高速光器件封裝技術發展趨勢

張一鳴 劉宇 張志珂

摘要：針對5G應用場景，高速光模塊起著重要的作用，其設計、制備和封裝受多方面的因素限制。就封裝這一因素對光模塊高頻特性的影響進行了詳細分析，并提出了3種不同維度的設計方案。基于此，針對性地開發了3種符合應用標準的高速光模塊。認為在未來大規模、高密度、高速率光電集成器件中，封裝技術將會朝著多維度、多形態的方向發展。

三維封裝；高速直調激光器；單片集成外調激光器；多波長激光器

High-speed optical module plays an important role in 5G application scene， and its design， fabrication and packaging are affected by many factors. In this paper， the influence of high-frequency characteristics of the optical module induced by packaging is analyzed in detail， and three different dimensions of the design scheme are proposed. Then three kinds of high-speed optical modules conforming to the application standard have been developed. It is considered that in the future， the packaging technology will be developed in the direction of multi-dimension and multi-form in the large scale， high density and high rate optoelectronic integrated devices.

three-dimension packaging； high-speed directly modulated laser； monolithic integrated electro-absorption modulated laser； multi-wavelength laser

1 面向5G的光模塊需求及

挑戰

1.1 光電模塊的需求

隨著物聯網、大數據和云計算技術的飛速發展，信息交互所需要的數據通信量呈現出爆炸式增長，應運而生的光纖通信技術隨之成為能夠實現高速信息傳輸的首選技術。其中，作為支撐光學通信發展的基礎部件——半導體激光器，其結構與性能也在不斷被優化，以滿足現代通信需求。相比于4G，5G的基站發生變化，從4G的射頻拉遠單元（BBU）、基帶處理單元（RRU）兩級結構演進到5G的集中單元（CU）、分布單元（DU）和有源天線處理單元（AAU）三級結構，進而衍生出前傳、中傳和回傳3個網絡。5G的概念提出后，對光模塊的需求大幅度增加，這個需求主要體現在2個方面：一是對光模塊數量的需求，除了傳統前傳和回傳網絡中需要的光模塊之外，在中傳的環節，也即CU和DU連接的中傳環節，也需要增加新的光模塊；二是對光模塊速率的需求，4G前傳主要是6G光模塊，后逐步升級到10 G光模塊，回傳在4G初期采用GE，后逐步升級到10 G，而5G通信中僅5G前傳就需要25 G/50 G光模塊數千萬只，回傳速率則更高，需要100 G的光模塊，回傳的匯聚層將會升級到200 G或400 G[1]。

1.2 光電芯片封裝的挑戰

據工信部表示：5G系統將于2020年實現商業化，在制定標準的進程中，25 G/100 G光模塊標準得到大多數運營商的肯定。研究者們不斷改良半導體材料的特性，研制滿足速率標準的、更集成化、更小型化的半導體光模塊，大幅度提高了數字信號和模擬信號的傳輸質量。

