易飞扬分享并行光模块和AOC领域的研究与进展
发布时间：2015-07-24 15:27:40 热度：6816
7/24/2015，光纤在线讯：并行光模块QSFP+ PSM和AOC产品主要是基于多模光纤的光互联技术，具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容问题等优势，已逐渐取代基于铜线的电互联产品而应用于机柜间、板架间的高速互连，连接距离在OM3光纤下长达300米。同时，为了应用于更长距离的传输解决方案，PSM并行光模块也应运而生，主要使用FP激光器在单模光纤传输2KM，DFB传输10KM应用，这比多模互连技术更加具有难度。易飞扬（Gigalight）经过多年的潜心钻研，掌握了从多模互连封装技术到单模的并行互连封装技术。易飞扬（Gigalight）在并行光模块和AOC产品的成果得益于多方面关键工艺上的研究。
一、并行多模光纤耦合技术的积累与突破
并行光模块光互连技术的光路耦合是一个大的问题，相比流行的Plastic lens方案，易飞扬（Gigalight）采用了一种更为简单高效而可靠的光纤耦合工艺技术。这种工艺技术采用了接近于45度角（图1）的全反射面对VCSEL的发光进行反射形成产品所需要的光路，但是这种简单的应用原理，易飞扬（Gigalight）在实际产品制作中加以了精确的理论计算和严谨实验验证。对于反射角度的选择，我们经过对VCSEL的激射光特性（图2），采用光学模拟软件分析（图3），以及对VCSEL光入射角全反射原理，确定我们最优的反射界面角度为趋近于45°的某个值，同时经过对光纤面的特殊材质处理（图4），使得光纤耦合效率由最初设计方案43%～47%提升到了75%～80%。
二、并行单模产品实现光纤耦合
随着易飞扬（Gigalight）在多模并行研发取得有效的突破和研究积累，我们积极探索开发更长距离传输的模块产品。要实现长距离传输必须使用色散损耗小的单模光纤，但单模光纤与半导体要实现高的耦合效率，都要对半导体激光器发出的光场进行整形，使入射光场与光纤本征光场达到最大可能的匹配。我们可以采用光学透镜耦合（即在激光器和光纤间加入透镜, 图5）和光纤直接耦合（即光纤和激光器光源直接耦合，图6）两种方式。但光学透镜耦合方式，由于耦合系统中各光学元件是分离的，对半导体激光器，透镜，光纤三者间的共轴准直要求非常高。为保证共轴准直要求，经常需要制作表面形状特殊，而且需要透镜的阵列，这使得成本较高，并且产品空间要求较大，不利于微小化封装。我们根据在并行多模光模块产品上的工艺技术积累，采用光纤直接耦合方式实现了并行单模产品开发制作。在这个过程中，我们经历了平端光纤耦合方式和锥形光纤耦合方式。平端光纤耦合制作工艺简单，容易实现，但是由于光源的发光面积和单模光纤芯径面积以及光源发散角和光纤数值匹配关系严重失配，导致耦合效率较低，光反射大容易造成光眼图散点而影响传输质量。因此，我们采用了一种采用光纤熔接接电弧放电而得到的球端面光纤（图7）进行耦合。采用球端面进行耦合，不仅有利于提高光纤耦合效率，同时有利于反射光被改变反射路径，有利于模块光路的调试。图8和图9为平端光纤耦合和球端面光纤耦合的光眼图对比。
三、COB（CHIP ON BOARD）的工艺精度的提高
现有实现并行光模块产品方案，都是基于VCSEL阵列和光纤阵列耦合方案，采用CHIP ON BOARD工艺实现低成本高效率生产要求。在这个工艺中，芯片的贴装精度直接影响光耦合的效率。我们经过数据对比分析，得到关于贴装精度偏差对光损失的影响（图10,图11）。从图中我们了解，多模耦合精度在±5um可以保证耦合效率。根据研究，我们使用了高精度贴片工艺，实现保证产品耦合的优良。
为保证贴片精度和高效率生产，我们引进自动化精密贴装设备，精度可保证在±3um内以及自动Wire BOND设备。
四、必要的热学设计，保证并行光模块的良好使用
