基于MWDM的25 Gbit/s TOSA设计与开发

胡 婷，乐 欢，高建河，郑庆立，汪 钦，徐红春

(1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430074)

0 引 言

自2019年6月工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放5G商用牌照以来，我国正不断推进5G网络建设进度。5G超高速率、超低时延和超大连接的技术特点不仅提升了用户的网络体验，还推动了人们对未来生活方式的畅想：万物互联，智慧城市。这些应用场景需要更大的带宽、更高精度的时间同步以及海量连接，因此对接入网有更高的要求。5G建设中后期，无线接入网将以分布式无线接入网(Cloud-Radio Access Network,C-RAN)为主，从小集中向大集中演进，中大规模的C-RAN组网也将成为5G前传主流场景[1-2]。为此，中移动提出了中等波分复用(Medium Wavelength Division Multiplexing,MWDM)方案，其主要包括有源天线处理单元侧的彩光模块和无源波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)器以及分布单元侧的有源WDM设备。该方案既能节约光纤资源，支持远程管控，相对有源WDM方案，其还更节约成本[3]。

中国移动提出的25 Gbit/s MWDM方案是在粗WDM方案前6波成熟产品的基础上，通过半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)将这6波分别向左和右平移3.5 nm，从原有的6波扩展成了12波，从而该方案可以借鉴粗WDM方案中直接调制分布反馈(Distributed Feed Back，DFB)激光器的成熟设计经验及工艺控制手段。本文所介绍的MWDM彩光器件，使用55 ℃时工作在中心波长的直接调制DFB芯片配合TEC进行控温，采用成熟稳定的同轴封装形式即可满足要求。

1 器件概述

25 Gbit/s MWDM 的光发射组件(Transmitter Optical Subassembly,TOSA)主要由固定波长DFB激光器、热敏电阻、高频过渡块、背光探测器、钨铜垫块、TEC、晶体管外形(Transistor Outline,TO)底座、TO帽、管体和光适配器等组件构成。

其中DFB激光器[4]为核心物料之一。随着5G的发展和大量数据中心的建成，直接调制激光器已成为了核心光源，目前用于通信的DFB激光器直接调制速率已能达到100 Gbit/s[5]。本文选用的25 Gbit/s MWDM DFB芯片为公司自主研发，基于粗WDM前6波设计了1 271～1 371 nm ±3.5 nm 12个波长通道，芯片工作温度控制在55 ℃，支持工业级模块需求，极具市场竞争力。

过渡块作为激光器芯片的直接载体，是微波设计中重要的封装过程之一。除了导热功能外，还需在表面制作电路结构，考虑传输线设计的阻抗变换和微波模式的匹配问题[6]。本文中的高频过渡块设置了多个参考地平面，整体插损和回损极低，相比普通微带线传输线，其具有更低的辐射损耗且更利于抑制寄生模式。

2 设计开发

本文开发TOSA的过程主要分为两个部分：TO和器件级开发。在TO级开发中，本文采用立式封装形式，由于涉及两个维度的元件贴装及打线，工艺较为复杂，但该结构对光路要求低，后期易于量产。

由于在高温情况下，立式同轴封装形式会使TEC的降温能力大大下降。现对器件整体结构进行热仿真，若环境温度为85 ℃，固定底座底面温度为85 ℃，TEC 施加电流320 mA，考虑DFB 芯片垫块与两侧过渡块之间的热传导，将每侧的10 根金线合在一起建立等效模型，不考虑辐射，图1所示为器件热仿真结果。如图所示，器件整体温度在59.71～93.13 ℃，支架和垫块的温度在59.9～67.9 ℃，芯片温度为64.72 ℃，垫块及管芯的温度过高，考虑增加TEC电流来进一步降温，得到的仿真结果如表1所示。

表1 不同TEC电流下器件及支架垫块的温度范围

图1 TO及支架垫块的整体温度分布图

由表可知，增加电流并不能显著降低支架和垫块的温度。假设两侧的陶瓷垫块与钨铜过渡块之间的温差为40 ℃，那么从陶瓷垫块经过金线传递至钨铜过渡块的功率约为0.40 W，加上芯片的功耗为0.15 W，要求TEC制冷量超过了0.55 W。而TEC的最大制冷量为 0.55～0.91 W，此时TEC冷热端温度都为27 ℃。因此，金线的导热使得TEC的制冷能力不足。并且激光器的热功耗是持续加载的，TEC不断将热量从冷端搬运到热端，使热量在底座和散热块部位聚集，而底座和散热块的热量只能通过空气热对流向外散热，热端散热能力有限，也使得冷端制冷能力下降。