高速光模塊的開發需要經過3個流程：芯片設計與制造、高頻電極和電路設計、光電子器件封裝和測試。過去，人們一直認為提高高頻響應特性的關鍵在于芯片的設計與制作，這其實忽視了封裝設計的重要性。然而封裝作為模塊實用化的最后一步，也是關鍵的一步，對器件能夠實現良好的高頻響應有著至關重要的意義，失敗的封裝設計將會導致器件的性能大大降低，甚至不能使用，使前期制作功虧一簣。如今，模塊的微波封裝測試技術作為微波光電子學領域的重要研究課題之一，已經成為研究者們爭相開發的新技術。目前為止，關于封裝完備的光電模塊在各大期刊上都有詳盡描述。早期EBBERG A等人于2000年報道了一種采用TO封裝形式無制冷的多量子阱直調激光器，傳輸速率達到10 Gbit/s[2]。次年，OKAYASU M等人報道了蝶形封裝的直調激光器模塊，3 dB帶寬已達到15 GHz[3]。2015年，中科院半導體所報道了一種蝶形封裝的高速窄線寬激光器模塊，3 dB帶寬達到30 GHz，同時線寬只有130 kHz[4]。隨后，他們通過對封裝結構的改善，將直調激光器模塊的帶寬提高到32 GHz[5]。這些產品已滿足5G應用中25 G光模塊的需求，只是還不能進行大批量的工業生產，因為還需要在操作穩定性、工藝重復性等方面進行優化。而對于5G應用中100 G光模塊的要求來說，單個激光器已無法滿足這么高的傳輸速率，于是多波長直調激光器陣列（MLA）應運而生。目前，100 G光模塊的實現主要是利用4個波長的直調激光器芯片，每個芯片數字帶寬達到25 Gbit/s，大大減輕了單波長的壓力。早在1987年，就出現了多波長激光器芯片的報導， OKNDA H等人使用四分之一波長移位結構，實現一個5通道1.3 μm分布式反饋激光器（DFB）陣列[6]，單通道調制帶寬超過4 GHz。1990年，NEC的YAMAGUCHI M等人采用了半絕緣的掩埋異質結構實現了1.5 μm波段4×2.5 Gbit/s激光器陣列[7]。2008年，1 550 nm波長下單片集成4×25 Gbit/s的DBR激光器陣列問世，該芯片滿足100 Gbit/s以太網傳輸的需求[8]。之后，第1個小型化1 310 nm波長的100 Gbit/s（4×25.8 Gbit/s）光發射模塊（TOSA）也隨即問世[9]。在2014年，電子電信研究院KWON O K研究團隊制作出混合集成100 Gbit/s（10×10 Gbit/s）直調激光器陣列，但未進行封裝，只是將整體固定在可散熱的鎢銅襯底上[10]。單管光模塊的封裝已經具備良好的基礎了，但是多通道光模塊封裝技術的發展還比較緩慢，存在電串擾大、光耦合效率低、裝配工藝精度低、模塊體積大等問題。因此在5G應用中，更高速單管光模塊封裝和多通道光模塊封裝是研究的重點。

對于單個器件和陣列器件的封裝，應考慮以下幾個方面：

（1）如何設計高效的光耦合系統以及控溫系統；

（2）單管器件向高速率大帶寬發展時，如何利用封裝帶來的寄生效應補償芯片的不足；

（3）陣列器件向小型化、集成化發展時，如何實現在有限空間內完成多路微波信號的饋入，以及完成結構變換、模場匹配等復雜的結構設計。

2 25 G/100 G光模塊封裝

的關鍵技術

2.1 高速光模塊的一維封裝技術

僅從器件結構優化這一角度來說，半導體激光器芯片的最大調制帶寬能夠達到40 GHz。這對于5G場景應用中所需的25 GHz光模塊是足夠的，那么對于擁有大帶寬的芯片來說，封裝成為限制器件整體帶寬的主要因素。通常，完整的封裝設計包括電、熱、光、機械設計。在進行封裝設計時主要從如何完整的傳輸微波信號，如何控制芯片工作時的溫度狀態，如何高效率地進行光電轉換以及如何保證器件的高可靠性這幾個方面進行考慮。對于單管激光器來說，光耦合、控溫系統以及機械設計已經是成熟的技術，只有影響器件帶寬性能的高頻微帶電路是一直在不斷優化改進的，接下來我們主要對電連接中高頻微帶電路設計作重點分析。

