【光電通信】400G光收發模塊優化設計

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為了進一步提高光模塊光學耦合效率和出光光功率，設計和優化了400G光收發模塊，使用帶有透鏡的無源器件作 為光學耦合的重要部件，以提高耦合效率；采用輸入/輸出緩沖區信息規范（IBIS）模型對光模塊的高頻電路進行分析與優 化；最后，對光模塊進行了光學設計、鏈路仿真和測試。測試結果表明：設計的光收發模塊眼圖較為清晰，光眼圖抖動為2.3ps左右，各個通道具有較好的一致性，202s內無誤碼；信號傳輸100m后，未出現丟包情況，系統性能比較穩定。

1、光模塊總體設計

??? 在400G 光傳輸產品中，光模塊的需求量最大。每 個光模塊包括16個傳輸通道（發射、接收各8個），每個 傳輸通道的傳輸速率為50Gb/s，其信號調制方式為4階脈沖幅度調制（PAM4），并同時滿足上下行400Gb/s 的速率傳輸。光模塊產品的整體結構框圖[4]如圖1所 示。其中，電路部分主要包括數字信號處理（DSP）芯 片、跨阻放大器（TIA）芯片、調制驅動器（Driver）芯片 等；光路部分及光學無源器件主要包括垂直腔面發射 激光器（VCSEL）芯片、光電二極管探測器（PD）芯片、 光學透鏡等。

??? 在發射端，電信號從連接器電接口進入PAM4 DSP 芯片進行電信號整形處理。處理后的高頻信號再分為2組4通道信號進入Driver芯片。Driver芯片對 信號進行放大，并驅動VCSEL芯片完成電/光轉換。在 接收端，光信號通過MPO16的光接口進入PD芯片，PD芯片產生感應光電流。光電流再通過TIA芯片進 行信號放大、幅度整形后進入DSP芯片。在DSP芯片 中完成高頻信號的整形并輸出，由此完成光/電轉換。

?? 光模塊的整體光電布局及結構示意圖如圖2所 示。在模塊的制作中，使用高精度貼片機將Driver、TIA、VCSEL和PD芯片貼在印制電路（PCB）上，然 后通過高精度鍵合機對各芯片進行連接，以實現電路 信號的連通。在鍵合過程中，通過降低鍵合金線的拱 高，從而在很大程度上縮短了鍵合金線的長度，減小 了高速信號反射的影響。在發射端，將Driver芯片VCSEL芯片的上表面置于同一水平面上；在接收端， 將TIA芯片、PD芯片的上表面置于同一個水平面上，從而能夠有效地縮短鍵合金線的長度。電芯片所在的 鍍金面至PCB背面有數個通孔直接將熱量傳遞到PCB背面開孔，同時在背面填充高導熱系數的散熱材 料與金屬管殼相接觸，以達到最理想的散熱通道；另 外，在各電路芯片與金屬管殼的縫隙處填充高導熱系 數的散熱材料，實現良好的熱管理性能。在完成光路 芯片與電路芯片的鍵合后，使用增加了透鏡處理的無 源器件對發射端和接收端進行一體式光耦合封裝，以 此來完成光引擎的氣密性封裝。與不帶透鏡的無源器 件相比，使用該種增加透鏡的無源器件的耦合效率可 提高10%~15%。

2、 光模塊的高頻電氣與光學設計

2.1 光模塊的PCB設計

整個模塊的PCB采用10層板結構，其中4層用 于高頻差分線，另外6層用于參考層及直流層。本文 使用阻抗計算軟件（Polar SI9000）和3D信號仿真軟件 HFSS來對高頻差分線進行阻抗計算，并進行了模擬 仿真測試（在外層差分結構下，100Ω阻抗差分線寬為4mil，間距為8mil），在PCB的制作過程中，高頻差分 信號層的板材必須選用低介電常數的高速專用板材， 比較常用的是羅杰斯或者松下M6，另外，為了確保各 疊層的物理對稱性，避免因受熱不均而導致PCB發生 形變問題，需要對板材進行對稱處理。本文設計的光 模塊中的參考層和直流走線層采用普通的FR4材料。

2.2 高頻線路分析與優化

本文采用輸入/輸出緩沖區信息規范（IBIS）模型 進行仿真設計。在光模塊發射端結構中，誤碼儀產生 26.5625Gbaud 的高速差分信號，通過帶寬為40GHz的電纜及超小型高頻接頭（2.92連接器）連接到光模塊的測試電路板上，通過測試電路板上的小尺寸可插 拔-雙倍密度（QSFP-DD）連接器傳輸到光模塊內部的DSP芯片。在光模塊內部，DSP芯片對高速信號數據進 行恢復、整形后傳輸到Driver芯片，Driver芯片對信號 進行放大，并驅動VCSEL芯片產生光信號。發送端等 效電路結構框圖如圖3所示。

