10Gbs电吸收调制器的微波封装设计
高速数通光模块
高速数通光模块如下：高速数通光模块是一种光电转换设备，主要用于高速网络中将电信号转换为光信号，或将光信号转换为电信号。
这种设备在光纤通信系统中起着至关重要的作用，因为它们使得数据能够在光纤中传输，从而实现长距离、高带宽的数据传输。
以下是一些关于高速数通光模块的关键技术参数和特点：1. 速率：高速数通光模块通常支持多种数据传输速率，如10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps等。
这些模块能够处理大量的数据流量，适用于数据中心、企业网络和电信运营商的高带宽需求。
2. 波长：光模块可以支持不同的波长，例如850nm、1310nm、1550nm等。
不同波长的光模块适用于不同的传输距离和应用场景。
3. 接口类型：高速数通光模块可能具有不同的接口类型，如SFP、SFP+、QSFP、CFP等。
这些接口类型决定了模块的尺寸和引脚配置。
4. 传输距离：根据光模块的设计和使用的光纤类型，其传输距离可以从几百米到几十公里不等。
例如，多模光纤适用于短距离传输，而单模光纤则用于长距离传输。
5. 调制方式：高速数通光模块可能采用不同的调制技术，如直接调制激光器（DML）、电吸收调制激光器（EML）或马赫-曾德尔调制器（MZM）。
这些技术影响光信号的质量和传输性能。
6. 功耗：高速数通光模块的功耗是一个重要的考虑因素，尤其是在数据中心环境中。
低功耗设计有助于降低整体能源消耗和散热需求。
7. 热插拔：大多数高速数通光模块支持热插拔功能，这意味着它们可以在系统运行时安装或移除，提高了系统的可维护性和灵活性。
8. 兼容性：高速数通光模块需要与交换机、路由器和其他网络设备兼容，以确保无缝集成和高效运行。
9. 标准化：为了确保不同制造商的设备之间的互操作性，高速数通光模块通常遵循国际标准，如IEEE 802.3等。
10. 环境要求：高速数通光模块需要在各种环境条件下稳定工作，包括温度、湿度和电磁干扰等方面。
在选择高速数通光模块时，需要考虑上述参数以及特定的应用需求，以确保选择最合适的解决方案。
基于外调制技术25Gbs激光器组件的设计
出的光耦合进入电吸收调制器时，当调制器未接收
器 啁 啾 、色 散 效 应 所 带 来 的 影 响 ，引 入 了 外 调 制 技
到激励电压时，EML 芯片中的电吸收调制器（EAM）
术。调制器在激光器外部进行工作，对激光器连续
传输过来的光进行控制，使得发射出去的光波呈现
动，使得一端温度上升，同时另一端的温度降低，从
图2
而发生热量转移，达到散热目的。将陶瓷过渡块贴
电吸收调制器的结构图
在 TEC 的表面，实现对激光器的温度控制，从而完成
- 53 -
《电子设计工程》2021 年第 5 期
整体器件的散热，保证器件的稳定工作。
在 5G 传 输 网 中 需 要 大 量 的 光 模 块 ，选 取 低 成
近年来，用户对网络直播、物联网、大数据等相
关业务的需求不断增长，促使光通信技术飞速发展，
5G 的到来加快这一发展趋势。光传输网的传输速
[1]
率和距离在不断增长，为了提高传输网络的带宽，波
分 复 用 (WDM）技 术 已 被 广 泛 应 用 ，对 于 低 速 率 的
[2]
WDM 系统，色散和非线性效应可以通过相关技术得
can meet the requirements of industrial grade and can stably carry out 40 km of information transmission.
