基于HTCC 的200 Gbit/s 光調(diào)制器外殼的研制

胡進(jìn)，顏匯锃，陳寰貝

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

隨著5G 通信的快速發(fā)展，在大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算機(jī)和信息安全等新興領(lǐng)域的推動(dòng)下，大規(guī)模集成電路迅速地向高速化和大型化方向發(fā)展，數(shù)據(jù)處理的速度和容量成倍提升。光模塊作為5G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，隨著光通信行業(yè)的發(fā)展其發(fā)展速度進(jìn)一步加快，作為其核心元件的高速光調(diào)制器，其傳輸端子的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是封裝中尤為重要的環(huán)節(jié)。

當(dāng)信號(hào)傳輸速率達(dá)到10 Gbit/s 以上時(shí)，信號(hào)傳輸會(huì)變得十分敏感，所以要對(duì)高速信號(hào)傳輸端口進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，保證信號(hào)完整性。在端口設(shè)計(jì)上多采用過孔結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的異面?zhèn)鬏?，近年來，國?nèi)外眾多科研人員對(duì)過孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究[1-4]。SHIUE 等人研究了差分過孔短柱（stub）對(duì)高速信號(hào)完整性的影響，并提出了減小其影響的方案[1]；紀(jì)成光等人研究了差分過孔的焊盤及反焊盤對(duì)高速信號(hào)完整性的影響[2]；YAN 等人提出了呈容性負(fù)載的面通孔結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)異面?zhèn)鬏數(shù)母咚俣丝赱3]；SHEN 等人研究了差分過孔孔間距、地孔的分布、過孔孔徑等傳輸線結(jié)構(gòu)對(duì)高速信號(hào)完整性的影響[4]。

然而當(dāng)過孔高度過高或信號(hào)速率較大時(shí)，由于寄生效應(yīng)的影響，信號(hào)完整性得不到保證。本文通過將過孔結(jié)構(gòu)與地孔結(jié)合成類同軸結(jié)構(gòu)，基于陶瓷工藝，設(shè)計(jì)出一款高速光調(diào)制器傳輸端子，在高度為1.9 mm的異面?zhèn)鬏敆l件下支持單通道28 Gbit/s 的高速信號(hào)傳輸。相較于傳統(tǒng)的過孔結(jié)構(gòu)，類同軸結(jié)構(gòu)可以有效地減小寄生效應(yīng)和阻抗突變，進(jìn)一步保證端口的信號(hào)完整性。

2 高速信號(hào)傳輸端口的設(shè)計(jì)

信號(hào)傳輸端口可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的電氣互連，在端口設(shè)計(jì)中需通過優(yōu)化端口傳輸結(jié)構(gòu)以減小高速光調(diào)制器傳輸端子對(duì)電氣互連的影響，保證高速傳輸?shù)男盘?hào)完整性和信號(hào)傳輸能量的損耗最小，因此信號(hào)傳輸端口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

2.1 高速端口傳輸結(jié)構(gòu)

差分對(duì)（指一對(duì)存在耦合的傳輸線）進(jìn)行差分信令的傳輸，其中一條傳輸線傳輸信號(hào)，另一條傳輸線傳輸與之互補(bǔ)的信號(hào)。相較于單端信令傳輸，差分傳輸結(jié)構(gòu)具有抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)其他傳輸線串?dāng)_小以及時(shí)序定位精確的優(yōu)勢(shì)，故本文提出的高速光調(diào)制器傳輸端子采用差分傳輸結(jié)構(gòu)，以更好地保證高速信號(hào)傳輸?shù)男盘?hào)完整性。

