2.5Gb/s混合集成光发射机

0、引言

在信息呈爆炸式发展的今天，光纤通信已成为现代信息网络的主要传输手段，近几年国家干线网大部分仍采用 2.5Gb/s 系统 , 10Gb/s 系统正积极研制开发，目前已有光缆线路总长度超过 100 万千米。全国光纤通讯网的大规模建设估计将持续十到二十年的时间。 要提供宽带多媒体业务，不仅要有宽带的传输网络，而且信息高速公路的“最后一公里”，即用户接入网更为关键 ，所以这些系统所用收、发模块的需求是巨大的。

光发射机系统框图如图１所示，图中复接器在时钟信号控制下将四路低速信号复接成一路高速信号，经由激光驱动器放大、驱动激光管将电信号转换为光信号再通过光纤传输。

图1 光发射机系统功能框图

该系统涉及到光电器件和微电子电路两个部分，通常这是两个分立的部分，多采用不同的工艺在不同材料上制作，然后将封装好的光电器件和集成电路用常规方法在一块介质基板上实现，因此发射机的实现就不仅是两个部件的最佳研制结果，还应包括它们之间的耦合。另外，在常规方式中，器件的封装和器件之间的连线会产生一定的寄生电感、电容，而且最终的器件体积大、价格也居高不下。实验表 明，在高达2.5Gb/s高速率调制的情况下，发射机电路中的寄生参数对性能有显著的影响。因此，缩短两部件间的间距，减小寄生参数的影响，是提高性能的关键所在。

本文介绍具有完全自主知识产权的混合集成光发射机的研制成果，其中采用 具有图形电极的  AlGaInAs/InP 2.5Gb/s 脊波导管芯制作技术制作的 DFB-LD 激光器是由武汉光迅公司 自行研制的  [ 1 ] ，而 0.35µm CMOS工艺设计制作的单片４：１复接器加激光驱动器电路是由东南大学射频与光电集成电路研究所自行研制的，混合集成光发射机是在武汉光迅公司完成的。这是一种准单片集成技术 [ 2 ] ， 是一种SOP（ S ystem on Packaging ）的形式，很适合当前国内从事光通信器件制造和研究的企业和单位的研究开发路线 [ 3 ] [ 4 ] 。

1、各器件性能

1)  DFB-LD

高速激光器管芯的制作材料是我们首先考虑的问题， AlGaInAs 材料的 D E c =0.7 2 E g ，大于 InGaAsP 的 D E c （ D Ec =0.4 E g ），在高温下注入载流子不易泄露，因而制作出的激光器的特征温度 T 0 要高于 InGaAsP 材料，容易获得高温特性好的激光器，同时 AlGaInAs 材料的载流子由高能态散射跃迁到低能态的驰豫时间缩短，容易实现器件高速率调制。因此，在高速直接调制激光器管芯的研究中， AlGaInAs 材料成为首选。其次是结构问题，由于脊波导结构的材料生长和管芯制作工艺简单，成品率高，还可以避免制作过程中有源区暴露所引起的 Al 的氧化问题，所以成为高速直接调制激光器管芯研究中人们普遍采用的结构。通过采用湿法腐蚀、聚合物平坦和lift off等技术，我们成功制作出高速率倒台形脊波导结构的无致冷 AlGaInAs/InP 直接调制激光器，主要技术如下： 

a、对量子阱结构进行优化设计并完成 MOCVD 生长； MOCVD 外延材料为 AlGaInAs 材料，分别限制层采用了折射率渐变结构，它可以提高载流子限制作用，提高光模场限制因子，降低阈值电流密度

b、用倒台型脊波导结合聚合物掩   埋平坦化来减小 RC 参数、提高管芯光电特性；

c、采用L ift-off 图形电极结合电镀工艺技术提高器件的高频响应特性。

d 、采用短腔结合端面高反膜技术提高器件的高频响应特性。

对制作出的器件进行测试，结果显示器件的 I th 为15 mA ，电阻为6 W ，外微分量子效率 h 为0.15  mW/mA ,小信号高频响应的3 dB 带宽大于10 Gb/s ，其频响曲线见图２。