Keywords: external modulation technology；EML；TOSA；5G transmission
“0”、
“ 1”的状态，完成信息的加载。
外调制器的原理是内部的晶体材料在外加电场
的作用下，其内部材料特性发生变化，从而完成对通
nrz调制的光模块
NRZ（Non-Return-to-Zero）调制是一种使用两个信号电平来表示数字逻辑信号的1/0信息的调制技术。
在每个时钟周期内，NRZ调制技术可以传输一位逻辑信息。
与PAM4调制相比，NRZ调制技术在数据交换方面具有相对稳定的性能和较低的成本，并且可以直接与25G光模块直连。
在光模块中，4×25Gbps NRZ光模块是一种主流产品，其中前四种光模块的传输速率分别为25Gbps、10Gbps、5Gbps和2Gbps。
这些光模块采用NRZ调制技术，具有低成本、高带宽和低延迟等优点，因此在数据中心、云计算和骨干网等领域得到了广泛应用。
在4×25Gbps NRZ光模块中，下行方向采用静态波长EML（电吸收调制激光器），25G NRZ Driver对电吸收调制器进行信号调制。
同时考虑功率预算，可以选择增加光放大器来增加传输距离。
完成光电转换后的NRZ光信号进入光纤。
上行接收端主要包括突发光放大器、APD（雪崩光电二极管）、突发跨导放大器TIA、限幅放大器等组件。
此外，基于NRZ编码的单波长25G PON ONU光模块也是采用NRZ码型的25Gbps ONU（光网络单元）光模块。
下行方向，光模块采用25G APD、25G跨阻放大器TIA以及25G限幅放大器LA，实现将接收侧25G光信号的光电转换、增益控制放大输出25G NRZ电信号至MAC。
在上行方向，光模块实现将25G NRZ电信号转换为光信号发送到ODN（光配线网络）中，上行方向支持突发控制功能。
总之，NRZ调制技术是一种高效、稳定和低成本的调制方式，广泛应用于高速光模块中，特别是在4×25Gbps NRZ光模块中得到了广泛的应用。
10Gb XFP光模块的电路板设计
10Gb XFP光模块的电路板设计技术分类：通信 | 2003-09-12作者：Lawrence Williams，Steve Rousselle，Bryan Boots；Ansoft 公司形状紧凑、可以热插拔和数据不可知的XFP模块，不仅可以实现10Gbps的传输速率，而且其造型新颖，形状因素灵活多变，便于安装。
XFP MSA（10Gb小形状因数可插拔多源协议）组织定义了用于数据通信和电信的10Gbps 串行收发器，该组织由数据通信行业和电信行业中处于领先地位的网络公司、系统公司、光模块公司、半导体公司以及连接器公司组成（参考文献1）。
于2001年创办该组织的成员公司有Broadcom公司、Brocade公司、Emulex公司、Finisar公司、JDS Uniphase 公司、Maxim Integrated Products公司、ONI Systems公司、ICS公司（住友电气的一家公司）、Tyco Electronics公司和Velio公司。
目前，已经有60多家专门从事光学、集成电路 (IC) 和系统实施的公司做为捐助者和采纳者加入了XFP MSA。
XFP模块是一种可热插拔的、占电路板面积很小的、串行－串行光收发器，可以支持SONET OC-192、10 Gbps 以太网、10 Gbps 光纤通道和G.709链路。
典型的XFP模块应用部件包括XFP模块、主板装配罩和散热器（图1）。
模块尺寸为78×18.4×8.5 mm。
图1 典型主板上的XFP模块应用部件包括装配罩和散热器。
图2 XFP应用部件的端到端电气通道包括一块收发器电路板、一个可插拔连接器、一块主板和一个BGA封装。
XFP器件之所以很小，乃是因为 XFP 器件的大多数电子信号处理都在主板上而不是在模块内部进行。
早期的产品形状，例如Xenpak和用于电信业的300引脚XBI模块，分别需要XAUI （10 Gb 附属单元接口）收发器和复用器/去复用器器件，从而增大了尺寸，提高了复杂性和功耗要求。
高速半导体激光器的微波封装设计