金手指和耦合電容這些部位不能實現高頻信號 的完全連續。因此，本文針對模塊金手指到DSP芯片、DSP芯片到Driver芯片的高速電路進行高頻性能優 化。金手指接觸的位置是按照標準QSFP-DD的多源 協議（MSA）設計的，同時采用鍍金和鎳鈀金工藝強化 金手指，增強其耐磨性和導電性，以減少信號泄漏。此 外，通過增加電路周圍多層電氣參考面與電信號過孔 的間距，提高了電路的感性，以減少信號反射情況。使 用仿真軟件的局部裁剪法，對金手指到DSP芯片的16對高頻線進行了裁剪和高頻仿真，并結合阻抗計算軟 件對每一組高頻線路的線厚、線寬、線間距進行調整。在處理耦合電容時，主要根據仿真結果調整距離，并 在整個模型的四角打參考地層孔，形成干擾信號的回 流層，以達到抗干擾的目的。

高頻優化結果表明：發射和接收共32組高速差 分線均能達到3dB的帶寬且大于35GHz的高頻要 求（實際使用帶寬不超過20GHz），所有高頻線路的阻 抗值控制在100Ω（誤差精度為1Ω），高頻線路的回 波損耗值全部小于-15dB。此外，VCSEL芯片通過差 分鍵合線與Driver 芯片相連，鍵合線使用的是常規直 徑為25μm的金線，最長的一條鍵合線從500μm縮 短到280μm，插損值降低了0.3dB。

圖4是接收端的結構示意圖。接收端的高頻差分 線優化與發射端大致相同，采用剪裁法對每對差分線進行剪裁、修正、模擬、優化后再修正，最終得到符合 要求的差分線。經過優化后，所有差分線的阻抗精確 控制在100Ω （精度±1 Ω），3dB帶寬滿足35GHz的 要求，回波損耗小于-8dB。

2.3 光學設計

光模塊貼片鍵合成品圖如圖5所示。使用貼片機 將Driver 芯片、TIA 芯片按照設計的貼片位置標記位進 行陣列貼片，確保2種芯片貼片位置誤差小于3μm， 以此來保證產品的精度及光學耦合的穩定性。在Driver芯片、TIA 芯片完成貼片后,進行VCSEL芯片、PD芯片的貼片，使其分別對應Driver芯片和TIA芯 片的工作區域，并按照GSG的管腳位置進行標記對 齊,貼片誤差小于3μm。完成貼片后，根據仿真中得出 的金線長度及角度進行鍵合機參數設置, 對所有管腳 進行鍵合，至此便完成了芯片與PCB的鍵合工作。

???????????????????????????????? 圖5 光模塊貼片鍵合成品圖

完成鍵合后，本文使用高精度耦合機對模塊進行 有源耦合，耦合工作分2次進行：一次耦合一組陣列 貼片的Driver、TIA芯片（使用光功率計檢測4通道TX的發射出光功率，使用軟件檢測4通道RX的接收 響應度），當發射和接收的檢測指標同時達到最大值 時，進行Lens點膠固定；另一次以同樣的方式對另一 組芯片進行耦合固定。本文制作的400G光收發模塊 實物如圖6所示。

3、光模塊仿真

3.1 光模塊鏈路仿真結構

???? 圖7是光模塊鏈路仿真結構示意圖。在發射端，VCSEL在Driver芯片的驅動下發出一束光，Driver芯 片輸出的高速射頻信號對光信號進行調制后輸出。通 過使用光功率計、光示波器主光頻譜儀，可獲取光信 號的平均光功率（Pawg）、消光比（ER）和波長等重要參 數。在進行模塊自環或交叉測試時，實纖在接收端接 收到光信號后，經過PD、TIA、DSP等芯片的一系列信 號處理，將信號傳遞到電示波器上，即可觀察轉化后 的電信號眼圖并分析信號質量；將該電信號輸入到誤 碼儀的RX端口，即可在誤碼儀上讀取實時誤碼率，以 判斷模塊的傳輸質量是否達到國際標準要求。

3.2 模塊測試

?? 本文對400G 光收發模塊進行了眼圖測試和誤碼率測量，眼圖和誤碼率圖分別如圖8、圖9所示。測試 結果表明：該模塊的眼圖較為清晰，眼圖抖動為2.3ps左右，各個通道具有較好的一致性，202s內無誤碼。另 外本文還對在100m傳輸距離下的400G光收發模 塊的系統傳輸性能進行了測試，發現各通道的眼圖與 直連測試結果差異不大，盡管平均抖動有所增加，但 通道的眼圖一致性保持良好，在50Gb/s的速率傳輸 下，仍然沒有出現丟包情況，系統性能比較穩定。整個 光模塊的總功率為9.8W，模塊的功耗較低。

4 總結

本文對400G光模塊的結構和高頻電路進行了系 統的設計，并使用專業軟件進行了優化。測試結果表 明：與不帶透鏡的無源器件相比，使用這種增加透鏡 的無源器件可將耦合效率提高10%~15%；高頻線路優化后的回波損耗值全部小于-15dB，插損降低了0.3dB；光收發模塊的眼圖清晰，抖動約為2.3ps，各通道具有 較好的一致性，202s內無誤碼；信號傳輸100m后， 誤碼率小于1E-12，模塊的總功率為9.8W，達到國際 標準要求。

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