基于硅光可调25 Gbit/s光发射组件的研究

成璇璇,赵建宜,肖 希,李淼峰,王 磊,张 博,石 川,胡蕾蕾,蔡 敬

(1.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430074；2.国家信息光电子创新中心，武汉 430074)

0 引 言

随着光通信的快速发展，光纤传输的容量突增，对密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)网络系统的管理和调度灵活性要求也在不断提高，可调激光器(Tunable Tramsmitter Optical Subassembly, TTOSA)在5G[1]网络中将会有广泛应用。目前主流商用的可调谐光源主要有3种方案：(1)分布反馈(Distributed Feed Back，DFB)阵列方案；(2)外腔方案；(3)马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)和布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)单片集成方案。DFB阵列方案多采用多模干涉器或微机电系统(Micro Electromechaniacl System,MEMS)进行波长选择，多模干涉器会增加10 dB的损耗，这将会大大提高器件的整体功耗，而MEMS驱动电路较复杂，需要引入更多的硬件电路控制。外腔方案体积较大，无法实现小型化及集成化封装。因此从器件集成化、功耗以及成品率考虑，本文将着重对25 Gbit/s基于硅光混合集成TTOSA的关键技术进行研究，从DBR激光器、硅光调制器以及其组件的研制3个方面进行介绍。所研制的TTOSA发射组件采用了自研的DBR激光器和硅光调制器芯片混合集成封装，并利用光路折叠的设计，节省了封装尺寸，使得可调器件满足小型可热插拔光收发一体模块(Small Form-factor Pluggable, SFP)SFP28模块的封装要求。在波长控制单元，采用胶合方案的标准具与TTOSA配合使用时，能够不采用半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)[2]进行温度控制，降低模块功耗。因此该器件的开发和研制为提高TTOSA的成品率、降低芯片的开发难度做出了有益的贡献。该技术既打破了国外技术壁垒，也为高端器件国产化积累了经验。

1 TTOSA芯片研制

为实现宽波长调谐范围，自研芯片采用InGaAsP应变量子阱作为有源区材料，通过应变调控及量子阱厚度等参数优化，增大增益谱覆盖范围，为芯片在C波段提供足够的增益能力。

在波长调谐部分，芯片采用两个取样周期略有不同的取样光栅组成反射镜及谐振腔，利用游标效应增强波长调谐范围。由游标效应原理可知，由前后光栅构成的谐振腔自由光谱范围(Free Spectrum Range,FSR)由如下公式决定：

(1)

式中，Δλf和Δλb分别为前后取样光栅的梳状反射峰间距。由式(1)可知，增大各自反射峰间距及缩小前后光栅反射峰间距差都可增大FSR，实现更大的波长调谐范围[3]。但上述两个参数也不可随意增大，过大的反射峰间距会使得光栅调谐所需电流过大，从而产生较高的额外波导附加损耗，劣化芯片的功率性能。而过小的前后光栅反射峰间距会导致谐振腔次模与主模反射率差别过小，劣化芯片的光谱质量，因此需要权衡选择。在本文中，取样光栅梳状反射峰分别采用6.5及7.0 nm的波长间隔，实现了85 nm左右FSR，可覆盖整个C波段，同时兼顾功率劣化和光谱劣化特性。图1所示为FSR谱线图。

图1 FSR谱线

图2所示为研制的TTOSA芯片性能图。如图2(a)所示，不同颜色曲线分别对应不同的波长范围，由图可知，全波段范围内边模抑制比>40 dB。如图2(b)所示，波长调谐范围为1 528～1 568 nm，覆盖了整个C波段。如图2(c)所示，曲线从下到上代表不同器件功率随增益电流的变化，由图可知，TOSA芯片全波段阈值<35 mA。如图2(d)所示，曲线从下到上依次代表不同器件出光功率随半导体放大器电流的变化，由图可知，其出光功率>40 mW。以上这些芯片指标为组件研制提供了有力保证。

图2 TTOSA芯片性能

2 硅光调制器芯片研制

近年来，基于微电子工艺平台的硅基光电子技术可最大限度地发挥微电子先进成熟的工艺能力和大规模集成制造的成本优势。硅光子芯片在低成本、高集成度和高可靠性等方面优势显著，已成为光通信器件的主要选择之一，并取得了广泛的商业应用[4]。综合考虑成本、可靠性和芯片自主可控等因素，模块所采取的调制器方案即为硅光MZM。硅光MZM芯片主要由MZM调制区、监控光探测器(Monitor Photo Detector，MPD)单元、热调相移器单元和光纤耦合器单元几个部分组成。调制器有源区部分为了使带宽得到优化采用了推挽驱动的电学结构，另外，考虑到带宽和消光比的权衡，整个调制器有源区长度选择为2.5 mm。行波电极部分为了获得较高的阻抗并同时保持电光速度匹配，采用了慢波电极的设计结构。为了方便耦合工艺制作和模块偏置点控制，在调制器的芯片输入输出部分都加入一个用于光功率监控的MPD。调制器芯片的输入输出部分采用基于模斑变换的端面耦合器。芯片的传输(S11)和反射(S21)实测结果如图3所示。