半导体光电子器件的封装是指通过电连接、光耦合、温控、机械固定及密封等措施使半导体光 电子器件成为具有一定功能且性能稳定的组件的装配过程[1]。通常在短距离、低速率下工作的器件， 其电学特性和光学特性的要求相对不高，因而，封装设计过程中重点研究如何使封装器件小型化、 低成本及功能扩展等问题；对于长距离、高速调制半导体光电子器件，由于电路连接引入的寄生参 数会直接影响器件响应带宽，光耦合过程及传输引起的光反射会使半导体光电子器件的工作状态发 生改变， 如： 出现阈值变化、 功率抖动和相位噪声等。 因此， 在光纤通信网络的速率由 2.5Gb/s、 10Gb/s 向着 40Gb/s甚至向更高速率发展的今天，微波设计和光学设计在长距离、高速调制半导体光电子器 件的封装过程中尤为重要。尤其微波封装设计是一个非常复杂的过程，对不同种类激光器、不同封 装类型和不同应用条件[2-7]，考虑的重点和设计思路都可能不同，由此促进了相关封装技术的发展 [8-12] 。本章主要从激光器微波封装设计的角度，介绍一些基本概念和分析思路。 2.1 激光器封装类型 2.1.1 TO 封装激光器 TO封装，即Transistor Outline 或者Through-hole封装技术，原来是晶体管器件常用的封装形式， 在工业技术上比较成熟。TO封装的寄生参数小、工艺简单、成本低，使用灵活方便，因此这种结构 广泛用于 2.5Gb/s以下LED、LD、光接收器件和组件的封装。TO管壳内部空间很小，而且只有四根 引线，不可能安装半导体致冷器。近年来，随着激光器阈值的降低，对于许多应用，例如短距离通 信和背板间的连接， 无致冷TO封装激光器获得了越来越广泛的应用。 由于在封装成本上的极大优势， [2~4] 封装技术的不断提高，TO封装激光器的速率已经可以达到 10Gb/s ，近年来高速TO形式封装激光 器越来越受到人们的关注。 TO 管壳所用材料主要为不锈钢或可阀。整个结构由 TO 管座、内套、透镜座、外套以及内部光 学系统组成，结构上下部有一致的同心度。 根据与外部的光学连接方式， TO 封装可以分为插拔式封装(pluggable)、 窗口式封装(window-can) 和带尾纤(pigtailed)的全金属化耦合封装等三种形式，如图 2.1 所示。
高频微波电子器件封装设计与优化
高频微波电子器件封装设计与优化随着无线通信技术的发展，高频微波电子器件在现代通信系统中起着至关重要的作用。
而高频微波电子器件的封装设计和优化则成为了确保其性能稳定和可靠性的关键。
本文将探讨高频微波电子器件封装设计与优化的相关内容。
首先，高频微波电子器件封装设计的核心目标是提供低损耗、低反射、高热导和良好的电磁隔离。
为了达到这些目标，封装设计必须考虑以下几个关键因素。
首先，合适的封装材料选择至关重要。
针对不同的高频微波器件类型，如功率放大器、混频器、频率合成器等，需要选择不同类型的材料。
常见的封装材料包括陶瓷、有机高分子、玻璃等。
例如，陶瓷材料具有良好的热导性和机械强度，适合用于功率放大器等高功率器件的封装；有机高分子材料则适合于射频芯片的封装，具有低损耗和低反射的特点。
其次，封装结构的设计对于高频微波电子器件的性能至关重要。
封装结构应当合理布局器件内部元器件的位置，以尽量减小信号的损耗和反射。
通过合理设计射频传输线的长度和电路板布局，可以有效降低损耗和反射，提高器件的性能。
此外，封装结构的电磁隔离能力也需要特别关注。
通过设置适当的屏蔽层，可以阻止来自外界的电磁干扰，保护器件的正常工作。
封装与射频管的结构特性、匹配网络设计密切相关。
射频管是高频微波电子器件中至关重要的元器件之一，其性能直接影响整个系统的性能。
封装中匹配网络的设计是确保射频管在工作频段内正常工作的关键。
匹配网络的设计需要考虑射频管的输入输出阻抗、频带宽度、增益等参数，通过优化匹配网络的参数来提高射频管的工作效率和性能。
此外，散热设计也是高频微波电子器件封装中不可忽视的因素。
高频微波器件在工作过程中会产生大量热量，如果不能及时有效地散热，会导致器件温度过高，影响其性能甚至损坏。
因此，在封装设计过程中，需要合理设置散热结构，通过增加散热面积和导热介质的选择来提高散热效果。
同时，可以考虑在封装结构中加入风扇或制冷装置来进一步提高散热效果。
4～6 GHz吸收式微波收发开关的设计
4～6 GHz吸收式微波收发开关的设计
刘继勇;朱满意
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2017(025)001
【摘要】微波开关是电子对抗等系统中的关键部分,开关性能的优劣直接影响系统的正常工作,针对减小噪声对电子系统的干扰和提高开关的可靠性、稳定性的目的.通过对PIN二极管在微波射频电路中的原理进行简单的介绍,并结合ADS仿真软件对PIN管开关电路进行设计、仿真和参数优化,设计出一种工作频带在4～6 GHz,插入损耗最小为0.392 dB,最大为0.403 dB,隔离度最小为75.468dB,最大为86.928 dB及电压驻波比最大为1.362的吸收式微波收发开关.
