基于HTCC 的200 Gbit/s 光调制器外壳的研制

胡进，颜汇锃，陈寰贝

（南京电子器件研究所，南京 210016）

1 引言

随着5G 通信的快速发展，在大数据、高性能计算机和信息安全等新兴领域的推动下，大规模集成电路迅速地向高速化和大型化方向发展，数据处理的速度和容量成倍提升。光模块作为5G 网络的基础构成单元，随着光通信行业的发展其发展速度进一步加快，作为其核心元件的高速光调制器，其传输端子的设计与实现是封装中尤为重要的环节。

当信号传输速率达到10 Gbit/s 以上时，信号传输会变得十分敏感，所以要对高速信号传输端口进行设计和优化，保证信号完整性。在端口设计上多采用过孔结构来实现信号的异面传输，近年来，国内外众多科研人员对过孔结构进行了深入研究[1-4]。SHIUE 等人研究了差分过孔短柱（stub）对高速信号完整性的影响，并提出了减小其影响的方案[1]；纪成光等人研究了差分过孔的焊盘及反焊盘对高速信号完整性的影响[2]；YAN 等人提出了呈容性负载的面通孔结构来实现异面传输的高速端口[3]；SHEN 等人研究了差分过孔孔间距、地孔的分布、过孔孔径等传输线结构对高速信号完整性的影响[4]。

然而当过孔高度过高或信号速率较大时，由于寄生效应的影响，信号完整性得不到保证。本文通过将过孔结构与地孔结合成类同轴结构，基于陶瓷工艺，设计出一款高速光调制器传输端子，在高度为1.9 mm的异面传输条件下支持单通道28 Gbit/s 的高速信号传输。相较于传统的过孔结构，类同轴结构可以有效地减小寄生效应和阻抗突变，进一步保证端口的信号完整性。

2 高速信号传输端口的设计

信号传输端口可以实现内部芯片与外部电路的电气互连，在端口设计中需通过优化端口传输结构以减小高速光调制器传输端子对电气互连的影响，保证高速传输的信号完整性和信号传输能量的损耗最小，因此信号传输端口的结构设计尤为重要。

2.1 高速端口传输结构

差分对（指一对存在耦合的传输线）进行差分信令的传输，其中一条传输线传输信号，另一条传输线传输与之互补的信号。相较于单端信令传输，差分传输结构具有抗干扰能力强、对其他传输线串扰小以及时序定位精确的优势，故本文提出的高速光调制器传输端子采用差分传输结构，以更好地保证高速信号传输的信号完整性。

端口中的传输结构由水平传输结构和垂直传输结构组成，以实现高速信号的异面传输，现有的差分异面传输多为微带组合差分过孔。为了实现更高速率的信号传输，本文设计的单通道高速端口模型如图1所示，在水平传输上通过共面波导转带状线结构可以更好地保证信号在高频下的传输；在垂直传输上设计了类同轴结构，可以有效地减小过孔传输带来的寄生效应，并且能够为差分信号的传输提供返回路径，同时实现电磁屏蔽，进一步保证信号完整性。

图1 本文设计的单通道高速端口模型

端口结构如图1（a）所示，信号通过水平-垂直-水平的结构进行传输，存在较多的阻抗不连续点，为了减小能量反射对信号完整性的影响，要使传输结构的各个部分尽可能接近100 Ω 的理想阻抗。类同轴结构如图1（b）所示，在异面传输的过孔周围通过地孔的致密分布，与过孔组成类似同轴波导的结构。根据传输线理论，传输线的尺寸变化会导致传输线的阻抗发生变化，所以需要对上端口中的差分对线宽W1、差分对线间距S1、差分对距参考地高度H1，下端口中的差分对线宽W2、差分对线间距S2、差分对距参考地高度H2，反焊盘直径D1、类同轴直径D2等关键参数进行阻抗计算和仿真迭代，只有匹配阻抗才能保证信号的完整性。

2.2 差分过孔等效电路模型

差分信号会通过耦合使差分对处于奇模状态，此时差分阻抗Zdiff是奇模状态下传输线特性阻抗的2 倍[5]：

其中，Zodd表示当差分对处于奇模状态时每条线的特性阻抗。单端传输线的通用阻抗为50 Ω，所以在设计差分传输结构时以100 Ω 为理想阻抗。

差分过孔的等效电路模型如图2 所示，Zodd可以通过奇模电感Lodd和奇模电容Codd计算出来[6-7]。奇模电感由差分过孔间的自感L11、L22和互感L12得到，奇模电容由差分过孔间的自容C11、C22和互容C12得到，其中由于差分对的对称性，L11＝L22，C11＝C22。