一般使用微帶線、共面波導以及接地共面波導這幾種傳輸線結構實現電連接，主要完成信號饋入、信號傳遞等功能，需要注意的是：不同傳輸線結構之間還存在特征阻抗變換和微波模式匹配的問題。電極間的連接常用金絲鍵合的方式，但是金絲鍵合會帶來電寄生效應[11]。以往認為電寄生效應只會惡化電網絡的傳輸響應，但是經研究發現：金絲引入的電感和電極焊盤帶來的電容會產生諧振，該諧振構成低通型網絡，出現類似于濾波器的頻率響應特性，利用這一特性可以擴展其截止頻率，對光電子器件響應特性進行補償，從而提高器件的高頻響應特性。因此，我們利用先進系統設計（ADS）仿真軟件建立激光器等效電路模型，模型包括封裝網絡和本征芯片2部分。通過調節封裝網絡部分的電路模型，得到的模擬電路響應能夠對實際封裝給予指導意義。當金絲長度為0時，即沒有補償時，器件的響應曲線可以認為是器件的真實響應。隨著金絲長度的增加，傳輸響應曲線逐漸抬升，帶寬也在增加。這意味著金絲引起的諧振效應補償了器件在高頻處衰落的響應。當金絲長度增加到某一值時，該效應達到飽和，此時激光器帶寬達到了最大值，并且帶內平坦度良好。而當金絲長度繼續增加時，金絲引起的諧振對器件高頻處的衰落的補償不一致，導致帶寬逐漸下降，諧振峰很高。仿真結果如圖1所示，在實際封裝中，我們將金絲長度設置為0.6 mm，得到與仿真一致的實測圖。盡管激光器的小信號頻響擴大了，但是如果觀察激光器的相頻特性，會發現在諧振頻率處線性度會很差，通常這不利于高速數據的調制傳輸。對于通信系統而言，幅頻特性和相頻特性一樣重要，相頻特性不好，會導致相位信息丟失，在復雜的高階調制中缺少一個維度的調制空間。因此，在帶寬和平坦度之間我們需要找到平衡點，通過控制金絲的長度以滿足不同的應用場景。

在此仿真理論指導下，中科院半導體所報道了一種封裝結構，如圖2所示。在這種封裝結構中，芯片n極直接貼裝在信號線上，p極通過金絲與旁邊的地線相連，金絲的長度可控。并且，在轉折處采用了掃掠彎頭以確保阻抗和寬度的連續性。另外，為了將同軸接頭轉化為平面結構，研究者引入了一段過渡傳輸線，以保證電磁場的模場匹配。再結合等效電路，優化了直流偏置電路。這種封裝方案提高了注入效率，降低了功耗，有效補償了高頻衰落，增大了帶寬。最終封裝后的該模塊經測試，帶寬達到了30 GHz。

2.2 100 G混合集成二維封裝技術

二維封裝主要是針對陣列器件。目前100 G以太網中，受限于單波長激光器的帶寬，多波長激光器的提出與研究尤為必要，起初采用的方案是10×10 Gbit/s，通道數較多使得控制復雜，功耗也大。后來隨著單管激光器帶寬的提升，采用4×25 Gbit/s的方案成為更加可行的方案。

陣列器件的封裝主要考慮的就是多路信號的輸入輸出以及信號間串擾問題。以多波長激光器為例，管殼和微波電路設計都明顯與單個激光器不同，多波長激光器的管殼除了起支撐、導熱的作用外，還要完成多路微波信號的同時饋入。在單波長激光器封裝中，僅使用單個高頻連接器就可以實現這部分功能，比如標準的2.92 mm接頭、1.85 mm接頭、GPO接頭、GPPO接頭，但是在多通道陣列的封裝中，這些連接器都因體積上的原因，無法被用于多通道射頻的饋入。尤其對一個標準微尺寸的管殼而言，寬度只有4～5 mm，因此采用多層的陶瓷基板和地-信號-地共面波導電極引腳陣列來作為信號饋入的通道是一種可行的方法。中科院半導體研究所在2018年使用這種管殼，結合表面貼裝技術，制作出了一種4×25 Gbit/s的發射模塊。該結構的設計省去了常用于板級互連的印制軟帶傳輸線，克服了管殼內外電路的高度差，射頻和直流信號分開可控，并且該模塊還可以方便地與外部控制電路PCB板集成在一起。除此之外，微波電路的設計也尤為重要，多路射頻信號的排布以及結構變換都需要在有限的管殼空間內實現。該研究小組設計的4×25 Gbit/s的發射模塊采用抗干擾能力強的接地共面波導傳輸線作為高頻信號傳輸介質，并結合側面金屬化以及過孔設計實現上表面地電極與下表面地平面的連接，形成一個整體的“共地”結構，實現了良好的接地和屏蔽效果，改善了信號的完整性，有助于降低信號線之間的電串擾。對該電路結構測試的結果顯示：相鄰通道之間的串擾在30 GHz范圍內均低于-22 dB。