【总页数】4页(P86-89)
【作者】刘继勇;朱满意
【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院,陕西西安710032;西安工业大学电子信息工程学院,陕西西安710032
【正文语种】中文
【中图分类】TN111
【相关文献】
1.一种0.1-1.2GHz的CMOS射频收发开关芯片设计 [J], 王立果;周鹏
2.67 GHz宽频段同轴微波开关微波特性的设计及验证 [J], 郑国龙;田亚伟;张庆鑫;苌群峰;张楚贤
3.3 GHz微波开关中匹配网络的设计 [J], 刘继勇;朱满意
4.微波光纤通信用的3～6GHz光波/微波收发组件 [J], E.Ackerman;赵小敏
5.全集成2.4GHzCMOS对称式收发开关的设计 [J], 曾令海;池懿;叶明;王文骐因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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文章编号:025827025(2005)112149520410G b /s 电吸收调制器的微波封装设计刘 宇1,谢 亮1,袁海庆1,张家宝1,祝宁华1,孙长征2,熊 兵2,罗 毅21中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室,北京1000832清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室,北京100084摘要 在高速光电子器件的微波封装过程中,需要综合考虑封装寄生参数和芯片寄生参数对器件高频性能的影响。
利用封装寄生参数对芯片寄生参数的补偿作用,成功实现了10Gb/s 电吸收调制激光器(EML )的高频封装。
通过封装前后芯片和器件的小信号频率响应测试结果对比,器件的反射参数和传输参数有所改善,3dB 带宽达到10GHz ;并进行了10Gb/s 速率的光纤传输实验,经过40km 光纤传输后通道代价不到1dBm (误码率为10-12),满足10Gb/s 长距离光纤传输系统的要求。
关键词 光电子学;电吸收调制器;微波封装;频率响应中图分类号 TN 365 文献标识码 AMicrow ave Packaging for 10G b/s EML ModulatorsL IU Yu 1,XIE Liang 1,YUAN Hai 2qing 1,ZHAN G Jia 2bao 1,ZHU Ning 2hua 1,SUN Chang 2zheng 2,XON G Bing 2,L UO Y i 21S tate Key L aboratory on I nteg rated O ptoelect ronics ,I nstitute of S emiconductors ,T he Chinese A cadem y of S ciences ,B ei j ing 100083,China2S tate Key L aboratory on I nteg rated O ptoelect ronics ,De partment of Elect ronic Engineering ,Tsinghua Universit y ,B ei j ing 100084,ChinaAbstract A novel microwave packaging technique for 10Gb/s electro 2absorption modulator integrated withdistributed feedback laser (EML )is presented.The packaging parasitic and intrinsic parasitic are both well considered ,and the packaging circuit is synthetically designed to compensate the intrinsic parasitic of the chip.A butterfly packaged EML module has been successf ully developed to approve that.The small 2signal modulation bandwidth of the butterfly 2packaged module is about 10GHz.Optical fiber transmission experiments at a data rate of 10Gb/s show that the module can be used for long 2haul transmission.After transmission through 40km ,the power penalty is less than 1dBm at a bit 2error 2rate of 10-12.K ey w ords optoelectronic ;electro 2absorption modulators ;microwave packaging ;frequency response 收稿日期:2005201211;收到修改稿日期:2005204212 基金项目:国家973计划(G 2000036601)和国家863计划(2001AA312030,2001AA312290)资助项目。
作者简介:刘 宇(1976—)男,湖南常德人,中国科学院半导体研究所工程师,硕士,主要从事高速光电子器件的微波测试与封装设计方面的研究。
E 2mail :yliu @1 引 言 近年来随着光电子器件不断向高速率发展,光电子器件的高频封装形式也多样化,例如同轴(TO )、微型双列直插(mini 2DIL )、蝶型等,但是无论何种形式,封装引入的寄生参数都会对器件的高频性能产生一定影响。