端口中的傳輸結(jié)構(gòu)由水平傳輸結(jié)構(gòu)和垂直傳輸結(jié)構(gòu)組成，以實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)的異面?zhèn)鬏?，現(xiàn)有的差分異面?zhèn)鬏敹酁槲ЫM合差分過孔。為了實(shí)現(xiàn)更高速率的信號(hào)傳輸，本文設(shè)計(jì)的單通道高速端口模型如圖1所示，在水平傳輸上通過共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)帶狀線結(jié)構(gòu)可以更好地保證信號(hào)在高頻下的傳輸；在垂直傳輸上設(shè)計(jì)了類同軸結(jié)構(gòu)，可以有效地減小過孔傳輸帶來的寄生效應(yīng)，并且能夠?yàn)椴罘中盘?hào)的傳輸提供返回路徑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，進(jìn)一步保證信號(hào)完整性。

圖1 本文設(shè)計(jì)的單通道高速端口模型

端口結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，信號(hào)通過水平-垂直-水平的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸，存在較多的阻抗不連續(xù)點(diǎn)，為了減小能量反射對(duì)信號(hào)完整性的影響，要使傳輸結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分盡可能接近100 Ω 的理想阻抗。類同軸結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，在異面?zhèn)鬏數(shù)倪^孔周圍通過地孔的致密分布，與過孔組成類似同軸波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)傳輸線理論，傳輸線的尺寸變化會(huì)導(dǎo)致傳輸線的阻抗發(fā)生變化，所以需要對(duì)上端口中的差分對(duì)線寬W1、差分對(duì)線間距S1、差分對(duì)距參考地高度H1，下端口中的差分對(duì)線寬W2、差分對(duì)線間距S2、差分對(duì)距參考地高度H2，反焊盤直徑D1、類同軸直徑D2等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行阻抗計(jì)算和仿真迭代，只有匹配阻抗才能保證信號(hào)的完整性。

2.2 差分過孔等效電路模型

差分信號(hào)會(huì)通過耦合使差分對(duì)處于奇模狀態(tài)，此時(shí)差分阻抗Zdiff是奇模狀態(tài)下傳輸線特性阻抗的2 倍[5]：

其中，Zodd表示當(dāng)差分對(duì)處于奇模狀態(tài)時(shí)每條線的特性阻抗。單端傳輸線的通用阻抗為50 Ω，所以在設(shè)計(jì)差分傳輸結(jié)構(gòu)時(shí)以100 Ω 為理想阻抗。

差分過孔的等效電路模型如圖2 所示，Zodd可以通過奇模電感Lodd和奇模電容Codd計(jì)算出來[6-7]。奇模電感由差分過孔間的自感L11、L22和互感L12得到，奇模電容由差分過孔間的自容C11、C22和互容C12得到，其中由于差分對(duì)的對(duì)稱性，L11＝L22，C11＝C22。

圖2 差分過孔等效電路模型

因此可以得到差分過孔的阻抗

2.3 仿真設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的高速端口采用的介質(zhì)是介電常數(shù)為9.4 的陶瓷，介質(zhì)損耗角正切值小于0.005 5，傳輸線為金且厚度均為0.01 mm。先通過傳輸線的阻抗計(jì)算公式得到傳輸結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)的初步尺寸，再采用電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 對(duì)設(shè)計(jì)出的傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分計(jì)算，通過端口在頻域下的差模S 參數(shù)仿真結(jié)果判斷傳輸特性的優(yōu)劣。將傳輸結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)以初步尺寸為基準(zhǔn)，在適當(dāng)?shù)牟介L(zhǎng)中進(jìn)行迭代，使傳輸結(jié)構(gòu)得到最佳的傳輸性能，從而確定各參數(shù)的最優(yōu)解。圖3為仿真過程中部分關(guān)鍵參數(shù)的掃描結(jié)果。

圖3 仿真過程部分關(guān)鍵參數(shù)掃描結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可以得到，當(dāng)D2為1.2 mm、W1為0.1 mm、W2為0.34 mm 時(shí)，高速端口具有最佳的傳輸性能，其余尺寸也均以該方法求最優(yōu)解。此方法可以保證傳輸結(jié)構(gòu)中各部分特征阻抗接近100 Ω，以減小信號(hào)傳輸過程中的阻抗突變對(duì)信號(hào)完整性的影響。