图3 调制器芯片传输和反射特性图

3 TTOSA和硅光调制器芯片光学系统的耦合设计

TTOSA光学系统主要由TTOSA芯片、透镜、隔离器、分光片、调制器芯片和光透镜组成，其实物图如图4所示。

图4 器件实物图

为了减小器件的封装尺寸，采用了光路折叠结构，通过一组45 °的反光片将激光器的光耦合进接收器，如图5所示。

土壤是种子生根发芽的重要基础条件，但依据多样化的传播形式，随机掉落至地面之上。很多种子在适合的环境中生产，植被逐渐的状态，但也有很多种子掉落至比较恶劣的环境之中，在土壤中逐渐消亡，在此，仍有一部分种子会处于休眠状态中，被称之为土壤种子库。很多动物以种子为食，在环境要素与生物要素影响下，部分种子萌芽，部分种子消亡，很多休眠中的种子成为了植被恢复更替的内在动力。质量比较小的种子具有持久种子库的优势。因此，植被在种子阶段时，种子库为植被的恢复与更新创造了良好的条件，长期保存着种子的活力，并在适宜的环境中发挥其生态意义。

图5 激光器与调制器之间的耦合设计

如图6所示，调制器芯片输出端经过透镜准直耦合进入光口。光口透镜现使用的是日本公司的一款聚焦透镜,针对光口透镜设计了耦合方案，光束经过准直后光斑半径为196 μm,双透镜放大倍率为-1.257。

图6 光口透镜和调制器输出端透镜光路分析

4 波长锁定设计

标准具是由两块平板玻璃或石英板构成的一种干涉仪。以石英标准具为例，标准具端面镀有具有特定反射率的反射膜，两端面相互平行，端面间形成平行平面的介质层，光束在这两个镀膜端面介质层间来回反射，形成与光束波长有关的干涉光谱图[5]。标准具透射光谱曲线满足下式：

(2)

式中：P(λ)为标准具透射光谱曲线[4]，λ为波长；F为精细度系数，F=4R/(1-R)2，R为端面反射率；thita为光束在标准具内单次反射的相位变化，

(3)

式中：nt为标准具内的材料折射率；d为标准具的厚度(即标准具内两个端面之间的距离)；phi为标准具内光束的反射角度。

由sellmeier色散公式可知，波长λ与折射率n的关系满足下式：

(4)

式中，sqrt为平方根运算。

由康宁提供的折射率变化与温度的关系可知：

(5)

式(4)和(5)中：A1～A3、B1～B3和C1～C4均为已知系数；dn为温度变化dt时折射率的变化率(相对于20 ℃的情况下，即n=20 °)。

(6)

由式(4)～(6)可得到特定波长在特定温度下的折射率。

(7)

(8)

式中，m为整数时，通过式(3)可得到标准具峰值透射波长λ*(以下可简称峰值波长)，λ*满足式(9)。由式(8)和(9)可得，λ*与标准具内光束的反射角度phi的关系为

(9)

由干涉原理可知，多光束间相位差为2mπ时，前向传输为标准具峰值透射波长λ*，当温度发生变化时，由式(7)和(8)可知，石英材料折射率nt会发生变化，其热光系数εSiO2=dn/dt≈9×10-6/℃ @20 ℃。nt发生变化，λ*也发生变化[6]。本文中以d=2 mm，R=30%，m=3 732为例，λ*与温度的关系系数为1.25 GHz/℃。当温度不变时，改变标准具内光束的反射角度phi也能改变λ*，λ*与cos(phi)呈线性关系。

标准具材料折射率随温度发生变化，对应λ波长光的相位发生变化，导致λ*发生变化。为了补偿石英材料的折射率变化(热光系数为正数)，我们可选择热光系数为负数的玻璃材料与石英材料胶合在一起，补偿温度变化时石英材料带来的相位的变化。保持对应λ波长光的相位在不同温度下不变，即可保证FSR光谱不发生漂移，标准具峰值透射波长λ*不发生变化，达到温度补偿效果。图7所示为材料折射率与温度的关系图。