图2 差分过孔等效电路模型

因此可以得到差分过孔的阻抗

2.3 仿真设计

本文所设计的高速端口采用的介质是介电常数为9.4 的陶瓷，介质损耗角正切值小于0.005 5，传输线为金且厚度均为0.01 mm。先通过传输线的阻抗计算公式得到传输结构各个参数的初步尺寸，再采用电磁场仿真软件HFSS 对设计出的传输结构进行自适应网格划分计算，通过端口在频域下的差模S 参数仿真结果判断传输特性的优劣。将传输结构的各个参数以初步尺寸为基准，在适当的步长中进行迭代，使传输结构得到最佳的传输性能，从而确定各参数的最优解。图3为仿真过程中部分关键参数的扫描结果。

图3 仿真过程部分关键参数扫描结果

根据仿真结果可以得到，当D2为1.2 mm、W1为0.1 mm、W2为0.34 mm 时，高速端口具有最佳的传输性能，其余尺寸也均以该方法求最优解。此方法可以保证传输结构中各部分特征阻抗接近100 Ω，以减小信号传输过程中的阻抗突变对信号完整性的影响。

3 高速端口的性能分析

本文从频域和时域2 个角度对优化后的高速端口进行仿真分析，验证所设计的类同轴结构在传输特性上优于传统的差分过孔结构。

3.1 频域特性

使异面传输跨度同为1.9 mm 的类同轴结构和传统的差分过孔结构的金属与介质材料保持一致，并对两者的S 参数仿真结果展开分析，两种结构的S 参数仿真结果如图4 所示。

图4 类同轴和差分过孔的仿真结果对比

从仿真结果可以看出，在20 GHz 的带宽下，类同轴结构的回波损耗和插入损耗都要明显优于传统的差分过孔结构。主要原因在于，当传输信号的频率增大时差分过孔结构自身的寄生效应对传输结构的影响也随之增大，串联寄生电感L 为其中，h 为过孔高度，d 为过孔直径。可以调整反焊盘、焊盘以减小差分过孔的寄生电容，但寄生电感与差分过孔的高度呈正相关。当异面传输达1.9 mm 时，很难通过调整结构尺寸减小寄生电感。

本文所提出的类同轴结构通过差分过孔周围致密的地孔分布组成返回路径，实现电流回流，有效地减小了差分过孔带来的寄生效应。且当地孔的孔间距s、介质波长λ 和半径r 分别满足s＜λ/4、s＜8r 时，可以有效地防止电磁场从地孔间隙中泄露出去[8]，所以类同轴结构还可以有效地减小传输过程中产生的电磁泄漏。类同轴结构在频域下具有更好的传输特性，且异面传输高度越大，类同轴结构的优点就越明显。

3.2 时域特性

眼图是累计叠加显示采集到的数字信号比特位的结果，为信号传输完整性的幅度噪声和时序抖动评估提供统计描述。对本设计的高速端口进行激励源为28 Gbit/s 的伪随机编码的眼图分析，观察其眼高、眼宽等眼图特征。眼图仿真结果如图5 所示。

图5 眼图仿真结果

根据眼图仿真结果，眼高为1.5 V，眼宽为46.33 ps，虽然存在着一定的过孔和时序抖动，但都在可接受的范围内，从眼图的综合分析可知高速端口具有良好的信号完整性。

时域反射技术（TDR）是测量高速信号在传输线上的时域反射状况、从而判断传输线阻抗特性的一种技术。将异面传输跨度为1.9 mm 的类同轴结构和过孔结构进行TDR 仿真以研究其瞬时阻抗。入射信号选择上升沿为90 ps 的阶跃信号，可以有效地保证28 Gbit/s 的高速信号TDR 仿真的精确性，类同轴结构和过孔结构的TDR 仿真结果如图6 所示。

图6 类同轴结构和过孔结构的TDR 仿真结果

从TDR 仿真结果中可以看出，差分过孔的阻抗突变值可以达到类同轴结构的2 倍，阻抗突变越小说明反射的能量越少，越能保证信号完整性。当传输信号进行水平传输时，阻抗可以维持在100 Ω 左右，当信号进行垂直传输时，瞬时阻抗均出现一定程度的减小，说明可以通过调节水平传输结构的尺寸来接近理想阻抗，但受寄生效应的影响，很难将垂直传输结构调整至理想阻抗，且差分过孔和类同轴均呈感性负载。

经过频域和时域的分析，本文所设计的单通道高速端口可以实现28 Gbit/s 的信号传输速率。且相较于传统的差分过孔结构，类同轴结构具有更优异的信号完整性，更适合高速信号的异面传输。