在Park 等[1～3]和我们以前的工作[4,5]中已经发现,封装中金丝引入的寄生电感效应会对器件的反射和传输参数产生明显影响。
因此,在提高芯片高频性能的同时,也必须不断改进芯片的微波封装技术。
电吸收调制激光器(EML )作为现代高速光通信系统中常用的关键器件,具有低啁啾、高调制度、结构紧凑等特点,适合于长距离的光纤通信系统,因此一直是人们研究的热点之一。
本文对10Gb/s 电吸收调制器和分布反馈(DFB )激光器集成光源芯片第32卷 第11期2005年11月中 国 激 光C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERSVol.32,No.11November ,2005进行了封装设计和研究,测试结果表明封装后器件的3dB 带宽比芯片的带宽有所提高并达到10GHz ,眼图、误码率等大信号测试结果也表明封装后的器件能满足10Gb/s 长距离光纤传输系统的要求。
2 封装结构 在封装过程中采用的是带同轴高频接头(K connector 或GPO connector )的蝶型管壳,如图1所示。
用这种同轴高频接头取代传统蝶型管壳(14引脚)的共面微带结构作为调制信号的输入接口,能有效降低输入信号的回波损耗。
封装结构和电路如图2所示,与同轴高频接头相连的是一段在陶瓷(Al 2O 3)基片上制作的特征阻抗为50Ω的微带线,微带线的另一端通过金丝与热沉相连。
热沉材料采用导热性能良好的AlN 基片,并用薄膜电路工艺在上面制作了电极和匹配电阻,其中匹配电阻为50Ω,与电吸收调制激光器芯片的调制器并联。
上述这部分电路包括同轴高频接头、微带线、金丝、热沉和匹配电阻,称其为封装电路。
在封装过程中,对高频封装电路进行了综合优化设计,并加入一些闲置电路进行阻抗匹配,以达到提高器件高频性能的图1蝶型封装器件外观图(左:K connector ;右:GPO connector )Fig.1Photograph of butterfly modules(left :K connector ;right :GPO connector)图2蝶型封装电路示意图Fig.2Schematic diagram of butterfly packaging circuit目的。
此外,管壳中还集成了由热敏电阻和致冷器组成的温度控制单元、背光探测器和外部电路构成的自动功率控制单元,用带隔离器的单模光纤实现了稳定高效的光耦合。
3 测试结果 在电吸收调制器集成光源的封装研究中,采用了美国ASIP INC.公司的10Gb/s 电吸收调制激光器芯片。
用光谱仪(Advantest Q8384)测得其中心波长为113μm ,如图3所示。
图3电吸收调制激光器芯片的光谱曲线Fig.3Optical spectrum of EML chip为了评估封装质量的优劣,对封装前的芯片和封装后的器件进行了小信号频率响应的测试和比较。
电吸收调制激光器芯片的小信号测试系统包括微波矢量网络分析仪(H P8720D )、微波探针(Cascade ACP40)和光电转换器(New focus 45GHz )。
通常电吸收调制激光器芯片的调制器电极分别位于芯片的上下表面,无法直接用微波共面探针进行测量,于是将其焊接在热沉的一个电极上,而顶面电极用金丝与热沉的另一电极相连。
这样转换成共面电极进行测量的结果中就会包含热沉、金丝和微波探针的影响,寄生参数可以采用等效电路参数提取等方法[4～8]扣除,从而得到芯片的真实响应。
封装后的器件具有同轴接头,可以将网络分析仪校准到同轴端面直接测量得到频率响应。
芯片和器件的反射参数S 11如图4所示,传输参数S 21如图5所示,图5中两组曲线代表分布反馈激光器电流为80mA ,调制器偏压分别为-2V 和-215V 时的测量结果。
在封装过程中,我们对封装引入的寄生参数和芯片寄生参数进行了综合考虑[9,10]。
除了尽可能降低封装引入的寄生参数外,还加入了一些闲置电路6941中 国 激 光 32卷 图4电吸收调制激光器芯片和器件的S 11幅度曲线Fig.4Measured S 11of EML chip and butterflymodule图5电吸收调制激光器芯片和器件的S 21幅度曲线Fig.5Measured S 21of EML chip and butterfly module进行阻抗匹配。
从图4可以看出,虽然在0～5GHz 频段内封装后器件的反射参数比芯片稍大,但是仍然在-10dB 以下,满足器件设计指标的要求;在5～10GHz 频段内,封装后器件的反射参数比芯片有所降低。
因此相应地从图5可以发现,器件传输参数的平坦度有所改善,封装后器件的3dB 带宽比芯片的带宽不但没有降低,反而有所提高,达到了10GHz 。
实验结果表明,封装引入的寄生参数对芯片寄生参数的补偿作用将可以用于改善器件的高频性能。
为了进一步验证,还进行了大信号响应测试和传输实验。
芯片的背对背眼图测试结果如图6所示。
封装后器件的大信号测试系统包括10Gb/s 伪随机码发生器(Advantest D3186)、误码仪(Advantest D3286)、光电转换器(New focus 45GHz )和通信分析仪(Tekt ronix CAS8000)。
在10Gb/s 伪随机码调制下,分别测试了封装后器件的背对背眼图和G.652单模光纤传输40km (无色散补偿)后的眼图。
从图7中可以看出,虽然经过40km 光纤传输后的眼图的张开程度有所下降,但图6电吸收调制激光器芯片的眼图(背对背)Fig.6Eye diagram of EML chip (back to back)图7电吸收调制激光器的眼图Fig.7Eye diagrams of butterfly module(a )0km ;(b )40km图8电吸收调制激光器的误码率Fig.8Bit 2error 2rate (B ER )of butterfly module7941 11期 刘 宇等:10Gb/s 电吸收调制器的微波封装设计仍能符合SON ET OC2192眼图模版的要求。