硅光调制器与单模光纤高效耦合技术研究

谭忠祥，傅焰峰，胡胜磊，王 宁，张德川，肖 希

(1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.国家信息光电子创新中心，武汉 430074；3.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205)

0 引 言

随着通信速率的不断提高，尤其是现在处于第五代移动通信(5th Generation Mobile Networks, 5G)建设的关键阶段，将极大提高通信设备的用量[1]，这也就对通信设备的成本提出了要求，而降低通信设备中价格高的光芯片的成本也成为了一个重要的研究课题[2]。硅光(Silicon Photonic, SIP)芯片集成工艺平台与现有的互补金属氧化物半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺完全兼容的优点，非常利于大规模光子芯片的加工，具有极大的成本优势，同时硅材料的机械性能和耐高温性能也非常好，便于加工与封装[3]。但同时，SIP芯片在应用中还存在一些问题，由于硅波导的尺寸为220 nm×500 nm,而普通单模光纤的模场直径为9 μm，SIP芯片与单模光纤存在较大的模场失配，会导致耦合效率较低[4]。如果采用小模场光纤的话，对于批量生产会有成本上的困扰，另外在目前光纤的使用中可以通过研磨等方式在单模光纤前端进行加工处理，对光纤的模场进行改善，但是都有时间和成本上的困扰。

1 SIP调制器调制原理及结构

本文中的SIP调制芯片采用的是马赫曾德尔调制器，其调制方式是将光束通过一个3 dB耦合器，入射光被分为两束等强度的光分别进入两个调制臂，两个调制臂采用反向偏置正负极 (Positive-Negative, PN)结，调节不同的电压会产生相位的变化[5]。经过调制臂后两束光合束在一起，当两束被调制的光合并时，两个臂的相差就转换为振幅调制，从而实现电信号到光信号的转换。SIP调制器的结构如图1所示。

图1 SIP调制器结构

本文的耦合结构是在进光口端用光纤将1 310 nm的横电 (Transverse Electric，TE)波模式的光耦合进入芯片，在接收端用单模光纤接收。

2 端面耦合效率分析及实验验证

目前SIP芯片的耦合方式主要有端面耦合和光栅耦合两种，本文所提SIP芯片采用的是端面耦合方式[6]。如果不考虑角度失配、轴心错位和物理变形等因素的影响，单模光纤与芯片之间的端面耦合损耗主要来自于模场失配[7]。耦合效率η的计算使用重叠积分算法：

单模激光器、光纤和波导等元件的远场分布可近似用高斯分布描述如下：

式中：z为束腰距离；w(z)为z处的光斑半径；r为出光半径；e为自然常数；i为复数；λ为波长；k为波数；R(z)为在距离z处的波导半径；w0为束腰半径。

两个无任何平移和角度偏移的光场的耦合效率为

式中：w10为出射光的束腰半径；w20为接收端的束腰半径。

将积分面元换算成半径上的积分面元dS=πdr2，

推出耦合效率的化简公式为

上式中模场都为圆形，若模场光斑为矩形或不规则形状，则其耦合效率公式为

式中：x为水平方向；y为垂直方向[8]；wx1为出光水平方向模场半径；wx2为接收端水平方向模场半径；wy1为出光垂直方向模场半径；wy2为接收端垂直方向模场半径。

对本文所使用的单模光纤和SIP芯片分别进行模场测试，其测试框架图如图2所示。

图2 模场测试框架

采用1 310 nm光源，芯片的进光口采用单模光纤将光耦合进入芯片，经过待测件，进入模斑测试仪的接收口。待测件放置于带有位置调节功能的调节台，本文采用的是六维微调架，其最小调节度量为10 μm。测试得到的光纤与SIP芯片的远场模斑如图3所示。由图可知，SIP芯片在远场Y方向的模场直径比X方向大。

图3 模斑测试结果

下面以SIP芯片的模场测试为例进行模场计算，高斯光束如图4所示。图中，W0为高斯光束的束腰直径，WZ为当前高斯光束的光斑直径，两者之间的关系为

图4 高斯光束

式中，Z为测试光斑与束腰的距离。

利用上述公式计算，需要知道Z值以及对应的模斑尺寸WZ,模斑尺寸可以通过模斑测试仪直接读出，由于在搭建测试台位时不能精确地测量出Z的距离，在模斑测试仪与束腰之间还有一个参考距离，如图2(a)所示，于是测量了一组数据计算出该参考距离，具体数据如表1所示。

表1 SIP芯片模场测试数据

利用该数据分别对X和Y方向拟合出曲线，如图5所示。

图5 模场拟合曲线

该曲线与X轴的交点即为束腰所在位置，令y=0即可计算出x的值。经计算，该SIP芯片X方向的模场半径为3.03 μm，Y方向的模场半径为1.71 μm。利用上述测试方法测试了其他几组数据，根据测试数据计算出测试的模场数据如表2所示。

表2 模场测试值

单模光纤在规格书上给出的模场直径为9 μm，测量值与其相符。SIP芯片在进出的光口进行了模斑变换器(Spot Size Converter, SSC) 设计，将本来较小的模场转换为较大模场。根据式(6)计算出理论上的不带匹配液SIP芯片与单模光纤的耦合效率为61.4%，带匹配液SIP芯片与单模光纤的耦合效率为77.7%。为提升耦合效率，提出一种低成本的耦合方式，其结构如图6所示。

图6 低成本耦合结构

该耦合结构由单模光纤、SIP芯片和紫外胶水构成。将单模光纤去掉一部分涂覆层，紫外胶水外挂于单模光纤的端面上，由于表面张力形成顶点偏离中心向下的弧面，然后固化紫外胶，SIP芯片上的SSC结构端面与外挂紫外胶水的单模光纤水平对齐，调节单模光纤的距离使出光功率达到最佳值。点胶让光纤端面形成一个向外凸的弧形达到汇聚光束的作用，光路如图7所示，图中，n1为紫外胶的折射率，约为1.5，n2为空气折射率，其值为1.0。

