400Gb/s QSFP-DD 光發(fā)射組件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

武漢郵電科學(xué)研究院?寧靜

1.緒論

1.1 課題研究背景與意義

? 隨著第五代移動通信系統(tǒng)（The Fifth Generation Mobile Communication System，5G）這一新的革命性技術(shù)的飛速發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新進(jìn)程在不斷加快。各國都已將第五代移動通信系統(tǒng)定為一種國家層面的發(fā)展戰(zhàn)略，希望可以超前完成 5G 網(wǎng)絡(luò)的部署工作，盡快推廣普及有關(guān)應(yīng)用，如美國、瑞士、英國、西班牙、韓國、日本等國家相繼開始了

? ? ?5G 商業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程[1]。2019 年 6 月，我國工業(yè)和信息化部向運(yùn)營商發(fā)放了 5G 商用牌照，標(biāo)志著我國 5G 商用正式啟動。2020 年 3 月，我國將 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)確定為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)，進(jìn)一步促進(jìn) 5G 相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第五代移動通信技術(shù)的特征在于速率向著更高速發(fā)展，帶寬向著更大發(fā)展，時延向著更小發(fā)展和可靠性向著更高發(fā)展，能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻和智能制造等通信網(wǎng)絡(luò)中新興業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求?？蛻魬?yīng)用需求高速增加，業(yè)務(wù)流量隨之增加，移動網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求正在以十倍的級數(shù)迅速增長[2]。為了應(yīng)對流量激增對移動通信網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)，以太網(wǎng)需要更高的傳輸能力，更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，更高的網(wǎng)絡(luò)速率。第五代移動通信技術(shù)具有更高速率、更大帶寬、更低時延、更高可靠性等特性，能夠與新興業(yè)務(wù)深度融合，成為了信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。隨著 5G 商業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，運(yùn)營商會開展大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，100G 光傳送網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛部署[3][4]，400G 光傳送網(wǎng)絡(luò)的商用進(jìn)程也逐漸開始[5][6]。

? ? ? 2017 年 12 月， 電氣和 電子工程師協(xié) 會（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，IEEE）發(fā)布了 IEEE 802.3bs 標(biāo)準(zhǔn)，定義了 200Gb/s 和 400Gb/s 以太網(wǎng)的媒體層和物理層規(guī)范。2019 年 7 月，主流光模塊廠商共同創(chuàng)立的多源協(xié)議（Multi SourceAgreement，MSA）發(fā)布了 QSFP-DD MSA，定義了雙密度四通道小型可插拔封裝（QuadSmall Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD）的電氣連接器、光學(xué)連接器、信號和電源、機(jī)械要求和熱設(shè)計要求，為系統(tǒng)制造商、系統(tǒng)集成商和供應(yīng)商提供了一個通用規(guī)范模塊。光發(fā)射組件無法直接應(yīng)用于光通信網(wǎng)絡(luò)，一般與光接收組件一起用于光模塊。近年來，光模塊已被廣泛應(yīng)用于多種不同的領(lǐng)域中，如隧道交通、基站建設(shè)、光纖網(wǎng)卡、交換機(jī)、光纖收發(fā)器、光纖高速球機(jī)、光纖路由以及視頻光端機(jī)等。在無線通信系統(tǒng)中，基站數(shù)量龐大，光模塊作為其中的關(guān)鍵一環(huán)，它的性能決定著整個系統(tǒng)的性能與通信服務(wù)質(zhì)量。而光發(fā)射組件作為光模塊中的核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響了光模塊的可靠性。由此可見，研制光發(fā)射組件具有重要的意義。400Gb/s 光發(fā)射組件能夠有效提高5G網(wǎng)絡(luò)的可靠性與容量，同時也使 5G 網(wǎng)絡(luò)的時延與功耗得到了明顯的降低，極大促進(jìn)無線通信技術(shù)的發(fā)展[7][8]。

1.2 國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 光發(fā)射組件功能及分類概述

? 光發(fā)射組件將高低電平的電壓信號轉(zhuǎn)換為光亮光暗的光信號。光發(fā)射組件按照封裝形式可以分為晶體管外形（Transisitor Outline，TO）封裝，蝶形封裝，BOX 封裝。?

