100G QSFP28 CWDM4 光发射组件的研究

陶宏伟，孙莉萍

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

随着云计算与大数据等物联网新技术的商用化，在数据中心传输的流量和带宽呈现指数级的增长趋势，根据知名光通信市场调研机构Light Counting 的统计，2019 年使用到数据中心的光模块超过了5 000 万只，预测在2021 年使用到整个数据中心的光模块市值有望达到49 亿美元，这无疑将是数据中心光模块快速发展的一大契机。其中基于IEEE 802.3cd 协议的100G QSFP28 CWDM4 光模块由于高速率及低功耗等优点被大量地应用于华为、阿里等公司的数据中心，为了顺应数据中心光模块价格低、功耗小、速率快、信道密度高和生命周期短等发展要求[1]，文中将着重研究组成该光模块的核心100G QSFP28 CWDM4光发射组件（Transmitter Optical Subassembly，TOSA）的关键技术[2-4]。

1 TOSA光学系统的分析

1.1 两种波分复用方案的分析

如图1 所示，图1（a）为100G QSFP28 CWDM4 光发射组件基于空间光合波的方案，该方案的整体组件主要包括：半导体激光器芯片、准直透镜、介质薄膜滤光片（Thin Film Filter，TFF）、光路转折棱镜、隔离器、汇聚透镜、光纤适配器组件、封装管壳、柔性电路板及单模光纤。

该方案的发射原理如下：半导体激光器通过柔性电路板连接外部电路从而驱动发光，发射的四道高斯光束通过4 个准直透镜进行光束的整形，整形完成后四道不同波长的光束通过薄膜滤光片进行合波，形成一道光束，该光束通过汇聚透镜的再次整形与单模光纤的数值孔径相匹配，最终通过光纤适配器组件进入单模光纤。该方案的光发射组件使用了BOX 封装，气密性较好，器件可靠性高；在耦合工艺上使用了双透镜方案，所以整体光路比较长，能够容下足够多的光学元件。该方案的缺点有：在生产过程中耦合工艺复杂、封装周期长，导致投入的成本较高[5-6]。

图1（b）为基于阵列波导光栅（Array Waveguide Grating，AWG）合波的方案，该方案的整体组件包括：陶瓷基板、半导体激光器芯片、汇聚透镜、阵列波导光栅、隔离器、单模光纤等。

图1 两种合波方案光发射组件结构

该方案的发射原理如下：通过键合金线使半导体激光器与外部电路结构连接，激光器驱动后发射四道高斯光束，光束通过汇聚透镜整形后（主要与AWG 的模场相匹配），四道光束通过光学波导进行合波，最终合波光束进入单模光纤。该方案的主要优势如下：

1）采取板上芯片（Chip On Board）COB 封装的形式，光发射组件通过键合线与印制电路板（Printed Circuit Board，PCB)键合[7]，代替传统方案使用焊锡连接柔性电路板与PCB 板，在模块的组装生产出现故障时，拆解及修理难度大幅度降低；

2）使用单透镜耦合方案，光路结构短小紧凑，能够有效减小TOSA 的尺寸；

3）使用的光学元件较少，便于在生产过程中快速定位失效原因；生产封装周期快，产出量能够大幅度提升。

通过比对两种合波方案，虽然基于TFF 合波的方案可靠性高、耦合损耗小，但是该方案的光路复杂、生产成本高；而基于AWG 合波的方案虽然损耗较大，但是通过对光学元件进行选型，对光路结构进行优化，TOSA 的成品是能够符合IEEE802.3cd 协议标准，为100G QSFP28 CWDM4 模块低成本化提供了一条路径[8-10]。

1.2 透镜耦合系统搭建及容差分析

文中研究的是基于AWG 波分复用方案的光发射组件，其中，光路结构是使用单透镜方案。通过确定透镜以及半导体激光器的选型，文中使用Zemax软件进行透镜耦合光路的仿真[11-12]，仿真结果如图2所示。在实际生产过程中，为了减小反射，AWG 接收光端面有8°角的抛光，为了补偿这8°角，LD 出光点会比AWG 波导高30 μm，在此基础上对光学系统耦合效率进行优化，最终得到系统耦合效率为0.991，接收器耦合效率为0.874，光纤耦合效为0.866，其中光纤耦合效率等于系统耦合效率与接收器耦合效率的乘积。根据光纤耦合效率为0.866，说明整个光路的最低耦合损耗为0.62 dB，此时光路总长度LD 端面到AWG 端面的距离为1.31 mm，其中，LD 到透镜距离为167 μm，AWG 到透镜的距离为643 μm。

图2 单透镜耦合系统仿真

在实际生产制造中，由于工艺限制，LD、透镜、AWG 的位置不是完全固定的，导致耦合效率不可能是最佳的，所以进行容差分析是光路设计时必须考虑的问题。文中通过对透镜的容差进行一系列分析，得到了相应的工艺精度以及设备的允许误差范围，耦合效率如图3 所示。

