块的无杂散动态范围进行了测试。测试中，选用的原始信号f1 和f2的频率分别为18.03GHz 和17.97GHz，三阶交调产物频率为18.09GHz和17.91GHz。输入不同电功率，分别记录这几个频率下的输出电功率，通过拟合即可得到三阶交调点，如图7(c)所示。可以看到，在18GHz 调制频点同时频偏30MHz 的条件下，噪底测得为 -140dBm/Hz，得到该系统的SFDR 为110dB·Hz2/3。对于直调模拟微波光子链路，系统的线性度主要影响因素包括：一是调制后的直调激光器由于啁啾效应会产生噪声和非线性失真，从而恶化链路的动态范围；二是通过调控激光器和探测器的工作偏置点可以优化系统的线性度；三是优化探测器的响应度、饱和输入光功率也会提高链路的动态范围和增益。

(c)

3 结论

本文给出了基于三维微波电路结构的四通道阵列光收发模块集成方法，并对高频阵列管壳、三维微波电路、光学耦合等结构进行优化设计，最终实现了四通道阵列光收发模块的研制，其-3dB级联带宽均达到18GHz以上，反射损耗在DC-18GHz带宽内均在-10dB以下，并进行了收发模块的线性度测试，输入1dB压缩点达19dBm，无杂散动态范围为110dB·Hz2/3。光收发模块可应用于光载射频无线通信系统、波分复用无源光网络等信息系统中，具有宽频带、集成化、高线性度的优势。在模拟系统链路中，大带宽、高线性度、大动态范围是光收发模块的发展趋势，在未来的研究工作中，除关注其工作带宽外，需要结合其在模拟链路中的具体应用，针对线性度、动态范围、输出功率等指标作进一步研究。为提高信号传输系统灵敏度和信噪比，也需要开展光电芯片与其他功能芯片如半导体光放大(SOA)芯片、TIA 芯片、可调光衰(VOA)芯片、可调延时波导等芯片的混合集成研究，解决光模场匹配、能量分布等科学问题，实现多功能模拟器件的开发。