2)  集成电路芯片设计

单片集成光发射集成电路功能框图如图３所示，复接器采用全时钟复接的树型结构，先将四路622Mb/s信号按比特两两复接成两路1.25Gb/s的信号，然后再复接成一路2.5Gb/s信号，最后经整形输出。激光驱动器由放大和电流开关构成〔5〕。芯片采用台湾TSMC 0.35µm CMOS工艺设计并实现，芯片面积1.4×1.01 ，芯片照片如图４所示。图５给出探针台在芯片测试结果，其中a图为验证复接 功能的瞬态波形，从上到下四路输入信号，一路输出信号，输入为编码信号，D1～D4依次为：0001、1000、0010、0100，时钟为2.5GHz。匹

配负载50Ω，输出信号幅度为2.45V。ｂ图为加入四路625Mb/s伪随机信号时，50Ω匹配负载上的眼图，图中RMS抖动为12.6ps，上升和下降 (10%-90%)时间分别为：211ps和200ps，电路最高速率可达3.6Gbps

2、混合集成

在本发射机混合集成模块的设计中除了前面提到的芯片间的耦合，光电子器件与光纤的耦合， 缩短两部件间的间距，减小寄生参数影响 的问题外，还有一个实际问题 ， 由于本模块集成度较高，完成了复用到驱动的功能，所以功耗较大 ， 相对于较小的芯片面积，散热问题突显而出。针对这些问题，我们采用了蝶形管壳、薄膜电路、激光焊接耦合、TEC控制等技术，使模块具有小的体积和优良的性能。 2.5Gb/s混合全集成发射机外观如图６所示 。

在这里， 蝶形管壳封装技术有利于阻抗匹配设计，改善模块的高频性能，而且，蝶形封装有利于进行散热。薄膜电路设计可以提高集成度，大大缩短器件间联线的长度，减小寄生效应，提高互连的性能，同时又可减小整个发射机的体积，本次设计通过合理的布线 ， 一改原先薄膜电路和PCB板相结合的方法 [ 2 ] ，提高了模块的稳定性， 使整机性能成功的达到或超过任务指标。 发射模块衬底光刻图案 如图7所示。

就发射机而言，其主要功能就是调制光输出，所以光的耦合效率和耦合状态的稳定性是非常重要的因素 ， 在一般发射机中，光的耦合通常采用同轴耦合的激光器方式，其耦合效率一般在15%以下，而传统的固定光纤的方法是点胶法，由胶的性质决定这种耦合存在不稳定性。在本设计中我们利用金属化的锥形光纤，采用激光焊接技术大大提高了光的耦合效率，使其耦合效率超过60%以上，出光功率大是本混合集成发射机的一大优点。同时激光焊接方法 也 解决了 耦合状态的 稳定性 问题 ，只是模块的体积 略 有增加。混合集成发射机，由于其功率较大，而体积较小，如果不采取措施，将会导致工作状态下整个器件温度上升，发射光的功率下降，消光比下降，波长发生“红移”，严重时可能会导致IC芯片工作不正常，所以本模块的设计 还 采用了TEC技术，可以保证整个电路部分温度稳定在室温，所以模块的各种指标受环境温度变化的影响很小。这种发射机很适合于远距离传输 。

3、性能指标

本发射模块在东南大学射频与光电集成电路研究所进行了测试，测试电路如图8所示，左面为四路低速信号输入端，下面为差分时钟输入端和分频输出端，上面为光纤输出。该模块的863项目要求指标和实际测试结果如表1所示，可见全部优于指标要求。图9（a）为四路速率为622Mb/s非等长的PRBS码作为输入信号时，光纤输出2.5Gb/s的光眼图，由于帧码信号源的输出信号本身的质量不是很好，所以所测眼图中的抖动指标比实际有所下降。信号源的输出波形和相应的输出眼图如图9（b）所示，图中上波形为一路622Mb/s帧码信源的输出，下波形为2.5Gb/s的光眼图。

表1 发射机测试结果

参数名称	单位	项目要求	实测结果
输出光功率	dBm	2	5.5
中心波长	nm	1550	1550
边模抑制比	d B	>30	47
-20 dB 谱宽	n m	<1	0.6
消光比	d B	8.2	9.4

4、结论

混合集成技术相对于单片集成成品率高，集成方案简单可靠，是集成技术中优先研发的对象，因此混合集成器件的市场发展空间巨大。 本项目的完成，因其具有完全自主知识产权且在性价比上占有一定优势，一旦转化成产品将会在未来市场占据一定份额，为国家创造巨大财富。