100G QSFP28 CWDM4 光發射組件的研究

陶宏偉，孫莉萍

（1.武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074；2.武漢光迅科技股份有限公司，湖北武漢 430074）

隨著云計算與大數據等物聯網新技術的商用化，在數據中心傳輸的流量和帶寬呈現指數級的增長趨勢，根據知名光通信市場調研機構Light Counting 的統計，2019 年使用到數據中心的光模塊超過了5 000 萬只，預測在2021 年使用到整個數據中心的光模塊市值有望達到49 億美元，這無疑將是數據中心光模塊快速發展的一大契機。其中基于IEEE 802.3cd 協議的100G QSFP28 CWDM4 光模塊由于高速率及低功耗等優點被大量地應用于華為、阿里等公司的數據中心，為了順應數據中心光模塊價格低、功耗小、速率快、信道密度高和生命周期短等發展要求[1]，文中將著重研究組成該光模塊的核心100G QSFP28 CWDM4光發射組件（Transmitter Optical Subassembly，TOSA）的關鍵技術[2-4]。

1 TOSA光學系統的分析

1.1 兩種波分復用方案的分析

如圖1 所示，圖1（a）為100G QSFP28 CWDM4 光發射組件基于空間光合波的方案，該方案的整體組件主要包括：半導體激光器芯片、準直透鏡、介質薄膜濾光片（Thin Film Filter，TFF）、光路轉折棱鏡、隔離器、匯聚透鏡、光纖適配器組件、封裝管殼、柔性電路板及單模光纖。

該方案的發射原理如下：半導體激光器通過柔性電路板連接外部電路從而驅動發光，發射的四道高斯光束通過4 個準直透鏡進行光束的整形，整形完成后四道不同波長的光束通過薄膜濾光片進行合波，形成一道光束，該光束通過匯聚透鏡的再次整形與單模光纖的數值孔徑相匹配，最終通過光纖適配器組件進入單模光纖。該方案的光發射組件使用了BOX 封裝，氣密性較好，器件可靠性高；在耦合工藝上使用了雙透鏡方案，所以整體光路比較長，能夠容下足夠多的光學元件。該方案的缺點有：在生產過程中耦合工藝復雜、封裝周期長，導致投入的成本較高[5-6]。

圖1（b）為基于陣列波導光柵（Array Waveguide Grating，AWG）合波的方案，該方案的整體組件包括：陶瓷基板、半導體激光器芯片、匯聚透鏡、陣列波導光柵、隔離器、單模光纖等。

圖1 兩種合波方案光發射組件結構

該方案的發射原理如下：通過鍵合金線使半導體激光器與外部電路結構連接，激光器驅動后發射四道高斯光束，光束通過匯聚透鏡整形后（主要與AWG 的模場相匹配），四道光束通過光學波導進行合波，最終合波光束進入單模光纖。該方案的主要優勢如下：

1）采取板上芯片（Chip On Board）COB 封裝的形式，光發射組件通過鍵合線與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB)鍵合[7]，代替傳統方案使用焊錫連接柔性電路板與PCB 板，在模塊的組裝生產出現故障時，拆解及修理難度大幅度降低；

2）使用單透鏡耦合方案，光路結構短小緊湊，能夠有效減小TOSA 的尺寸；

3）使用的光學元件較少，便于在生產過程中快速定位失效原因；生產封裝周期快，產出量能夠大幅度提升。

通過比對兩種合波方案，雖然基于TFF 合波的方案可靠性高、耦合損耗小，但是該方案的光路復雜、生產成本高；而基于AWG 合波的方案雖然損耗較大，但是通過對光學元件進行選型，對光路結構進行優化，TOSA 的成品是能夠符合IEEE802.3cd 協議標準，為100G QSFP28 CWDM4 模塊低成本化提供了一條路徑[8-10]。

1.2 透鏡耦合系統搭建及容差分析

文中研究的是基于AWG 波分復用方案的光發射組件，其中，光路結構是使用單透鏡方案。通過確定透鏡以及半導體激光器的選型，文中使用Zemax軟件進行透鏡耦合光路的仿真[11-12]，仿真結果如圖2所示。在實際生產過程中，為了減小反射，AWG 接收光端面有8°角的拋光，為了補償這8°角，LD 出光點會比AWG 波導高30 μm，在此基礎上對光學系統耦合效率進行優化，最終得到系統耦合效率為0.991，接收器耦合效率為0.874，光纖耦合效為0.866，其中光纖耦合效率等于系統耦合效率與接收器耦合效率的乘積。根據光纖耦合效率為0.866，說明整個光路的最低耦合損耗為0.62 dB，此時光路總長度LD 端面到AWG 端面的距離為1.31 mm，其中，LD 到透鏡距離為167 μm，AWG 到透鏡的距離為643 μm。

圖2 單透鏡耦合系統仿真

在實際生產制造中，由于工藝限制，LD、透鏡、AWG 的位置不是完全固定的，導致耦合效率不可能是最佳的，所以進行容差分析是光路設計時必須考慮的問題。文中通過對透鏡的容差進行一系列分析，得到了相應的工藝精度以及設備的允許誤差范圍，耦合效率如圖3 所示。