3 高速端口的性能分析

本文從頻域和時(shí)域2 個(gè)角度對(duì)優(yōu)化后的高速端口進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的類同軸結(jié)構(gòu)在傳輸特性上優(yōu)于傳統(tǒng)的差分過孔結(jié)構(gòu)。

3.1 頻域特性

使異面?zhèn)鬏斂缍韧瑸?.9 mm 的類同軸結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的差分過孔結(jié)構(gòu)的金屬與介質(zhì)材料保持一致，并對(duì)兩者的S 參數(shù)仿真結(jié)果展開分析，兩種結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 類同軸和差分過孔的仿真結(jié)果對(duì)比

從仿真結(jié)果可以看出，在20 GHz 的帶寬下，類同軸結(jié)構(gòu)的回波損耗和插入損耗都要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的差分過孔結(jié)構(gòu)。主要原因在于，當(dāng)傳輸信號(hào)的頻率增大時(shí)差分過孔結(jié)構(gòu)自身的寄生效應(yīng)對(duì)傳輸結(jié)構(gòu)的影響也隨之增大，串聯(lián)寄生電感L 為其中，h 為過孔高度，d 為過孔直徑。可以調(diào)整反焊盤、焊盤以減小差分過孔的寄生電容，但寄生電感與差分過孔的高度呈正相關(guān)。當(dāng)異面?zhèn)鬏斶_(dá)1.9 mm 時(shí)，很難通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸減小寄生電感。

本文所提出的類同軸結(jié)構(gòu)通過差分過孔周圍致密的地孔分布組成返回路徑，實(shí)現(xiàn)電流回流，有效地減小了差分過孔帶來的寄生效應(yīng)。且當(dāng)?shù)乜椎目组g距s、介質(zhì)波長(zhǎng)λ 和半徑r 分別滿足s＜λ/4、s＜8r 時(shí)，可以有效地防止電磁場(chǎng)從地孔間隙中泄露出去[8]，所以類同軸結(jié)構(gòu)還可以有效地減小傳輸過程中產(chǎn)生的電磁泄漏。類同軸結(jié)構(gòu)在頻域下具有更好的傳輸特性，且異面?zhèn)鬏敻叨仍酱?，類同軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就越明顯。

3.2 時(shí)域特性

眼圖是累計(jì)疊加顯示采集到的數(shù)字信號(hào)比特位的結(jié)果，為信號(hào)傳輸完整性的幅度噪聲和時(shí)序抖動(dòng)評(píng)估提供統(tǒng)計(jì)描述。對(duì)本設(shè)計(jì)的高速端口進(jìn)行激勵(lì)源為28 Gbit/s 的偽隨機(jī)編碼的眼圖分析，觀察其眼高、眼寬等眼圖特征。眼圖仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 眼圖仿真結(jié)果

根據(jù)眼圖仿真結(jié)果，眼高為1.5 V，眼寬為46.33 ps，雖然存在著一定的過孔和時(shí)序抖動(dòng)，但都在可接受的范圍內(nèi)，從眼圖的綜合分析可知高速端口具有良好的信號(hào)完整性。

時(shí)域反射技術(shù)（TDR）是測(cè)量高速信號(hào)在傳輸線上的時(shí)域反射狀況、從而判斷傳輸線阻抗特性的一種技術(shù)。將異面?zhèn)鬏斂缍葹?.9 mm 的類同軸結(jié)構(gòu)和過孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行TDR 仿真以研究其瞬時(shí)阻抗。入射信號(hào)選擇上升沿為90 ps 的階躍信號(hào)，可以有效地保證28 Gbit/s 的高速信號(hào)TDR 仿真的精確性，類同軸結(jié)構(gòu)和過孔結(jié)構(gòu)的TDR 仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 類同軸結(jié)構(gòu)和過孔結(jié)構(gòu)的TDR 仿真結(jié)果