因此在封装设计时，可以从如下3个方面来提升器件整体散热能力：(1)用导热率高的银浆胶水[7]来贴装TEC、钨铜垫块、陶瓷基板以及热敏电阻，降低整体传输和接触热阻[8]，通过选择不同的固化剂和稀释剂的材料和配比[9]，使得胶水粘性适中，固化条件简单易实现，有利于量产工艺实行；(2)考虑减少金丝数量和长度，从而降低立柱到过渡块的热量传输；(3)在器件的热端面使用导热膏或散热块来加速热端热量的传输。

本文所提25 Gbit/s MWDM TOSA器件整体装配图如图2所示。先进行隔离器贴装，由于管帽侧壁较厚，可通过穿透焊将滑配管体和TO焊在一起，在第二次焊接时采用斜焊搭接焊将滑配管体和插针焊在一起。TOSA的封装主要采用激光焊接工艺，其能瞬时加热升温和快速降温，通过选择合适的参数，如脉冲能量、脉冲波形、离焦量和焊接角度等，可改善焊接质量，提高焊接强度，减小残余应力以及减少焊后偏移[10]。

图2 TOSA整体装配图

3 实验测试结果

整个器件样品完成后，对其进行性能测试，包括光电特性、TEC温控能力以及光眼图测试。

5个样品的光电特性测试结果汇总如表2所示。

表2 器件样品光电特性测试结果

由表可知，器件跟踪误差在1 dB以内，性能稳定。对器件温度循环前后TEC 交流电阻进行测试，结果显示其交流阻值变化率在5%以内，表明TEC未劣化，可靠性高。这5个样品各项光电性能指标都符合标准，且在保证波长稳定的情况下，器件功耗适中。

为验证TEC的升温和降温性能，现将器件样品1～4分别放在环境温度-40和90 ℃的温箱中，给器件加40 mA的电流，逐渐增加TEC工作功率，得到如图3所示的制热和制冷温差与TEC功率之间的曲线关系。由图可知，在90 ℃的环境温度下，TEC的最大制冷温差为36 ℃，继续增加TEC功率，降温效果不明显；在-40 ℃的环境温度下，TEC的功率和制热温差几乎成线性关系，最高可升温120 ℃。

图3 TEC制冷和制热能力曲线

当芯片在55 ℃工作在中心波长时，MWDM可接受的最大波长漂移为±2.5 nm，而DFB激光器的波长容易随温度的变化发生漂移[11]。实际测量中，本文所用DFB激光器温度漂移约为0.09 nm/℃。对TEC来说，能将温度控制在30～70 ℃就能满足要求，使波长稳定工作。由上述实验结果可知，文中TEC完全能满足工业使用需求。

图4所示为两个激光器组件样品封装到SFP28模块的常温和高低温光发射眼图，在25.78 Gbit/s的调制速率下，12波常温眼图的消光比(Extinction Ratio，ER)>3.5 dB，眼图模板容限(Eye Mask Margin，EMM)>25%，高低温环境下，性能略有下降，但EMM仍>20%，器件整体性能优良，完全满足5G前传彩光模块的需求。

图4 25 Gbit/s光眼图

4 结束语

本文针对5G前传网络设计并制作了同轴带制冷25 Gbit/s彩光TOSA器件，其光电特性和控温能力都达到了预期，并且TOSA的工作带宽也完全满足25 Gbit/s速率的信号传输。同时，委托可靠性实验室对一批样品进行了热冲击、温度循环、低温存储、机械振动和变频震动等可靠性实验，实验结果表明，TOSA的性能满足工业应用要求。5G前传正在部署中，基于WDM技术的前传方案得到了运营商的认可，同时如何降低成本是每种WDM方案所面临的技术难点[12]，相对于使用蝶形封装的MWDM模块，本文设计的同轴封装器件会使模块成本大大降低，有助于前传网络的建设，可推进我国的5G商用进程。