圖3 透鏡耦合效率

由容差結果分析，透鏡的耦合效率對光軸方向的位移比較不敏感，2.8 μm 級別的移動，光功率僅下降了1 dB；而在水平或者高度方向平移0.3 μm 透鏡耦合效率就會下降1 dB，繞垂軸或水平方向透鏡角度旋轉0.07°光功率也會下降1 dB。所以在實際生產中進行光路調試時，只需要調整透鏡軸向、水平、高度方向這3 個維度就可以實現光路耦合，但是需要先調好水平、高度兩個方向再調整軸向光路；透鏡耦合完成后進行膠水固化時，通過透鏡高度方向以及角度旋轉的容差數據分析，膠水的高度收縮應小于0.3 μm，角度偏移應在0.07°以內。

2 TOSA射頻分析

射頻設計是高速封裝設計的關鍵，射頻設計的優劣將直接影響到器件的整體性能指標，文中研究的TOSA 以NRZ 調制方式工作速率為25 Gb/s，激光器芯片貼裝在LD 基板上，然后以金絲鍵合的方式與PCB 形成電連接，所以在鏈路中需要傳輸高頻信號的有LD 基板和金絲線。對于LD 基板，為了與PCB板阻抗匹配，它的傳輸特性阻抗設計為單端25 Ω或者差分50 Ω；由趨膚效應可知，對于1 mm 長的金絲，在高頻下的電感為0.8 nH，與負載電阻一起會形成低通濾波器，從而阻止高頻信號的傳輸，其截止頻率f=R/2πL，所以對于20 GHz 信號，要求電感L≤R/πf，即L≤0.398 nH，換算成金絲線長度L=0.497 5 mm。所以，通過縮短金絲長度或者并聯多根金絲，可以降低寄生效應，從而減小金絲對射頻系統阻抗匹配的影響[13]。

3 TOSA特性分析

3.1 PIV測試與光譜測試

實驗過程中的環境條件為25 ℃，在此條件下進行基于AWG 合波TOSA 的光電特性檢測，主要包括PIV 測試和光譜測試。PIV 測試主要是篩選器件的P-I、V-I、Im-I特性曲線，其中P是單通道光功率，I是激勵電流，V是正向電壓，Im是背光電流。光譜測試是通過光譜儀進行光發射組件的中心波長、邊模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio，SMSR）等參數的測量。首先搭建測試系統如圖4 所示，該測試系統使用光分路器將出射的激光分為兩部分，分別接入PIV 測試系統和光譜儀中，由此實現同步測試。

圖4 PIV測試與光譜測試系統

系統使用軟件程序控制電流源、皮安計、電開關等儀器，來進行自動化測試和數據搜集。整體的測試原理：通過設置輸入電流的掃描終點和掃描的步進，在掃描過程中加電電流按照步進逐步變大，同時系統的其他儀器在每一個電流點處進行電壓V、光功率P、背光電流Im等的讀值，采集的測試數據同步傳遞給控制主機，控制主機再按照每個采集點處的數據在二維坐標系中進行線性曲線的繪制[14]。最后，測試軟件按照不同的算法對測試指標進行計算，如正向電壓與背光電流都是在特定驅動電流下的讀值，P-I曲線的閾值電流和曲線扭折點按照二階微分的算法進行計算。圖5 為實驗樣品4 個通道的PIV曲線，通過圖中數據及曲線分析，激光器的閾值電流較小，正向電壓曲線與二極管伏安特性曲線一致，輸出光功率曲線呈線性并且無異常扭折，表明光發射組件的PIV 性能正常。表1 為光發射組件4 個通道的光譜測試數據，中心波長及邊模抑制比均滿足IEEE802.3cd 協議標準。由光發射組件PIV 測試及光譜測試的結果，基于AWG 合波方案的TOSA 的光電特性符合使用要求。

表1 實驗樣品光譜測試數據

圖5 實驗樣品4個通道PIV測試曲線

3.2 光眼圖測試

半導體激光器作為放射光源，一般以大信號狀態進行工作，激光器長時間以該狀態進行工作會導致非線性失真，最終光發射組件不能輸出合格的光信號。因此進行光眼圖測試是為了對光發射組件的性能進行檢查，判斷組件能否符合光纖通信的要求。

光眼圖測試原理：待測光發射組件進行加電后，會把誤碼儀提供的高速電信號轉換為光信號（其中電信號是由大量非歸零碼組成的偽隨機比特序列模擬得到）；然后，光信號通過光纖傳輸到光示波器，示波器通過對光功率及波長進行調配，最后進行采樣形成眼圖。

圖6 為光發射組件在高低溫及常溫下的光眼圖測試結果。由圖像分析可知，眼圖整體形狀較好、眼線清晰、眼睛張開度大、無明顯散點現象；由數據分析可知，消光比大于3.5 dB，眼圖余量大于5%，均符合IEEE 802.3cd 協議標準，充分表明光發射組件在高低溫及常溫環境下發射的光信號質量滿足合格標準[15-16]。

圖6 三溫狀態下的光眼圖

4 結論

文中對100G QSFP28 CWDM4 光發射組件的兩種波分復用方案進行了比較，從而選擇了低成本化的AWG 合波方案。通過對該方案的光發射組件進行光路仿真、光學容差分析、射頻分析和特性分析，結果表明該方案的TOSA 完全滿足QSFP28 封裝形式和IEEE 802.3cd 協議標準，達到了生產成本更低，但性能與國內外同類型產品水平一致的要求，目前該方案的TOSA 已經具備批量化生產的能力，有望在數據中心中得到廣泛的應用。