光模塊中互連結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償設(shè)計(jì)

寧 靜，宋小平，劉成剛，余春平

(1.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205； 2.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074)

0 引 言

隨著新型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)中的流量呈現(xiàn)出爆炸式的增長(zhǎng)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)難以滿足通信網(wǎng)的容量和速率快速增長(zhǎng)的需求。光模塊作為通信網(wǎng)的基礎(chǔ)組成部分，其數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)從10 Gbit/s提升至25 Gbit/s，并向著更高的傳輸速率提升。

光模塊中存在印刷電路板、管殼陶瓷件和管殼內(nèi)部光電芯片的載體等多個(gè)分立元器件，金絲互連線和柔性電路板連接是光模塊中分立元器件的射頻電路之間的主要連接方式。通常情況下光模塊中射頻信號(hào)的阻抗為50或者差分100 Ω，但在射頻電路的互連處，射頻電路的阻抗不連續(xù)，造成信號(hào)的反射和信號(hào)完整性問(wèn)題，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的電特性，從而難以提升其傳輸速率。合理的射頻電路設(shè)計(jì)能夠減小系統(tǒng)的傳輸損耗和反射，提升光模塊的帶寬。

1 金絲鍵合互連的容性補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

光模塊中的金絲互連可以簡(jiǎn)單分為帶制冷封裝和無(wú)制冷的金絲互連。當(dāng)兩個(gè)分立元器件都無(wú)制冷時(shí)，兩元件可以緊貼在一起，金絲兩件鍵合點(diǎn)之間間距較小，生產(chǎn)過(guò)程中可以采用控制金絲鍵合線的長(zhǎng)度[1]和增加同一焊盤上金絲鍵合線的數(shù)量等方式改善金絲互連結(jié)構(gòu)的射頻性能[2]。當(dāng)兩個(gè)分立元器件中存在帶制冷封裝的元件(一般是帶制冷封裝的激光器芯片)時(shí)，為了保持激光器芯片的溫度穩(wěn)定，使激光器芯片的波長(zhǎng)不發(fā)生變化，帶制冷封裝的激光器芯片需要與其他元器件之間保持一定的間距，金絲鍵合線的長(zhǎng)度隨之增加；金絲鍵合線數(shù)量的增加會(huì)增加熱傳導(dǎo)，增加熱電制冷器的功耗，所以為了降低功耗，通常情況下帶制冷封裝的激光器芯片的同一焊盤上只鍵合單根金絲。在這種情況下，本文提出了一種適用于單根金絲鍵合互連的容性補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

金絲鍵合線模型的示意圖如圖1所示，兩個(gè)傳輸線電路之間使用金絲進(jìn)行連接。金絲鍵合線的等效電路模型如圖2所示[3]，其由串聯(lián)電感L、串聯(lián)電阻R以及并聯(lián)電容C組成。

圖1 金絲鍵合線模型

圖2 金絲鍵合線的等效電路模型

串聯(lián)電感L可以表示為[4-6]

式中：l為金絲鍵合線的長(zhǎng)度；d為金絲鍵合線的直徑；μ0為真空中的磁導(dǎo)率(μ0=4π×10-7H/m)；μr為金絲鍵合線的相對(duì)磁導(dǎo)率(μr=1)。

串聯(lián)電阻R可以表示為

式中：ρ為金絲鍵合線的電阻率；δ為趨膚深度。

并聯(lián)電容C可以表示為

式中：ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；A為金絲鍵合線所在微帶傳輸線焊盤的面積；h0為微帶傳輸線的介質(zhì)基片的厚度。

從金絲鍵合的等效電路來(lái)看，金絲鍵合結(jié)果具有低通的性質(zhì)。隨著頻率的提高，寄生電感效應(yīng)的影響會(huì)明顯加劇，為了提升金絲鍵合線的高頻傳輸特性，可以適當(dāng)加大鍵合處的容性分量，例如增加金絲鍵合線焊盤處的寬度，同時(shí)在焊盤與參考地之間設(shè)置第二參考地，以減小焊盤與參考地之間的距離。在三維電磁仿真軟件HFSS中建立共面波導(dǎo)傳輸線與金絲鍵合線模型(即具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的金絲鍵合模型)如圖3所示[7]，模型中傳輸線的基板使用Al2O3陶瓷材料，其相對(duì)介電常數(shù)為9.8，基板厚度為0.30 mm，當(dāng)共面波導(dǎo)的線寬為0.20 mm、間距為0.18 mm時(shí)，共面波導(dǎo)的特性阻抗為50 Ω，金絲鍵合線的直徑為0.025 mm，跨距為0.300 mm，弧高為0.100 mm。通過(guò)在HFSS軟件中仿真，得到電容補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為0.2 mm，寬度為0.4 mm，第二參考地與焊盤之間的距離H為0.10 mm，第二參考地的長(zhǎng)度為0.15 mm。