图3 透镜耦合效率

由容差结果分析，透镜的耦合效率对光轴方向的位移比较不敏感，2.8 μm 级别的移动，光功率仅下降了1 dB；而在水平或者高度方向平移0.3 μm 透镜耦合效率就会下降1 dB，绕垂轴或水平方向透镜角度旋转0.07°光功率也会下降1 dB。所以在实际生产中进行光路调试时，只需要调整透镜轴向、水平、高度方向这3 个维度就可以实现光路耦合，但是需要先调好水平、高度两个方向再调整轴向光路；透镜耦合完成后进行胶水固化时，通过透镜高度方向以及角度旋转的容差数据分析，胶水的高度收缩应小于0.3 μm，角度偏移应在0.07°以内。

2 TOSA射频分析

射频设计是高速封装设计的关键，射频设计的优劣将直接影响到器件的整体性能指标，文中研究的TOSA 以NRZ 调制方式工作速率为25 Gb/s，激光器芯片贴装在LD 基板上，然后以金丝键合的方式与PCB 形成电连接，所以在链路中需要传输高频信号的有LD 基板和金丝线。对于LD 基板，为了与PCB板阻抗匹配，它的传输特性阻抗设计为单端25 Ω或者差分50 Ω；由趋肤效应可知，对于1 mm 长的金丝，在高频下的电感为0.8 nH，与负载电阻一起会形成低通滤波器，从而阻止高频信号的传输，其截止频率f=R/2πL，所以对于20 GHz 信号，要求电感L≤R/πf，即L≤0.398 nH，换算成金丝线长度L=0.497 5 mm。所以，通过缩短金丝长度或者并联多根金丝，可以降低寄生效应，从而减小金丝对射频系统阻抗匹配的影响[13]。

3 TOSA特性分析

3.1 PIV测试与光谱测试

实验过程中的环境条件为25 ℃，在此条件下进行基于AWG 合波TOSA 的光电特性检测，主要包括PIV 测试和光谱测试。PIV 测试主要是筛选器件的P-I、V-I、Im-I特性曲线，其中P是单通道光功率，I是激励电流，V是正向电压，Im是背光电流。光谱测试是通过光谱仪进行光发射组件的中心波长、边模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio，SMSR）等参数的测量。首先搭建测试系统如图4 所示，该测试系统使用光分路器将出射的激光分为两部分，分别接入PIV 测试系统和光谱仪中，由此实现同步测试。

图4 PIV测试与光谱测试系统

系统使用软件程序控制电流源、皮安计、电开关等仪器，来进行自动化测试和数据搜集。整体的测试原理：通过设置输入电流的扫描终点和扫描的步进，在扫描过程中加电电流按照步进逐步变大，同时系统的其他仪器在每一个电流点处进行电压V、光功率P、背光电流Im等的读值，采集的测试数据同步传递给控制主机，控制主机再按照每个采集点处的数据在二维坐标系中进行线性曲线的绘制[14]。最后，测试软件按照不同的算法对测试指标进行计算，如正向电压与背光电流都是在特定驱动电流下的读值，P-I曲线的阈值电流和曲线扭折点按照二阶微分的算法进行计算。图5 为实验样品4 个通道的PIV曲线，通过图中数据及曲线分析，激光器的阈值电流较小，正向电压曲线与二极管伏安特性曲线一致，输出光功率曲线呈线性并且无异常扭折，表明光发射组件的PIV 性能正常。表1 为光发射组件4 个通道的光谱测试数据，中心波长及边模抑制比均满足IEEE802.3cd 协议标准。由光发射组件PIV 测试及光谱测试的结果，基于AWG 合波方案的TOSA 的光电特性符合使用要求。

表1 实验样品光谱测试数据

图5 实验样品4个通道PIV测试曲线

3.2 光眼图测试

半导体激光器作为放射光源，一般以大信号状态进行工作，激光器长时间以该状态进行工作会导致非线性失真，最终光发射组件不能输出合格的光信号。因此进行光眼图测试是为了对光发射组件的性能进行检查，判断组件能否符合光纤通信的要求。

光眼图测试原理：待测光发射组件进行加电后，会把误码仪提供的高速电信号转换为光信号（其中电信号是由大量非归零码组成的伪随机比特序列模拟得到）；然后，光信号通过光纤传输到光示波器，示波器通过对光功率及波长进行调配，最后进行采样形成眼图。

图6 为光发射组件在高低温及常温下的光眼图测试结果。由图像分析可知，眼图整体形状较好、眼线清晰、眼睛张开度大、无明显散点现象；由数据分析可知，消光比大于3.5 dB，眼图余量大于5%，均符合IEEE 802.3cd 协议标准，充分表明光发射组件在高低温及常温环境下发射的光信号质量满足合格标准[15-16]。

图6 三温状态下的光眼图

4 结论

文中对100G QSFP28 CWDM4 光发射组件的两种波分复用方案进行了比较，从而选择了低成本化的AWG 合波方案。通过对该方案的光发射组件进行光路仿真、光学容差分析、射频分析和特性分析，结果表明该方案的TOSA 完全满足QSFP28 封装形式和IEEE 802.3cd 协议标准，达到了生产成本更低，但性能与国内外同类型产品水平一致的要求，目前该方案的TOSA 已经具备批量化生产的能力，有望在数据中心中得到广泛的应用。