1、收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 0.*通信作者:周本军E-m a i l:8 6 0 2 3 2 8 8 9q q.c o m光电器件D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 0 9 2 0 0 22 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件封装技术研究周本军*,胡 伟,胡俊豪(重庆光电技术研究所,重庆4 0 0 0 6 0)摘 要:针对2 0 0G b i t/sP AM 4光收发模块的设计需求,提出了一种基于四阶脉冲幅度调制(P AM 4)、数据传输速率达2 0 0G b i t/s的光发射组件封装方案。该封装内
2、部集成了4路P AM 4电/光转换通道,单通道数据传输速率为5 0G b i t/s。介绍了该2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件的组成和技术难点,然后对其中的5 0G b i t/s数据传输通道进行了建模、仿真和优化,最后完成了样品的测试。测试结果表明:样品的单通道P AM 4数据速率可达5 0G b i t/s,整体P AM 4数据速率可达2 0 0G b i t/s,满足光收发模块的设计需求。关键词:2 0 0G b i t/s;P AM 4;光发射组件;光收发模块中图分类号:T N 3 0 3 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 4
3、9-0 4R e s e a r c ho n2 0 0G b i t/sP AM 4O p t i c a lT r a n s m i t t e rP a c k a g i n gT e c h n o l o g yZ HOUB e n j u n,HU W e i,HUJ u n h a o(C h o n g q i n gO p t o e l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h o n g q i n g4 0 0 0 6 0,C H N)A b s t r a c t:Ap a c k a g es o
4、 l u t i o nb a s e do nf o u r t h-o r d e rp u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n(P AM 4)o p t i c a l t r a n s m i t t i n gc o m p o n e n t s i sp r o p o s e d,w h o s ed a t a t r a n s m i s s i o nr a t e c a nr e a c h2 0 0G b i t/s,t om e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t
5、so f2 0 0G b i t/sP AM 4o p t i c a l t r a n s c e i v e rm o d u l e s.T h ep a c k a g es o l u t i o n i n t e g r a t e df o u rP AM 4e l e c t r i c a l/o p t i c a lc o n v e r s i o nc h a n n e l s,a n dt h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t eo f e a c hs i n g l ec h a n n e lw a s 5 0G
6、b i t/s.B a s e do nt h ep a c k a g i n gs o l u t i o no f o p t i c a l t r a n s m i t t i n gc o m p o n e n t s,f i r s t l y,t h ec o m p o n e n t sa n dt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so f2 0 0 G b i t/sP AM 4 o p t i c a lt r a n s m i t t i n gc o m p o n e n t s w e r ei n t r o d
7、 u c e d.T h e n,a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s,t h e5 0G b i t/sd a t a t r a n s m i s s i o nc h a n n e lw a sm o d e l e d,s i m u l a t e da n do p t i m i z e d.F i n a l l y,t h et e s to ft h es a m p l ew a sc o m p l e t e d.T h e t e s t r e s u l t ss
8、h o wt h a t f o r t h i ss o l u t i o n,t h ed a t ar a t eo fas i n g l eP AM 4c h a n n e l c a nr e a c h5 0G b i t/s,a n dt h eo v e r a l ld a t ar a t eo ft h ePMA 4c h a n n e l sc a nr e a c h2 0 0G b i t/s,w h i c hc a nf u l l ym e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fo p t i c