? 上個世紀(jì)九十年代左右，通信容量相對較小，寬帶主要是指百兆級的網(wǎng)絡(luò)，這一階段光通信一般應(yīng)用于傳真服務(wù)以及電話網(wǎng)等方面。網(wǎng)絡(luò)中的核心器件是低速電子器件，此類器件采用的技術(shù)主要是 TO 封裝[9]。此后，光電技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展，傳統(tǒng)的封裝技術(shù)已不能使實(shí)際應(yīng)用需求得到有效的滿足，因而研究人員又嘗試探索新的封裝電子器件的方式。

? 將分布反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）應(yīng)用于長距、高速通信系統(tǒng)時，要使溫度保持恒定，所以要配合相應(yīng)的溫控系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)的主要組成部分是熱電制冷器與熱敏電阻，而 TO 封裝的引腳數(shù)量和管殼體積等都不能滿足溫控系統(tǒng)的設(shè)計需求，所以研究人員開發(fā)出了具有更多引腳數(shù)量、更大體積的蝶形封裝技術(shù)[10][11]。?

? 近年來，移動通信技術(shù)又有了進(jìn)一步的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率也有了明顯的提升，與此同時，基站數(shù)量也變得更多，人類社會對光模塊產(chǎn)生了更強(qiáng)烈的需求。由于場地并不是無限的，基站在運(yùn)行的同時會造成較高的能耗，因而小型化、低能耗的光模塊成為了一項(xiàng)研究重點(diǎn)。早期研究人員開發(fā)的蝶形封裝在性能與體積方面均表現(xiàn)了明顯的不足，已不能使高集成度、超高速的實(shí)際需求得到很好的滿足，因而又有研究人員基于蝶形封裝研制出了 BOX 封裝。此類封裝具有更為密集的引腳，可以滿足多種不同類型電接口的需求，體積更??；盒型外殼可以為較大體積的熱電制冷器的放置提供一定的便利；管殼體積更小，更易于使用。

1.2.2 400Gb/s 光發(fā)射組件研究現(xiàn)狀

? ? ? 400G 光模塊的封裝形式主要有四種，分別是 QSFP-DD 封裝形式、八路小型化可插拔（Octal Small Formfactor Pluggable，OSFP）封裝形式、封裝可插拔（Centum Form-factorPluggable，CFP）和板上芯片封裝（Consortium for On-Board Optics，COBO）等封裝形式[12]。?

? （1）QSFP-DD?

? ? ?QSFP-DD 封裝形式的優(yōu)勢在于其尺寸比 OSFP 封裝更小，且功耗更低，目前主流的 QSFP-DD 光模塊的功耗一般為 12W，日后有望將其功耗降低為 10W，QSFP-DD光模塊能夠兼容 100GbE QSFP28 接口，可以減少設(shè)備成本。

? ? ?QSFP-DD 封裝形式的劣勢是其散熱要求較高。由于 QSFP-DD 尺寸較小，當(dāng)其散熱不均勻或者不能較好散熱時，光模塊內(nèi)部的激光器容易失效。QSFP-DD 由于其尺寸、帶寬、功耗等方面的巨大優(yōu)勢，逐漸成為 400G 光模塊的主流方案。?

? （2）OSFP

? ? ? OSFP封裝形式的尺寸大于QSFP-DD封裝，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CFP8封裝的尺寸。OSFP光模塊的優(yōu)勢在于具有一個集成的散熱器，可以極大地提高熱性能。

? ? ? OSFP 封裝的劣勢是由于其自帶散熱器，功耗偏大，OSFP 光模塊在使用傳統(tǒng)氣流的交換機(jī)機(jī)箱中具有高達(dá) 15W 的功率。OSFP 封裝尺寸較大，并且 OSFP 封裝是一個新的標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)有的光電接口并不兼容，這將提高模塊成本和設(shè)備成本。

? （3）COBO

? ? ? COBO 封裝是將所有光學(xué)組件都設(shè)置在 PCB 板上，其尺寸優(yōu)勢非常明顯，因?yàn)镻CB 板的散熱器性能較高，COBO 封裝具有良好的散熱，能有效提高激光器的可靠性。但是 COBO 封裝形式光發(fā)射組件與 PCB 板是一個整體，若任意一個元件失效，不能簡單更換光發(fā)射組件，機(jī)動性較差。?