图7 光路汇聚

根据折射定律公式

式中：A为入射角；B为出射角。由于n1>n2，所以出射角B就必须大于入射角A,从而使光束汇聚，使出光的模场变小，这样就使得SIP芯片与单模光纤之间模场更加匹配，同时其折射率与光纤纤芯相近，由界面带来的反射几乎不存在[9]。上述理论结构除了对紫外胶水的折射率有要求外，还对紫外胶水的触变指数(Thixotropy Index，TI)有要求，触变是衡量胶黏剂点胶性能的重要参数，这是一个约定俗成的规定,通常TI= 0.5 rpm粘度/5.0 rpm粘度。0.5 rpm粘度，静态粘度，是液体开始流动的粘度，越大越不容易滴胶；5.0 rpm粘度，动态粘度，液体流动起来的粘度，越小越容易点胶操作。一些场合下，也会规定10.0 rpm粘度/1.0 rpm为TI，在点胶时，理论上希望静态粘度比较大，动态粘度相对小，即高触变，但也不是越高越好，根据实际应用，找到一个对应的区间。本文选用了两种同折射率不同TI的紫外胶水进行了对比实验，分别将单模光纤的端面点上两种紫外胶水，实际状态如图8所示。

图8 单模光纤点胶状态

分别用其模场测试光斑，结果如图9所示。

图9 点胶后模场测试光斑

测试数据根据式(7)～(8)计算得到低TI值,其在X方向上的模场半径为4.71 μm，在Y方向上的模场半径为4.60 μm，几乎没有改善。高TI值在X方向上模场半径为4.30 μm，在Y方向上的模场半径为4.25 μm。根据式(6)计算，理论上的耦合效率为81%。为了验证,进行了对比实验。

实验方案：用1 310 nm光源连接单模光纤进光口，通过上述实施方案测试端面点胶的实验数据；然后换一组相同插损的单模光纤不点胶测试实验数据，整体实验数据如表3所示。

表3 低成本耦合方式下的实验数据

经过上述实验数据对比，如图10所示，在单模光纤端面点胶的耦合效率提升了1 dB。

图10 芯片出光曲线

本文通过直波导测试单模光纤的实际损耗，得到实验数据如表4所示。

表4 耦合损耗

直波导耦合损耗曲线如图11所示，实验数据分析其进出两个端口带匹配液的总损耗为3 dB,单端损耗约为1.5 dB,计算出其耦合效率为70.8%，这个结果非常符合理论值。

图11 直波导耦合损耗曲线

3 眼图测试架构及结果

传统的不归零码 (Non-return-to-zero，NRZ)调制方式，其每个信号符号周期只能传输1 bit的逻辑信息，已经不能满足需求，在这个基础上提出了4阶脉冲幅度调制 (4-Level Pulse Amplitude Modulation,PAM4)的调制方式，其在每个符号周期可以表示2 bit的逻辑信息，这样在相同的波特率下，其吞吐量就是NRZ的两倍[10]。衡量PAM4调制信号质量的一个重要参数就是发射色散眼图闭合四相(Transmitter and Dispersion Eye Closure Quaternary,TDECQ)，它是用来衡量发射机在一定条件下与理想发射机测试出来的灵敏度差异；其次是消光比 (Extinction Ratio,ER)，它是影响光纤系统的一个重要参数，定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比，它直接影响光接收机的灵敏度。

本文根据上述耦合结构制作SIP组件进行测试，在SIP芯片的两个调制臂上通过一个驱动芯片加载上射频信号，其结构如图12所示。

图12 测试组件结构图

在实验室搭建测试机台，眼图测试架构如图13所示。

图13 眼图测试架构图

采用1 310nm的分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser, DFB)作为光源，本文所提SIP组件芯片是偏振相关，通过偏振控制器调节光的偏振状态。配置误码测试仪(Bit Error Rate Tester，BERT)产生4路26.562 5 Gbit/s信号，码型设置成PRBS 2E15-1 NRZ。配置OPTICAL时钟数据恢复(Clock Data Recovery，CDR)设备锁定模块输出53 Gbuad PAM4光信号，并输出13.281 25 Gbit/s时钟信号到采样示波器，从数据通信分析仪(Data Communication Analyzer，DCA)上的PAM4眼图中记录ER和TDECQ值，从功率计上记录功率值并加上校准的损耗值为实际输出光功率。PAM4测试眼图如图14所示。

图14 PAM4测试眼图

TDECQ值为2.01 dB,ER值为4.60 dB,根据100 G-FR4 Lambda MSA发射端参数要求的TDECQ≤3.4 dB和ER≥3.5 dB可知，该组件完全符合其标准。

4 结束语

光模块的发射光功率直接影响网络通信质量，耦合效率高低直接影响到发射端眼图。本文提出的低成本耦合结构，以模场匹配理论为依据，实验验证其有效地解决了SIP调制器芯片在光模块应用中损耗大的问题，提升了发射光功率，在现有基础上将耦合效率提升了1 dB，可有效降低所需激光器的输出光功率，从而降低光模块的生产成本。该耦合方案简单易操作，节省了透镜和特殊芯片工艺，在大量生产时具有成本优势。本文提出的高效耦合方式在大批量制作时存在点胶一致性的问题，在实际生产过程中需要对胶水进行细致的选型，尤其要关注折射率与TI这两个点，同时要保持点胶工艺的一致性，才能在光纤表面形成合格的面型。随着SIP应用技术的不断成熟，本文所提耦合方案有望在未来的SIP模块中获得广泛运用。