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汪冰 黃平 楊磊

摘　要：

文章分析了100 Gbps(以下簡稱100 G)以太網光通信光調制器及其封裝的技術發展動向，對比分析了10 G/40 G/100 G高速光調制器及其封裝的結構特點。通過對高速光調制原理的淺析，論述了40 G/100 G高速光調制器在100 G系統中的重要性。以一款40 G高速光調制封裝為例，剖析了光調制器封裝結構、關鍵技術及其工藝路徑，以及封裝在光調制器中的重要性。文末展望了高速光調制器及封裝在未來的發展方向。

1 前言

光纖通信因其頻帶寬、容量大等優點而迅速成為信息傳輸的主要形式。隨著視頻、P2P等寬帶密集應用及遠程存儲、虛擬化、云計算等企業核心應用的發展，以10 G傳輸技術為基礎的帶寬將耗盡。目前骨干網已經規模部署了40 G傳輸系統，但要建設超高速網絡，100 G傳輸系統的規模部署勢在必行。為充分利用以太網的可擴展性，平滑升級到40 G、100 G將是最佳提升帶寬的方案。

下一代100 G以太網技術標準包含了40 G和100 G兩種速率，主要針對服務器和網絡方面不同的需求。40 G主要針對計算應用，而100 G則主要針對核心匯接應用。從長期來看，100 G傳輸系統將采用偏振復用、高階編碼調制、相干接收/電處理、超強FEC等技術的組合解決方案，從而在兼容現有10 G和40 G基礎設備的基礎上，實現從40 G到100 G的系統升級。

在100 G系統中，光的調制是其中最重要的關鍵技術之一。圖1為100 G系統重要光器件集成圖，左邊第一個器件為100 G光調制器，所用到的PM-QPSK技術是目前主流的調制技術。通過PM-QPSK技術的應用，100 G光信號實際工作時處理的數據波特率僅為25 G Baud。

2 高速光調制器及封裝結構淺析

光調制器也稱電光調制器，是高速、長距離光通信的關鍵器件，是最重要的集成光學器件之一。它是通過電壓或電場的變化最終調控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。在光通信的光發射、傳輸、接收過程中，光調制器被用于控制光的強度，其作用是非常重要的。

光調制器存在以下幾種調制類型：強度調制、相位調制、偏振調制、頻率和波長調制。

高速通信系統要求光調制器具有足夠的調制帶寬、低驅動電壓和高飽和功率，高消光比、低啁啾、低插入損耗和低偏振相關性也是重要因素。由于低插入損耗的性能要求，具有50 Ω阻抗匹配的高速饋通RF組件正被廣泛應用于高速光調制器封裝。圖2所示為高速調制下使用光調制器的光纖鏈路，其中RF高速信號的輸入用于調制光的強度，DC信號用于調制光的相位，備選光電二極管PD可在兩個輸出波導之間設置可監視信號。

目前，10 G光調制器已成熟，40 G光調制器已成為主流。適合40 G/100 G等超高速光纖通信系統使用的外調制器有MZ和EA調制器兩種類型。MZ型光調制器有LiNbO 3 -MZ調制器、GaAs-MZ調制器和聚合物-MZ調制器等幾種。其中，LiNbO 3 -MZ調制器可以生成高速、低啁啾的傳輸信號，而且特性與波長沒有關系，LiNbO 3 -MZ調制器是目前得到廣泛應用的高可靠外調制器，已經應用于40 G/100 G信道速率的WDM傳輸系統。

圖3所示為LiNbO 3 -MZ調制器工作原理圖，調制器是在LiNbO 3 晶片上制作MZ光波導和TW調制電極而構成的，在設計高速系統時，需要考慮的因素有驅動電壓、光電信號速度匹配、特性阻抗、電信號的衰減常數、調制帶寬、波長啁啾量和插入損耗等。在速度匹配的前提下，光調制器的性能由電極傳輸微波時的損耗(趨膚效應損耗)決定，如果能夠降低這種損耗，對于一定的帶寬，就能夠加長電極與光波導相互作用的長度L，因而降低驅動電壓V D 。

圖4所示為一款典型的10 G光通信用LiNbO 3 -MZ調制器及其封裝結構設計，基于光調制器的工作原理，封裝結構包含以下四部分：金屬腔體——用于承載LiNbO 3 和實現整個器件的光電互連；金屬雙導管——用于光纖輸入輸出；RF信號端子——用于光的強度調制；DC信號端子——用于光的相位調制。

3 高速光調制器封裝結構與關鍵技術研究

根據歐洲ECOC光通訊展會和美國OFC光電展等以及一些極具權威性的最新調研結果，全球主要光通訊器件制造商，如JDSU、Oclaro、S.O.C、Fujitsu等，已經開始批量生產40 G/100 G高速光調制器。圖5所示為某國外光電用戶最新推出的40 G/100 G高速光調制器系列，LiNbO 3 -MZ調制器是實現40 G/100 G光調制的主要方式。

為了獲得更佳的調制器性能，不少調制器采用了雙電極驅動結構，封裝結構的差異體現在采用了兩個RF信號端子。圖5所示的40 G/100 G光調制器均采用了雙電極驅動的結構。