圖3 共面波導(dǎo)傳輸線與金絲鍵合模型

無(wú)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的金絲鍵合模型和具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的金絲鍵合模型的回波損耗和插入損耗對(duì)比分別如圖4和5所示。仿真結(jié)果表明，具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的模型回波損耗在0～20 GHz頻率范圍內(nèi)增加了約18 dB，在更高頻率增加了7 dB以上，插入損耗減小了約0.10～0.25 dB。可見所提出的金絲鍵合處的電容補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能夠有效地改善傳輸特性，提高信號(hào)質(zhì)量。

圖4 無(wú)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的金絲鍵合模型的回波損耗對(duì)比

圖5 無(wú)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的金絲鍵合模型的插入損耗對(duì)比

2 柔性電路板互連的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

光模塊中另一種主要的互連方式是柔性電路板互連。在柔性電路板中，傳輸線的主要類型為微帶線，微帶線的特性阻抗Z0可表示為

式中：h為介質(zhì)厚度；w為微帶線寬度；t為微帶線厚度。

柔性電路板信號(hào)線的剖面圖如圖6所示，信號(hào)線在柔性電路板的上表面，信號(hào)線焊盤和參考地設(shè)置在柔性電路板下表面。由于柔性電路板結(jié)構(gòu)和制版工藝的限制，信號(hào)線焊盤和參考地間存在一定的間隙，此時(shí)柔性電路板上表面的信號(hào)線參考地發(fā)生變化，阻抗不連續(xù)，信號(hào)會(huì)發(fā)生反射。為解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)中柔性電路板互連部分的阻抗失配，本文提出一種圓形補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，如圖7所示，圓形補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)置在信號(hào)線上，位于信號(hào)線焊盤與參考地間隙的上方。

圖6 柔性電路板信號(hào)線剖面圖

圖7 具有圓形補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的柔性電路板模型

在HFSS仿真軟件中建立柔性電路板互連模型，基層采用厚度為50.0 μm的聚酰亞胺材料，頂層和底層銅箔采用18.0 μm的壓網(wǎng)格銅材質(zhì)制成，覆蓋膜采用厚度為12.5 μm的聚酰亞胺材料制成，傳輸線寬度為0.1 mm，傳輸線阻抗為50 Ω。在添加和不添加電容補(bǔ)償結(jié)構(gòu)兩種情況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，回波損耗和插入損耗結(jié)果分別如圖8和9所示。仿真結(jié)果表明，具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的柔性電路板的回波損耗(在0～20 GHz頻率范圍內(nèi))增加了約17 dB，插入損耗減小了0.1 dB，表明添加電容補(bǔ)償結(jié)構(gòu)后傳輸效果有改善。

圖8 無(wú)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的柔性電路板的回波損耗對(duì)比

圖9 無(wú)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的柔性電路板模型的插入損耗對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文為了驗(yàn)證補(bǔ)償設(shè)計(jì)的性能，測(cè)試了具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和不具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的光發(fā)射器件光眼圖。圖10和11所示分別為室溫條件下(25 ℃)測(cè)得的具有和不具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)器件的4通道25 Gbit/s光眼圖。由圖可知，具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)被測(cè)光發(fā)射模塊(Transmitter Optical Subassembly，TOSA)在室溫條件下，25 Gbit/s眼圖模板容限(Eye Mask Margin，EMM)在38%左右，消光比(Extinction Ratio，ER)在9.2 dB以上，不具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的被測(cè)TOSA的眼圖模板容限在32%左右，消光比在8.6 dB以上，可見具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的TOSA性能較好。

圖10 室溫條件下具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的器件的4通道25 Gbit/s光眼圖

圖11 室溫條件下不具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的器件的4通道25 Gbit/s光眼圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了用于光模塊中金絲互連結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償設(shè)計(jì)和柔性電路板互連結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)兩種互連結(jié)構(gòu)的理論分析，使用HFSS軟件對(duì)其進(jìn)行建模分析，并與無(wú)補(bǔ)償設(shè)計(jì)的互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的金絲互連線的回波損耗(在0～20 GHz頻率范圍內(nèi))增加了約18 dB，插入損耗減小了0.10～0.25 dB；具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的柔性電路板的回波損耗(在0～20 GHz頻率范圍內(nèi))增加了約17 dB，插入損耗減小了0.1 dB。在室溫條件下測(cè)試了具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的光發(fā)射器件，被測(cè)器件性能較好。本文提出的補(bǔ)償設(shè)計(jì)，可有效地應(yīng)用于光模塊中的互連結(jié)構(gòu)。