图7 材料折射率与温度的关系

本文中选用D-FK61作为设计方案说明，D-FK61热光系数为负数，εD-FK61=dn/dt≈-9×10-6/℃@20 ℃。

在温度为20 ℃时，设计胶合方案的标准具。设石英厚度为d1，D-FK61厚度为d2。

(10)

式中，nSiO2和nD-FK61分别为20 ℃时石英和D-FK61的折射率，此处取d=2 mm，设计胶合标准具与上文石英标准具FSR一致的标准具。

(11)

当温度发生变化时，两种材料折射率带来相位的变化量相抵消，消除了相位变化造成的标准具波长的漂移。由式(10)和(11)求得d1和d2大小，并计算胶合标准具FSR。由d1和d2数据绘制胶合标准具FSR光谱图，如图8所示，本文胶合方案与2 mm的石英标准具FSR光谱图完全一致。但石英标准具在温度为-20～60 ℃时，波长漂移约0.8 nm，而经双胶合设计补偿后的标准具，其波长漂移约0.02 nm，后者波长漂移量降低了一个数量级。

图8 两种标准具FSR光谱图对比

经过温度补偿方案设计的双胶合方案标准具，波长对外界温度变化敏感度小，漂移量小。对比传统的标准具设计方案，均采用融石英标准具或空气标准具的方案，并配合TEC进行温度补偿，从而实现波长锁定的目的，一般波长精度可控制在0.02 nm范围内。而本设计在不采用TEC温度控制的情况下实现了波长控制，简化了控制电路和封装尺寸，并且其精度与带TEC控制的方案达到同一水平。图9所示为两种标准具波长漂移对比图。

图9 两种标准具波长漂移对比

胶合标准具两种材料通过紫外胶粘接胶合固化，胶合面镀有增透膜，增透膜减小了两种材料的直接折射率不匹配问题，降低了端面菲涅尔反射。

隔离器由两个起偏器及法拉第晶体胶合组成，外部有磁环。也可根据光路偏振态设计需要，在隔离器第2个起偏器后面胶合一块半波片。隔离器起到对光路单向传输的作用，防止后面光路回反光反射进入TTOSA，影响激光器工作。隔离器镀有增透膜，用以减小光线反射。

5 TTOSA射频分析

射频设计是高速封装设计的关键，将直接影响器件的高频性能指标。在设计时对管壳、高频过渡块和软带等元件的回波损耗、插入损耗、串扰和时域反射[7]等参数进行了严格仿真。图10模拟了芯片在芯片载体(Chip on Carrier，COC)上、管壳和软带级联情况下的回波损耗、插入损耗和时域反射性能，得出在40 GHz频率范围内，回波损耗在-15 dB以内；插入损耗3 dB之内的带宽可以达到40 GHz；时域反射在50 Ω±10%范围内，但在金丝建合区域存在阻抗失配，在工艺中可通过控制金丝建合的数目、跨度和角度来减小金丝建合对射频系统阻抗匹配的影响。

图10 芯片在过渡块上、管壳和软带级联时回波损耗、插入损耗和时域反射性能

6 TTOSA特性

在室温(25 ℃)条件下对TOSA的25 Gbit/s眼图、带宽和波长特性进行了测试。由图11可知，25 Gbit/s眼图模板容限(Eye Mask Margin,EMM)均在30%以上，消光比(Extinction Ratio,ER)在7.5 dB以上。可见，该器件在常温下性能优良。

图11 常温下25 Gbit/s光眼图

为了更全面地检测TTOSA高低温性能，分别测试了环境温度为0和70 ℃下25 Gbit/s的光眼图。为保证器件良好的散热性，在设计时选用了导热系数较高的钨铜材料作为基板，同时在高频过渡块上下基板密集排布过孔，通过孔内填钨技术实现上下表面连通，增加器件的热传导面积。通过一系列的优化设计，保证了器件在高低温下的射频性能。如图12所示，EMM和ER在0～70 ℃温度范围内较为稳定，达到了业内同类先进水平。

图12 高低温下25 Gbit/s光眼图

7 结束语

本文提出了一种基于硅光调制器混合集成的25 Gbit/s TTOSA,从芯片研制和组件研制两个方面进行了介绍,并结合光路设计、标准具、射频分析和性能方面进行了展示。实验结果表明，此TTOSA完全满足SFP28封装形式和IEEE 802.3ca[8]协议标准，达到了国内外同类产品的水平。该组件的成功研制打破了国外企业在可调器件研制方面的壁垒，对提高国内光器件制造商竞争力具有积极地推动作用，且已具备一定的量产能力，有望在DWDM系统中得到广泛应用。