众所周知，并行光模块是器件高度集成化的产品，内部多通道集成数目增加，使得功耗和I／O引脚大增加。例如在QSFP- PSM模块中，四个驱动IC的功耗占据了近整个模块的50%以上的热量。在狭小的QSFP空间内，散热是一个很大的问题。如果长期散热不良，会造成内部元器件的老化，缩短使用寿命。而体现更为直接的是激光器的功率会随着温度的增加而变化，由激光器的特性（图14）可知：Ith会变得更大，为了拿到足够的传输功率，模块会加大偏置电流，使得整体模块的功耗直接增加，形成恶性循环，这对模块是十分不利的。因此在产品开发周期，我们就要很关注产品的热学设计。注意模块内部芯片间的布局以及散热通道良好。在进行产品设计时就已经进行严格的热学设计（图15），再通过实验的热量测试进行修正和改进散热效果（图16）。
一、并行多模光纤耦合技术的积累与突破
并行光模块光互连技术的光路耦合是一个大的问题，相比流行的Plastic lens方案，易飞扬（Gigalight）采用了一种更为简单高效而可靠的光纤耦合工艺技术。这种工艺技术采用了接近于45度角（图1）的全反射面对VCSEL的发光进行反射形成产品所需要的光路，但是这种简单的应用原理，易飞扬（Gigalight）在实际产品制作中加以了精确的理论计算和严谨实验验证。对于反射角度的选择，我们经过对VCSEL的激射光特性（图2），采用光学模拟软件分析（图3），以及对VCSEL光入射角全反射原理，确定我们最优的反射界面角度为趋近于45°的某个值，同时经过对光纤面的特殊材质处理（图4），使得光纤耦合效率由最初设计方案43%～47%提升到了75%～80%。
二、并行单模产品实现光纤耦合
随着易飞扬（Gigalight）在多模并行研发取得有效的突破和研究积累，我们积极探索开发更长距离传输的模块产品。要实现长距离传输必须使用色散损耗小的单模光纤，但单模光纤与半导体要实现高的耦合效率，都要对半导体激光器发出的光场进行整形，使入射光场与光纤本征光场达到最大可能的匹配。我们可以采用光学透镜耦合（即在激光器和光纤间加入透镜, 图5）和光纤直接耦合（即光纤和激光器光源直接耦合，图6）两种方式。但光学透镜耦合方式，由于耦合系统中各光学元件是分离的，对半导体激光器，透镜，光纤三者间的共轴准直要求非常高。为保证共轴准直要求，经常需要制作表面形状特殊，而且需要透镜的阵列，这使得成本较高，并且产品空间要求较大，不利于微小化封装。我们根据在并行多模光模块产品上的工艺技术积累，采用光纤直接耦合方式实现了并行单模产品开发制作。在这个过程中，我们经历了平端光纤耦合方式和锥形光纤耦合方式。平端光纤耦合制作工艺简单，容易实现，但是由于光源的发光面积和单模光纤芯径面积以及光源发散角和光纤数值匹配关系严重失配，导致耦合效率较低，光反射大容易造成光眼图散点而影响传输质量。因此，我们采用了一种采用光纤熔接接电弧放电而得到的球端面光纤（图7）进行耦合。采用球端面进行耦合，不仅有利于提高光纤耦合效率，同时有利于反射光被改变反射路径，有利于模块光路的调试。图8和图9为平端光纤耦合和球端面光纤耦合的光眼图对比。
三、COB（CHIP ON BOARD）的工艺精度的提高
现有实现并行光模块产品方案，都是基于VCSEL阵列和光纤阵列耦合方案，采用CHIP ON BOARD工艺实现低成本高效率生产要求。在这个工艺中，芯片的贴装精度直接影响光耦合的效率。我们经过数据对比分析，得到关于贴装精度偏差对光损失的影响（图10,图11）。从图中我们了解，多模耦合精度在±5um可以保证耦合效率。根据研究，我们使用了高精度贴片工艺，实现保证产品耦合的优良。
为保证贴片精度和高效率生产，我们引进自动化精密贴装设备，精度可保证在±3um内以及自动Wire BOND设备。
四、必要的热学设计，保证并行光模块的良好使用
众所周知，并行光模块是器件高度集成化的产品，内部多通道集成数目增加，使得功耗和I／O引脚大增加。例如在QSFP- PSM模块中，四个驱动IC的功耗占据了近整个模块的50%以上的热量。在狭小的QSFP空间内，散热是一个很大的问题。如果长期散热不良，会造成内部元器件的老化，缩短使用寿命。而体现更为直接的是激光器的功率会随着温度的增加而变化，由激光器的特性（图14）可知：Ith会变得更大，为了拿到足够的传输功率，模块会加大偏置电流，使得整体模块的功耗直接增加，形成恶性循环，这对模块是十分不利的。因此在产品开发周期，我们就要很关注产品的热学设计。注意模块内部芯片间的布局以及散热通道良好。在进行产品设计时就已经进行严格的热学设计（图15），再通过实验的热量测试进行修正和改进散热效果（图16）。