該四通道陣列芯片經過上述的封裝設計及工藝，實現了能夠滿足100 G-4 WDM-10標準的超緊湊，低功耗的多波長激光器模塊[12]，如圖3所示。管殼體積只有11.5 mm×5.4 mm×5.4 mm。內部包括4個波長間隔20 nm的直調激光器模塊、四通道微波電路、4個聚焦透鏡，以及帶有LC光口的粗波分復用復用器。對該模塊進行特性測試，得到測試結果為：4個通道的3 dB頻率響應均在20 GHz左右；但是由于在芯片和合波器間沒有足夠的空間安置隔離器，使得光束在傳輸過程中產生了各種反射，這些反射最終會進入到激光器芯片有源腔，干擾載流子的流動，在帶寬曲線上呈現出振蕩現象。在光纖通信中，載流子的漲落會帶來相對強度噪聲，信號質量惡化、眼圖閉合、誤碼率升高等現象。因此在實際光纖傳輸中，為了降低光反射對信號的影響，往往需要使用分立的光纖隔離器。目前，市面上一般將隔離器集成在LC光接口里，但這樣會增加光接口的長度，而這很難應用到大規模高集成度的光電子芯片中。因此研究片上波導隔離器是十分有必要的。

2.3 100 G單片集成三維封裝技術

三維封裝是繼二維封裝之后提出來的新概念，目的是為解決更加小型化的集成芯片的封裝問題，尤其是針對單片集成芯片的耦合封裝。單片集成的光子芯片上功能元件眾多，動輒幾十個到幾百個分立的功能部分；而集成芯片本身尺寸僅在百微米到幾個毫米的量級，并行芯片間隔非常小；每個功能元件有時又不止一個電極，電極排布極其緊湊，電極功能也是多種多樣。以多通道電吸收調制激光器陣列模塊為例，激光器需要為其提供偏置電流的電極，調制器需要為其提供工作電壓和高頻調制加載的電極，器件的調諧電阻需要為其提供控制電流的電極；就整體模塊化封裝而言，還需要溫度傳感與控制系統的若干電極。數量繁多的電極引出鍵合引線十分密集，極易引起信道間的串擾。高頻傳輸線的布局也是一個難點，布線的時候不如分立芯片靈活，極有可能出現長度多變，多種結構相互轉換的情況。傳輸線過長容易產生諧振，電極彎曲會造成一定的場輻射，電極之間的互連也必然存在模場失配和阻抗失配的問題。以上的因素都將導致高頻微波信號的損耗和串擾，惡化激光器陣列模塊的性能，需要在設計時加以重點考慮。

為了解決單片集成芯片的封裝問題，中科院半導體所在2014年提出三維封裝概念并完成了一款12通道電吸收調制激光器陣列[13]。創造性地設計了三維匹配電阻陣列結構，再結合底面傳輸線陣列、采用植球技術，形成良好的立體式機械過渡與電學連接，如圖4所示。經測試，匹配電路單元在20 GHz范圍內，反射S11在-10 dB以下；在40 GHz的范圍內，反射系數S11均在-6 dB以下，阻抗匹配狀況良好且一致性好。對該封裝結構進行管芯級測試，預計可以滿足每通道10 GHz的多通道并行傳輸。

3 結束語

5G時代的開啟將極大刺激光模塊產業的需求，在現有的封裝工藝和基礎上，研制出高帶寬的單管激光器模塊以及超小型高集成度的陣列激光器模塊是科研界和產業圈都亟待解決的問題。本文中，我們回顧了芯片封裝的發展歷程，指出了芯片封裝的發展方向，從針對單管芯片的一維封裝發展到針對陣列芯片的二維、三維封裝，結合芯片結構以及指標需求來合理制定具體的封裝方案。我們預計：隨著倒裝焊技術的成熟，未來的封裝形式將結合倒裝焊技術和多維度封裝技術，進一步降低封裝引入的寄生效應，擴大工藝操作的冗余度，壓縮封裝的成本。目前針對5G應用中大量部署的25 G、100 G光模塊，國家還需要不斷提高科研水平以及完善科研成果到產業鏈的平滑過渡，完成最終5G通信的大規模部署，滿足前傳、中傳、后傳網絡不同應用場景下不同程度光接口的業務需求。

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