9、a l t r a n s c e i v e rm o d u l e s.K e yw o r d s:2 0 0G b i t/s;P AM 4;TO S A;o p t i c a l t r a n s c e i v e rm o d u l e0 引言在光收发模块设计中,传统的N R Z采用“0”、“1”编码,每个电平代表1b i t数据信息。P AM 4采用脉冲幅度调制,使用“0 0”、“0 1”、“1 0”和“1 1”的方式编码,每个电平代表2b i t数据信息。因此,在相同波特率情况下,P AM 4编码格式传输的数据信息b i t数为传统N R Z编码格式的2倍,具有双倍信
10、道容量优势。P AM 4光收发模块基于P AM编码格式的信道容量优 势 而 设 计1,相 对 于 传 统 的 光 收 发 模 块,P AM 4光收发模块使用4个不同的脉冲幅度来传达数据信息,每个幅度由2b i t数据信息组成,其数据信息的传输速率为传统光收发模块的2倍,具有更高的带宽效率,可以满足短距离链路对光模块的需求。现阶段,商用的P AM 4光收发模块中使用的光发射组件由分立器件组成,集成度低、应用领域狭窄2。94 半导体光电2 0 2 3年2月第4 4卷第1期周本军 等:2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件封装技术研究 本文提出了一种2 0 0G b i t/sP AM
11、4光发射组件封装设计,研制出满足2 0 0G b i t/sP AM 4光收发模块设 计 需 求 的P AM 4光 发 射 组 件,旨 在 降 低P AM 4光收发模块的设计难度,提高P AM 4光收发模块的集成度,减小P AM 4光收发模块的体积,以满足更宽、更s广领域的应用。本文研制的光发射组件具备4路电/光转换通道,每路电/光转换通道的数据信息传输速率达到5 0G b i t/s,整体数据信息传输 速 率 为2 0 0G b i t/s,输 出 光 功 率 大 于 等 于5d B m,消光比大于等于4 d B,发射机色散眼图闭合代价(T D E C Q)小于等于2.5 d B,线性度大于
12、等于0.8,光发射组 件 的 体 积 小 于 等 于1 2.1mm7.6mm3.1mm。1 封装方案本文设计的2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件的封装结构如图1所示,由外部柔性电路板(F P C)、HT C C陶瓷走线板(B O X)、电光转换单元(C O C)、光纤耦合单元(F C A)及金属管壳构成。其中,C O C包括4路激光器驱动器、4路15 5 0n m DML激光器、氮化铝金属基板及电阻电容,F C A包含4路单模光纤、光纤固定卡槽。2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件的整体尺寸为1 2mm7.5mm3mm,内部HT C C陶瓷走线板(B O X)与4
13、路激光器驱动器间、4路激光器驱动器与4路15 5 0n m DML激光器间采用金丝互连,外部通过HT C C陶瓷走线板的对外电气引脚与外部柔性电路板相连,以实现与外部电路的信号交互。图1 2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件封装结构2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件包括4路电/光转换通道,需要将输入的5 0G b i t/s的高速数字电信号转换成5 0G b i t/s的高速数字光信号,并通过4路单模光纤输出。在使用时,需要将光发射组件焊接到外部光模块电路板上,通过外部柔性电路板输入5 0G b i t/s的高速数字电信号,然后经HT C C陶瓷走线板完成高速数字
14、电信号的陶瓷穿墙,接着输入到4路激光器驱动器中,再由4路激光器驱动器驱动4路1 5 5 0n mDM L激光器发光,实现电/光转换,最后通过耦合由4路单模光纤输出4路5 0G b i t/s的高速数字光信号,完成2 0 0G b i t/s高速数字信号的传输。因此,根据数字信号的传输、转换链路,需要完成以下几方面研究:(1)2 0 0G b i t/s传输链路信号完整性(S I)设计:F P CB O XC O C;(2)内部互连金丝寄生参数优化;(3)4路单模光纤耦合单元耦合效率优化。2 电路设计2.1 信号完整性(S I)设计2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件高速数字信号的
15、传输链路为:F P CB O XC O C。因此,传输链路的信号完整性分析也即F P C(外部柔性电路板),B O X(HT C C陶瓷走线板),C O C(电光转换单元)的信号完整性(S I)分析,该部分设计使用H F S S进行建模、仿真。在实际的设计中,分别建立F P C,B O X及C O C的仿真模型;为了保证仿真结果的可靠性,根据实际的使用情况增加了外部光模块P C B的仿真模型,进行P C B+F P C+B O X+C O C联动仿真。组件电路仿真模型如图2所示。P C B,F P C模型参考自身电源地,模型阻抗为差分1 0 0;B O X,C O C模型参考P C B板的P
16、C B板的电源地层,B O X的模型阻抗为差分9 8,C O C的模型阻抗为单端2 5,保持与实际的使用一致。图2 2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件仿真模型由于4路5 0G b i t/s的高速数字仿真过程相同,在 此 截 取 了 其 中 一 条 传 输 链 路 进 行 模 拟 带 宽、P AM 4眼图仿真,仿真结果如图3、图4所示。图3所 示 仿 真 结 果 表 明,设 计 的2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件带宽大于2 5G,按照P AM 4的编05S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2 0 2 3 码格式,数据信息的传输速率大于5 0G b i t/s。图3 2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件模拟带宽仿真图4 2 0 0G b i t/sP AM 4光发射组件眼图仿真图4为光发射组件的P AM 4眼图仿真结果(输入信号:5 0G b i t/sP AM 4数字信号P R B S 23 1-1。),光眼图的形状好、抖动小,