? （4）CFP8?

? ? ? CFP8 封裝形式是 CFP4 封裝形式的拓展，將通道數(shù)增加為 8 個，這也使得 CFP8封裝尺寸較大，散熱性能較好。CFP8 封裝可以使用 CFP4 封裝中成熟的激光器元件，能夠快速進(jìn)入市場，快速響應(yīng)，但是通道數(shù)增加會使得 CFP8 光模塊成本高漲。

? ?隨著 400G 2km 光模塊業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，市場對于傳輸距離為 10km 及以上 400G光模塊的需求也逐漸顯現(xiàn)。2019 年年初，各大廠商陸續(xù)推出了應(yīng)用于 400G 的傳輸距離為 10km 的光模塊產(chǎn)品。住友在 2019 年 OFC 上展出了基于電吸收調(diào)制激光器（Electro-absorption Modulated Laser，EML）的 400G 光發(fā)射組件；Finisar 在 2020 年初推出基于 DFB 激光器的 8X50G QSFP-DD 光模塊；Source 推出了 QSFP-DD LR8/ER8光模塊。

1.3 本論文的研究目標(biāo)和擬解決的關(guān)鍵問題

? ? ? 5G 技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，必將在今后得到廣泛的應(yīng)用，而現(xiàn)有骨干網(wǎng)、傳輸網(wǎng)廣泛應(yīng)用的是 100G 光模塊，不能滿足未來 5G 大規(guī)模的應(yīng)用需求，本文的目標(biāo)是提出一種用于 5G 無線通信系統(tǒng)的封裝形式為 QSFP-DD，傳輸速率為 8x50Gb/s 使用 EML激光器的光發(fā)射組件。

? ?本文的主要工作如下：

? （1）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，給出了光發(fā)射組件的整體設(shè)計方案，包括高頻電路的設(shè)計和電磁仿真計算、光路設(shè)計與容差分析、熱仿真計算等。

? （2）利用電磁仿真軟件仿真陶瓷基板射頻電路的特性阻抗和 S 參數(shù)，設(shè)計光發(fā)射組件互連處的匹配結(jié)構(gòu)來滿足射頻電路的阻抗匹配、較低反射和較低插入損耗等要求，保障光發(fā)射組件的穩(wěn)定工作。

? （3）利用光學(xué)仿真軟件進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，對比兩種合波方案，并對其進(jìn)行容差分析，最后確定光學(xué)設(shè)計方案。

? （4）介紹 400Gb/s QSFP-DD 光發(fā)射組件的制作工藝和測試系統(tǒng)，對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行測試。

2 光發(fā)射組件的基本原理

2.1 激光器的基本原理

? 在光發(fā)射組件中，激光器占據(jù)了最重要的地位。下面將簡單介紹激光器的分類，并對 EML 激光器的基本原理進(jìn)行介紹。

2.1.1 激光器的分類

? 激光器是光發(fā)射組件的重要組成部分，激光器可以按照兩種方式分類，第一可以按照激光器的調(diào)制方式分類，第二可以按照激光器的波長分類。

? 根據(jù)調(diào)制方式，光發(fā)射組件中的激光器主要包括兩類，分別為外調(diào)制與直接調(diào)制類型的激光器。兩者的主要不同之處在于直接調(diào)制激光器的調(diào)制信號加載在光源上，外調(diào)制激光器的調(diào)制信號加載在調(diào)制器上。?