4 外壳制备

基于本文设计的单通道28 Gbit/s 的高速端口，本文进一步依据实用需求，设计出如图7 所示的4 通道高速信号传输端子，端子由4 个单通道差分传输结构和7 个单端传输结构组成。其中，差分传输结构用于28 Gbit/s 高速信号的传输，单端传输结构用于控制信号的传输。在相邻差分传输通道间分布地孔，结合差分传输结构自身强大的抗干扰能力，进一步减小高速信号在相邻通道间的串扰，可以有效地保证各个通道间高速信号的信号完整性。

图7 4 通道高速信号传输端子

本文基于高温共烧陶瓷（HTCC）工艺，可以实现多层陶瓷高精度布线、小间距密集填孔等关键技术，将2 个陶瓷端子和1 个控制端子与热沉、导管等金属零件通过钎焊工艺组装在一起，制备出的光调制器高速外壳及陶瓷端子实物如图8 所示。基于HTCC 工艺制备的外壳具有良好的导热性、可靠性以及信号完整性。

图8 光调制器高速外壳及陶瓷端子实物照片

本文所研制的光调制器外壳通过在导管上安装透镜后连接光纤传输光信号，电信号则通过陶瓷端子进行传输，通过外壳内部封装的光模块实现光电转化，此款8 通道外壳可以支持200 Gbit/s 以上的高速信号传输。

5 测试结果

传统的异面传输结构测试方法是通过设计配套的测试板并焊接在样品底部使得输入和输出平面处于同一个方向，结合探针测试法实现样品传输性能的测试。然而焊接测试板会存在较为明显的信号不连续点，增加额外的反射损耗。为了保证高频下的测试精度，本文根据原有端口设计了一款如图9 所示的背靠背测试样模型，避免了焊接测试板带来的阻抗不连续点。

图9 背靠背测试样模型

将2 个相同端口结构的下端口通过级联形成背靠背结构，可以理解成微波网络中3 个4 端口网络的级联，包括2 个高速信号传输端口和一段微带。4 端口由一对差分对结构组成，差分对的S 参数为

其中，SDD11为差分信号的回波损耗，SDD21为差分信号的插入损耗。本文只探究传输结构中的差分信号，所以可以把4 端口网络的级联简化为2 端口网络级联。图10 为背靠背结构原理图，其中DUT1 指一个高速端口结构，MSL 为阻抗匹配的差分微带线，DUT2 为与DUT1 对称的高速端口结构，结构一致，方向相反。

图10 背靠背结构原理

根据微波网络理论，3 个网络中的S 参数表达式分别为

其中，β 为相位常数，l 为差分微带的长度，j 为虚数单位。在理想情况下，3 个网络间的级联均实现阻抗匹配，不存在反射。背靠背整体结构的S 参数（SDD11-All、SDD21-All）与单个高速端口S 参数（SDD11，SDD21）的关系为

可以通过背靠背结构的测试结果得到单个高速端口的差模S 参数。

采用Agilent 公司的矢量网络分析仪（型号为N5224A） 搭配Cascade 公司的差分探针（型号为I50-AD-GSSG-200）进行测试，测试现场如图11 所示。

图11 GSSG 探针测试现场

结合Wincal 软件对差分探针采用SOLT 法校准[9]，将探针与线缆自身的寄生效应去嵌处理，保证探针测试的精确性。将测试后的16 个单端S 参数通过式（7）（8）计算，可以得到测试样差模S 参数。进一步地，通过式（12）（13）从背靠背测试样得到单个高速端口的差模S 参数。单端口的差模S 参数曲线如图12 所示。

图12 单端口的差模S 参数曲线

当前国内对于差分过孔的研究均在15 GHz 内[10-12]，仅能支持20 Gbit/s 以下的高速信号传输。根据测试结果，本文所设计的高速信号传输端口在20 GHz 的带宽下，SDD11≤-15 dB，SDD21≥-0.6 dB，具有较好的传输特性。根据傅里叶变换可以得到传输结构时域和频域的转换关系，高速端口可以在保证信号完整性的前提下实现单通道28 Gbit/s 的信号传输速率，显著提升了高速信号在异面传输中的传输速率。

6 结论

本文所设计的光调制器外壳的高速信号传输端口在频域特性上满足20 GHz 带宽下SDD11≤-15 dB、SDD21≥-0.6 dB 的传输性能；在时域特性上具有良好的TDR 曲线和眼图，可以实现单通道28 Gbit/s 的信号传输速率，验证了该信号传输结构可以在大跨度、高速率的高速信号异面传输中较好地保证信号完整性，相较于传统的过孔结构在传输速率上具有较大提升。将该高速端口应用在光调制器封装中，此款8 通道高速外壳可以实现200 Gbit/s 以上的高速信号传输，对高速封装产品的研制及光通信的发展具有借鉴意义。