相比40 G光調制器，100 G光調制器加入了光電探測器，將其與光波導的輸入輸出對接耦合，從而有效監視并控制光調制器的漂移。圖5所示為100 GQPMZ Modulator就是集成了監視PD的LiNbO 3 -MZ調制器，100 G光調制器的封裝外殼相比40 G光調制器的封裝外殼，結構的差異體現在DC端子的端子數和密集度的提升。

綜上所述，從工藝路線和技術難點上去解析：

100 G光調制器封裝結構與技術和40 G光調制器封裝

結構與技術無本質差別。

以典型的一款40 G雙電極驅動LiNbO 3 -MZ調制器的封裝為例，剖析封裝中的關鍵技術和相關工藝研究。

FO7913-11型高速光調制器外殼由金屬雙導管、高密度低頻引線組件、高頻組件以及金屬底盤四部分組成，工藝路徑如圖6所示，關鍵技術包括：高頻組件焊接結構設計，金屬導管焊接結構設計和局部不鍍工藝、金錫焊同步焊接工藝等。

3.1 高頻組件焊接結構設計和焊接工藝

高頻組件裝配時采用自定位的焊接結構設計：通過高頻組件與安裝孔的緊密公差配合，滿足高頻組件對同軸度和高位置精度的要求；同時，臺階孔的設計免去了復雜的金錫釬焊模具設計，組件利用自重即可實現定位，降低了模具設計對于產品位置精確度的影響。

焊接工藝設計主要是考慮焊料的選擇。客戶在進行電路組裝的時候，通常使用錫基焊料，外殼耐溫一般需達到250 ℃以上。同時，需要保證高頻組件的玻璃性能在釬焊前后不發生變化，在高頻組件與外殼釬焊的時候要求釬焊溫度低于玻璃的軟化溫度(約600 ℃)，因此選擇采用金錫釬焊工藝。

共晶的Au80Sn20釬焊合金(熔點280 ℃)用于半導體和其他行業已經有很多年了，由于其優良的物理性能，正逐漸成為用于光電元器件封裝的一種優選釬焊材料。同時，通過先進的X射線透視技術來觀察焊接效果，可以保證焊接的空洞率滿足高速信號的傳輸要求。

3.2 導管焊接結構設計和局部不鍍工藝

調制器中光信號的傳輸是通過光纖的輸入輸出實現的，金屬導管與光纖的焊接，既實現了調制器封裝的密封，又對光纖起到了固定的效果。因此，金屬導管的釬焊結構設計需要考慮光纖的焊接工藝要求。如圖8所示，上圖為失效的光纖焊接狀態，下圖為受控的光纖焊接狀態。

控制焊料在導管內的流淌形態，需要通過采用底盤局部鍍金后與鍍金導管用金錫焊料對焊的方法來實現。如圖9下圖，與底盤一體的導管內壁采用了局部不鍍工藝。金錫焊導管所帶來的影響是焊接強度問題，圖9上圖所示為導管焊接結構設計，采用臺階面焊接結構，大大增加了焊接面積，從而極大改善了金錫焊接的強度和可靠性。圖9下圖所示焊接效果剖面圖，從焊接面的狀態看，沒有任何空洞，焊接性能良好。

3.3 金錫同步焊接工藝設計

金錫同步焊接工藝設計出于以下兩點考慮：

一是光纖特殊焊接工藝要求所引出的導管內部局部不鍍，需要采用底盤局部鍍金后與鍍金導管用金錫焊料對焊的方法來實現；

二是鑒于低頻信號傳輸部分的高密度設計要求采用0.38 mm×0.38 mm的框架引線，引線節距1.27 mm，采用常用的不銹鋼壓力封接直接熔封的結構無法保證密封的可靠性，因而采用框架引線與柯伐薄片先進行匹配封接，熔封后的低頻引線組件與高頻組件以及鍍金導管進行同步金錫焊接，同步焊接設計圖和成品照見圖10。

4 展望

作為下一代高速傳輸技術，從業界開始研發至今僅幾年時間，采用DP-QPSK調制技術和相關檢測技術的100 G技術就開始廣泛應用了，業內普遍預計100 G技術將在2013年大放異彩。

我國100 G系統與國外發展基本同步，近期在標準制定、設備研發、測試驗證以及商用準備等方面取得重要進展，預計明年在100 G設備功耗、體積以及性能等多方面有明顯提升時會開展新一輪測試驗證。

縱觀整個光器件發展歷程，可以窺測到光調制器的發展方向：集成化(兼容化)、高速化、微型化發展。隨著光傳輸系統和網絡復雜性的繼續增長，勢必要求更加高速穩定的光調制器，從而實現微波信號的高線性、低失真、遠距離光纖傳輸，而新型的光調制器及封裝必然是滿足以上條件并在此基礎上不斷進步的，并將在未來超高速光通信系統中發揮越來越大的作用。

隨著高速光調制器的不斷發展，中國電科第43所在光調制器封裝上的研究也在不斷進步。近幾年來，光調制器封裝已呈系列化發展，10 G/40 G/100 G調制器封裝均有代表產品出現，圖11所示為目前已實現批產化的10 G/40 G高速光調制器封裝外殼。這些產品的成功開發和批產化應用，為未來在100 G/400 G以及超高速光調制器封裝領域的研究工作奠定了堅實的基礎。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的430f149有几种封装类型_高速光调制器的发展与封装技术研究的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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