? 直接調(diào)制是指將半導(dǎo)體激光器的預(yù)調(diào)制信號電流，直接與激光器的偏置電流進(jìn)行疊加，使用電信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的驅(qū)動信號使得輸出光的光強(qiáng)度發(fā)生變化，得到調(diào)制光信號，也可以將其稱為強(qiáng)度調(diào)制。直接調(diào)制激光器使用的技術(shù)簡單易于實(shí)現(xiàn)，只需要在接收端判定激光器的工作狀態(tài)為有光信號狀態(tài)或無光信號狀態(tài)即可，而且直接調(diào)制激光器的成本較低，可以大規(guī)模使用。但直接調(diào)制激光器也存在一些缺點(diǎn)，第一，直接調(diào)制激光器的調(diào)制速率會因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器頻率特性而受到限制，在進(jìn)行直接調(diào)制的過程中，如果光強(qiáng)度發(fā)生變化，激光器發(fā)射光的波長也會隨之改變，產(chǎn)生了附加頻率調(diào)制現(xiàn)象，這會進(jìn)一步擴(kuò)大激光器的調(diào)制邊帶，導(dǎo)致激光器帶寬的利用率較低。第二，直接調(diào)制激光器可能產(chǎn)生較大的復(fù)合二階失真，當(dāng)其對高頻信號進(jìn)行直接調(diào)制時，激光器內(nèi)部的光電作用可能會引起激光器發(fā)射光頻率的改變，這時可能產(chǎn)生較大的復(fù)合二階失真。

? 外調(diào)制方式中，激光的產(chǎn)生和信號的調(diào)制是分立的，使用一個獨(dú)立的外調(diào)制器對激光器輸出的光進(jìn)行調(diào)制，激光器發(fā)射出的光注入到外調(diào)制器上，并將調(diào)制信號加載到外調(diào)制器上，在電場的作用下，外調(diào)制器進(jìn)行光強(qiáng)和相位的調(diào)制，并且輸出調(diào)制光。由于外調(diào)制方式的調(diào)制信號不加載在光源上，加載于調(diào)制器上，所以激光器的輸出光是直流光，同時外調(diào)制器不會產(chǎn)生附加頻率調(diào)制現(xiàn)象，所以采用外調(diào)制方式可以有效的避免激光器的復(fù)合二階失真現(xiàn)象，使得激光器可以穩(wěn)定工作，提高傳輸質(zhì)量。外調(diào)制方式的缺點(diǎn)在于使用了額外的調(diào)制器，增加了成本，并且激光器的損耗增加。

? 目前較為常見的外調(diào)制器有馬赫-曾德爾(MZ)調(diào)制器和電吸收調(diào)制器。MZ 調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示，它以電光晶體為襯底，并將單模光波導(dǎo)設(shè)置在襯底上，單模光波導(dǎo)有兩個分支，輸入光經(jīng)過光波導(dǎo)時會分成兩個支路，驅(qū)動電極設(shè)置在光波導(dǎo)上[13]，兩個支路的光信號從光波導(dǎo)上輸出時合成產(chǎn)生干涉，叫做馬赫-曾德爾干涉。由于單模光波導(dǎo)使用電光材料，其折射率大于襯底材料的折射率。當(dāng)不施加偏置電壓時，輸入光信號通過光波導(dǎo)時分為兩路光信號，并且在光波導(dǎo)的輸出端合成一路光信號，輸出光信號沒有發(fā)生改變。當(dāng)在光波導(dǎo)的兩個支路上施加不同的偏置電壓，單模光波導(dǎo)的折射率會隨著施加于光波導(dǎo)的外部電信號的變化而變化，兩個支路的折射率不同，導(dǎo)致兩個支路的有效光學(xué)長度不同。當(dāng) MZ 調(diào)制器的偏置電壓設(shè)置為V? / 2時，兩支路中光信號的相位相差 90°，合成后的輸出光產(chǎn)生線性變化；當(dāng) MZ 調(diào)制器的偏置電壓設(shè)置為V? 時，兩支路中光信號的相位相差 180°，幅度相反，兩支路光信號產(chǎn)生抵消，輸出光為零。改變外部施加的偏置電壓，MZ 調(diào)制器的輸出光信號將會隨著外加電信號的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)光信號的調(diào)制。

