一．引言

并行光模塊QSFP+ PSM和AOC產(chǎn)品主要是基于多模光纖的光互聯(lián)技術(shù)，具有高帶寬、低損耗、無串?dāng)_和匹配及電磁兼容問題等優(yōu)勢，已逐漸取代基于銅線的電互聯(lián)產(chǎn)品而應(yīng)用于機(jī)柜間、板架間的高速互連，連接距離在OM3光纖下長達(dá)300米。同時，為了應(yīng)用于更長距離的傳輸解決方案，PSM并行光模塊也應(yīng)運(yùn)而生，主要使用FP激光器在單模光纖傳輸2KM，DFB傳輸10KM應(yīng)用，這比多?；ミB技術(shù)更加具有難度。易飛揚(yáng)（Gigalight）經(jīng)過多年的潛心鉆研，掌握了從多模互連封裝技術(shù)到單模的并行互連封裝技術(shù)。易飛揚(yáng)（Gigalight）在并行光模塊和AOC產(chǎn)品的成果得益于多方面關(guān)鍵工藝上的研究。

二．并行多模光纖耦合技術(shù)的積累與突破 并行光模塊光互連技術(shù)的光路耦合是一個大的問題，相比流行的Plastic lens方案，易飛揚(yáng)（Gigalight）采用了一種更為簡單高效而可靠的光纖耦合工藝技術(shù)。這種工藝技術(shù)采用了接近于45度角（圖1）的全反射面對VCSEL的發(fā)光進(jìn)行反射形成產(chǎn)品所需要的光路，但是這種簡單的應(yīng)用原理，易飛揚(yáng)（Gigalight）在實(shí)際產(chǎn)品制作中加以了精確的理論計(jì)算和嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對于反射角度的選擇，我們經(jīng)過對VCSEL的激射光特性（圖2），采用光學(xué)模擬軟件分析（圖3），以及對VCSEL光入射角全反射原理，確定我們最優(yōu)的反射界面角度為趨近于45°的某個值，同時經(jīng)過對光纖面的特殊材質(zhì)處理（圖4），使得光纖耦合效率由最初設(shè)計(jì)方案43%～47%提升到了75%～80%。

圖3 進(jìn)行精確的光學(xué)模擬

圖4 良好的光纖研磨端面

三．并行單模產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)光纖耦合

隨著易飛揚(yáng)（Gigalight）在多模并行研發(fā)取得有效的突破和研究積累，我們積極探索開發(fā)更長距離傳輸?shù)哪K產(chǎn)品。要實(shí)現(xiàn)長距離傳輸必須使用色散損耗小的單模光纖，但單模光纖與半導(dǎo)體要實(shí)現(xiàn)高的耦合效率，都要對半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光場進(jìn)行整形，使入射光場與光纖本征光場達(dá)到最大可能的匹配。我們可以采用光學(xué)透鏡耦合（即在激光器和光纖間加入透鏡,圖5）和光纖直接耦合（即光纖和激光器光源直接耦合，圖6）兩種方式。但光學(xué)透鏡耦合方式，由于耦合系統(tǒng)中各光學(xué)元件是分離的，對半導(dǎo)體激光器，透鏡，光纖三者間的共軸準(zhǔn)直要求非常高。為保證共軸準(zhǔn)直要求，經(jīng)常需要制作表面形狀特殊，而且需要透鏡的陣列，這使得成本較高，并且產(chǎn)品空間要求較大，不利于微小化封裝。我們根據(jù)在并行多模光模塊產(chǎn)品上的工藝技術(shù)積累，采用光纖直接耦合方式實(shí)現(xiàn)了并行單模產(chǎn)品開發(fā)制作。在這個過程中，我們經(jīng)歷了平端光纖耦合方式和錐形光纖耦合方式。平端光纖耦合制作工藝簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是由于光源的發(fā)光面積和單模光纖芯徑面積以及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值匹配關(guān)系嚴(yán)重失配，導(dǎo)致耦合效率較低，光反射大容易造成光眼圖散點(diǎn)而影響傳輸質(zhì)量。因此，我們采用了一種采用光纖熔接接電弧放電而得到的球端面光纖（圖7）進(jìn)行耦合。采用球端面進(jìn)行耦合，不僅有利于提高光纖耦合效率，同時有利于反射光被改變反射路徑，有利于模塊光路的調(diào)試。圖8和圖9為平端光纖耦合和球端面光纖耦合的光眼圖對比。

圖5,透鏡耦合系統(tǒng)

圖6.平端光纖耦合系統(tǒng)

圖7.球端面耦合系統(tǒng)

圖8.反射嚴(yán)重的光眼圖

圖9.反射改善后的光眼圖

四．COB（CHIP ON BOARD）的工藝精度的提高

現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)并行光模塊產(chǎn)品方案，都是基于VCSEL陣列和光纖陣列耦合方案，采用CHIP ON BOARD工藝實(shí)現(xiàn)低成本高效率生產(chǎn)要求。在這個工藝中，芯片的貼裝精度直接影響光耦合的效率。我們經(jīng)過數(shù)據(jù)對比分析，得到關(guān)于貼裝精度偏差對光損失的影響（圖10,圖11）。從圖中我們了解，多模耦合精度在±5um可以保證耦合效率。根據(jù)研究，我們使用了高精度貼片工藝，實(shí)現(xiàn)保證產(chǎn)品耦合的優(yōu)良。

圖10 橫軸方向偏移

圖11,縱軸方向偏移

為保證貼片精度和高效率生產(chǎn)，我們引進(jìn)自動化精密貼裝設(shè)備（圖12），精度可保證在±3um內(nèi)以及自動Wire BOND設(shè)備（圖13）。

五．必要的熱學(xué)設(shè)計(jì)，保證并行光模塊的良好使用 眾所周知，并行光模塊是器件高度集成化的產(chǎn)品，內(nèi)部多通道集成數(shù)目增加，使得功耗和I/O引腳大增加。例如在QSFP- PSM模塊中，四個驅(qū)動IC的功耗占據(jù)了近整個模塊的50%以上的熱量。在狹小的QSFP空間內(nèi)，散熱是一個很大的問題。如果長期散熱不良，會造成內(nèi)部元器件的老化，縮短使用壽命。而體現(xiàn)更為直接的是激光器的功率會隨著溫度的增加而變化，由激光器的特性（圖14）可知：Ith會變得更大，為了拿到足夠的傳輸功率，模塊會加大偏置電流，使得整體模塊的功耗直接增加，形成惡性循環(huán)，這對模塊是十分不利的。因此在產(chǎn)品開發(fā)周期，我們就要很關(guān)注產(chǎn)品的熱學(xué)設(shè)計(jì)。注意模塊內(nèi)部芯片間的布局以及散熱通道良好。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時就已經(jīng)進(jìn)行嚴(yán)格的熱學(xué)設(shè)計(jì)（圖15），再通過實(shí)驗(yàn)的熱量測試進(jìn)行修正和改進(jìn)散熱效果（圖16）。

圖14激光器溫度特性曲線

圖15

圖16