從TDR 仿真結(jié)果中可以看出，差分過孔的阻抗突變值可以達(dá)到類同軸結(jié)構(gòu)的2 倍，阻抗突變?cè)叫≌f明反射的能量越少，越能保證信號(hào)完整性。當(dāng)傳輸信號(hào)進(jìn)行水平傳輸時(shí)，阻抗可以維持在100 Ω 左右，當(dāng)信號(hào)進(jìn)行垂直傳輸時(shí)，瞬時(shí)阻抗均出現(xiàn)一定程度的減小，說明可以通過調(diào)節(jié)水平傳輸結(jié)構(gòu)的尺寸來接近理想阻抗，但受寄生效應(yīng)的影響，很難將垂直傳輸結(jié)構(gòu)調(diào)整至理想阻抗，且差分過孔和類同軸均呈感性負(fù)載。

經(jīng)過頻域和時(shí)域的分析，本文所設(shè)計(jì)的單通道高速端口可以實(shí)現(xiàn)28 Gbit/s 的信號(hào)傳輸速率。且相較于傳統(tǒng)的差分過孔結(jié)構(gòu)，類同軸結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的信號(hào)完整性，更適合高速信號(hào)的異面?zhèn)鬏敗?/p>

4 外殼制備

基于本文設(shè)計(jì)的單通道28 Gbit/s 的高速端口，本文進(jìn)一步依據(jù)實(shí)用需求，設(shè)計(jì)出如圖7 所示的4 通道高速信號(hào)傳輸端子，端子由4 個(gè)單通道差分傳輸結(jié)構(gòu)和7 個(gè)單端傳輸結(jié)構(gòu)組成。其中，差分傳輸結(jié)構(gòu)用于28 Gbit/s 高速信號(hào)的傳輸，單端傳輸結(jié)構(gòu)用于控制信號(hào)的傳輸。在相鄰差分傳輸通道間分布地孔，結(jié)合差分傳輸結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)大的抗干擾能力，進(jìn)一步減小高速信號(hào)在相鄰?fù)ǖ篱g的串?dāng)_，可以有效地保證各個(gè)通道間高速信號(hào)的信號(hào)完整性。

圖7 4 通道高速信號(hào)傳輸端子

本文基于高溫共燒陶瓷（HTCC）工藝，可以實(shí)現(xiàn)多層陶瓷高精度布線、小間距密集填孔等關(guān)鍵技術(shù)，將2 個(gè)陶瓷端子和1 個(gè)控制端子與熱沉、導(dǎo)管等金屬零件通過釬焊工藝組裝在一起，制備出的光調(diào)制器高速外殼及陶瓷端子實(shí)物如圖8 所示?；贖TCC 工藝制備的外殼具有良好的導(dǎo)熱性、可靠性以及信號(hào)完整性。

圖8 光調(diào)制器高速外殼及陶瓷端子實(shí)物照片

本文所研制的光調(diào)制器外殼通過在導(dǎo)管上安裝透鏡后連接光纖傳輸光信號(hào)，電信號(hào)則通過陶瓷端子進(jìn)行傳輸，通過外殼內(nèi)部封裝的光模塊實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，此款8 通道外殼可以支持200 Gbit/s 以上的高速信號(hào)傳輸。

5 測(cè)試結(jié)果

傳統(tǒng)的異面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)測(cè)試方法是通過設(shè)計(jì)配套的測(cè)試板并焊接在樣品底部使得輸入和輸出平面處于同一個(gè)方向，結(jié)合探針測(cè)試法實(shí)現(xiàn)樣品傳輸性能的測(cè)試。然而焊接測(cè)試板會(huì)存在較為明顯的信號(hào)不連續(xù)點(diǎn)，增加額外的反射損耗。為了保證高頻下的測(cè)試精度，本文根據(jù)原有端口設(shè)計(jì)了一款如圖9 所示的背靠背測(cè)試樣模型，避免了焊接測(cè)試板帶來的阻抗不連續(xù)點(diǎn)。