??電吸收調(diào)制器（Electro Absorption Modulator，EAM）是一種以半導(dǎo)體材料為襯底，以 PN 結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的平板波導(dǎo)，外加偏置電壓的方向垂直于調(diào)制光的方向，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-2 所示。當(dāng)不在 EAM 調(diào)制器上加載偏置電壓時，激光器的發(fā)射光進(jìn)入 EAM 調(diào)制器的吸收層時不發(fā)生改變，在這一層繼續(xù)傳播，從 EAM 調(diào)制器的另一端輸出；當(dāng)施加在 EAM 調(diào)制器上的偏置電壓改變時，EAM 調(diào)制器的外加電場會引起吸收層中吸收光譜的改變，部分光被吸收掉，從而調(diào)制入射光束的光強(qiáng)度，隨著偏置電壓的增加，PN結(jié)中的電流也隨之增加，吸收更多的光，從而使得衰減增加[14]。電吸收調(diào)制器主要應(yīng)用了弗蘭克茲-科爾迪希（Franz-Keldysh）效應(yīng)和量子限制斯塔克效應(yīng)。弗蘭克茲-科爾迪希效應(yīng)主要是指在外加偏置電壓的作用下，半導(dǎo)體材料吸收邊的形狀會發(fā)生改變，并且引起半導(dǎo)體材料折射率改變的現(xiàn)象。在半導(dǎo)體材料中，價帶電子受激躍遷時會有部分光子被吸收，在較大偏置電壓的作用下，會有更多的價帶電子發(fā)生躍遷，有效能隙減小，此時吸收邊發(fā)生紅移，折射率改變。弗蘭克茲-科爾迪希效應(yīng)主要研究的是光躍遷。為了使電吸收調(diào)制器具有更高的消光比，通常會應(yīng)用量子限制斯塔克效應(yīng)，制作得到一種特殊的吸收材料，這種吸收材料的優(yōu)勢在于吸收邊較為陡峭，并且具有良好的熱穩(wěn)定特性，吸收光譜可逆。電吸收調(diào)制器具有較低的驅(qū)動電壓，一般在 3V 左右，同時電吸收調(diào)制器的調(diào)制帶寬較大，也能夠工作在較高速率，非常適用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

? 根據(jù)工作波長，光發(fā)射組件中的激光器一般可以分為以下幾種，垂直腔表面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）、法布里-珀羅激光器、電吸收調(diào)制激光器和 DFB 激光器。在光通信系統(tǒng)中，目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的單模光纖為 G.652光纖，G.652 光纖是一種非色散位移單模光纖，1310nm 波段是 G.652 光纖的無色散波段，1550nm 波段是 G.652 光纖的最小衰減波段，但是在此波段色散較大。多模光纖多用于傳輸距離短，傳輸速率低，且要求光纖內(nèi)部光功率足夠的應(yīng)用，其工作波段一般為 850nm波段和 1310nm 波段。垂直腔表面發(fā)射激光器多工作于 850nm 波段，此類激光器一般在并行光互連多模光纖收發(fā)器和光存儲多模光纖收發(fā)器中使用，其優(yōu)勢在于 VCSEL 激光器閾值電流較低，對于溫度不敏感，可以組成激光器陣列，與光纖陣列耦合時耦合效率高且耦合較為簡便，同時能夠有效的節(jié)省空間[15][16]；法布里-珀羅激光器多工作于1310nm 波段，此類激光器的使用場景一般為短距離單模光纖應(yīng)用；電吸收調(diào)制激光器和分布反饋激光器多工作于 1310nm 波段和 1550nm 波段，此類激光器的應(yīng)用場景一般為接入網(wǎng)單模光纖應(yīng)用，工作窗口為 1550nm 波段的激光器多應(yīng)用于長距離傳輸。

2.1.2 電吸收調(diào)制激光器的基本原理

? 電吸收調(diào)制激光器一般由電吸收調(diào)制器和分布反饋激光器集成得到，DFB 激光器[17]一般在恒定功率工作，或者工作于連續(xù)波模式，電吸收調(diào)制激光器的調(diào)制信號加在 EAM調(diào)制器上。電吸收調(diào)制激光器主要利用了電子和光子之間的相互作用，它的主要材料是摻雜在一起的 P 型材料和 N 型材料，電吸收調(diào)制激光器產(chǎn)生光電作用的區(qū)域就在這種材料構(gòu)成的 PN 結(jié)中。

? ? ?DFB 激光器使用半導(dǎo)體材料，DFB 激光器發(fā)光的主要原理是半導(dǎo)體材料中的電子，由于受激輻射，電子從導(dǎo)帶向價帶躍遷，在躍遷的過程中發(fā)出光子，這些光子在經(jīng)過光學(xué)諧振腔之后形成激光出射光。DFB 激光器中存在具有周期性結(jié)構(gòu)的布拉格（Bragg）衍射光柵[18]，只有特定波長的光能在光柵中發(fā)生諧振，并且在傳播過程中發(fā)生分布式反饋，因此，DFB 激光器被稱為分布式反饋激光器。DFB 激光器的輸出光具有良好的波長穩(wěn)定性。?