圖9 背靠背測(cè)試樣模型

將2 個(gè)相同端口結(jié)構(gòu)的下端口通過級(jí)聯(lián)形成背靠背結(jié)構(gòu)，可以理解成微波網(wǎng)絡(luò)中3 個(gè)4 端口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)，包括2 個(gè)高速信號(hào)傳輸端口和一段微帶。4 端口由一對(duì)差分對(duì)結(jié)構(gòu)組成，差分對(duì)的S 參數(shù)為

其中，SDD11為差分信號(hào)的回波損耗，SDD21為差分信號(hào)的插入損耗。本文只探究傳輸結(jié)構(gòu)中的差分信號(hào)，所以可以把4 端口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)簡(jiǎn)化為2 端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)。圖10 為背靠背結(jié)構(gòu)原理圖，其中DUT1 指一個(gè)高速端口結(jié)構(gòu)，MSL 為阻抗匹配的差分微帶線，DUT2 為與DUT1 對(duì)稱的高速端口結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)一致，方向相反。

圖10 背靠背結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的S 參數(shù)表達(dá)式分別為

其中，β 為相位常數(shù)，l 為差分微帶的長(zhǎng)度，j 為虛數(shù)單位。在理想情況下，3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的級(jí)聯(lián)均實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，不存在反射。背靠背整體結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)（SDD11-All、SDD21-All）與單個(gè)高速端口S 參數(shù)（SDD11，SDD21）的關(guān)系為

可以通過背靠背結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果得到單個(gè)高速端口的差模S 參數(shù)。

采用Agilent 公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（型號(hào)為N5224A） 搭配Cascade 公司的差分探針（型號(hào)為I50-AD-GSSG-200）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖11 所示。

圖11 GSSG 探針測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

結(jié)合Wincal 軟件對(duì)差分探針采用SOLT 法校準(zhǔn)[9]，將探針與線纜自身的寄生效應(yīng)去嵌處理，保證探針測(cè)試的精確性。將測(cè)試后的16 個(gè)單端S 參數(shù)通過式（7）（8）計(jì)算，可以得到測(cè)試樣差模S 參數(shù)。進(jìn)一步地，通過式（12）（13）從背靠背測(cè)試樣得到單個(gè)高速端口的差模S 參數(shù)。單端口的差模S 參數(shù)曲線如圖12 所示。

圖12 單端口的差模S 參數(shù)曲線

當(dāng)前國內(nèi)對(duì)于差分過孔的研究均在15 GHz 內(nèi)[10-12]，僅能支持20 Gbit/s 以下的高速信號(hào)傳輸。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本文所設(shè)計(jì)的高速信號(hào)傳輸端口在20 GHz 的帶寬下，SDD11≤-15 dB，SDD21≥-0.6 dB，具有較好的傳輸特性。根據(jù)傅里葉變換可以得到傳輸結(jié)構(gòu)時(shí)域和頻域的轉(zhuǎn)換關(guān)系，高速端口可以在保證信號(hào)完整性的前提下實(shí)現(xiàn)單通道28 Gbit/s 的信號(hào)傳輸速率，顯著提升了高速信號(hào)在異面?zhèn)鬏斨械膫鬏斔俾省?/p>

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的光調(diào)制器外殼的高速信號(hào)傳輸端口在頻域特性上滿足20 GHz 帶寬下SDD11≤-15 dB、SDD21≥-0.6 dB 的傳輸性能；在時(shí)域特性上具有良好的TDR 曲線和眼圖，可以實(shí)現(xiàn)單通道28 Gbit/s 的信號(hào)傳輸速率，驗(yàn)證了該信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)可以在大跨度、高速率的高速信號(hào)異面?zhèn)鬏斨休^好地保證信號(hào)完整性，相較于傳統(tǒng)的過孔結(jié)構(gòu)在傳輸速率上具有較大提升。將該高速端口應(yīng)用在光調(diào)制器封裝中，此款8 通道高速外殼可以實(shí)現(xiàn)200 Gbit/s 以上的高速信號(hào)傳輸，對(duì)高速封裝產(chǎn)品的研制及光通信的發(fā)展具有借鑒意義。