? 如圖 2-3 所示，DFB 激光器在電光效應(yīng)的作用下發(fā)出激光，電吸收調(diào)制器內(nèi)進(jìn)入分布反饋激光器的出射光后，如未施加偏置電壓，由于前者的帶隙能量高于后者，所以出射光可以完全通過，在這種情況下 EAM 調(diào)制器出射光的光強(qiáng)等于 DFB 激光器出射光的光強(qiáng)；當(dāng)在 EAM 調(diào)制器上加載偏置電壓時，EAM 調(diào)制器中 PN 結(jié)的帶隙能量減少，與分布反饋激光器相比，電吸收調(diào)制器的帶隙能量更小，這時部分能量會被 EAM 調(diào)制器的吸收層吸收，EAM 調(diào)制器出射光的光強(qiáng)發(fā)生變化。當(dāng) EAM 調(diào)制器上加載的調(diào)制電壓不同時，EAM 調(diào)制器出射光的光強(qiáng)也不同。通過上述過程，EAM 調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了對 DFB激光器出射光的高速調(diào)制[19][20]。EML 激光器能夠有效的避免激光器芯片在高速調(diào)制下產(chǎn)生的啁啾效應(yīng)，具有較高的發(fā)射光功率，因此 EML 激光器在光通信領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 光路耦合的基本原理

? 在光發(fā)射組件中，光路一般包括了激光器、透鏡和光纖等光學(xué)元件，激光器的發(fā)射光在自由空間內(nèi)傳遞，經(jīng)過透鏡、波導(dǎo)等光學(xué)元件整合后入射到光纖，進(jìn)入光通信網(wǎng)絡(luò)。400Gb/s 光發(fā)射組件設(shè)計和封裝的難點(diǎn)之一就是光路的耦合，需要減小光路中的串?dāng)_，提高耦合效率，首先對光發(fā)射組件光路耦合的基本原理進(jìn)行分析。

2.2.1 激光器光束的基本原理

? 由于電子躍遷而形成的光子會在激光器內(nèi)的光學(xué)諧振腔當(dāng)中不斷反射，每次反射產(chǎn)生衍射，相當(dāng)于對波前進(jìn)行了傅里葉變換，這會導(dǎo)致激光邊緣的能量損失，在諧振腔中經(jīng)過多次反射之后，波前振幅分布為高斯函數(shù)，高斯函數(shù)的傅里葉變換還是其本身，故波前分布穩(wěn)定，所以激光器發(fā)出的光束沿橫向是高斯分布[21]。我們將這種光束稱為基模高斯光束。沿橫向傳播的高斯光束可以表示為式（2-1）。

? 上式中，ω(z)代表的是等相位面中高斯光束的光斑半徑；?0 表示的是當(dāng)坐標(biāo) z=0 時，此時的光斑半徑是高斯光束的束腰半徑；R(z)表示的是當(dāng)坐標(biāo)為 z 時，高斯光束在其等相位面上的曲率半徑；f 表示的是高斯光束的共焦參數(shù)。

? 高斯光束是一種理想光束，在實(shí)際應(yīng)用的過程中可以得到近似的高斯光束，并不能得到理想高斯光束[22]。在實(shí)際中，可以通過帶理想特征的高斯光束來描述激光器光束，其基本參數(shù)可以根據(jù)下面的公式計算得到[23][24][25]。?

? （1）瑞利長度

? ? ??激光器光束的瑞利長度（Rayleigh length）是指沿著光束的行進(jìn)方向，從光束的腰部到光束某截面的距離，該截面的面積為腰部面積的兩倍。此時該截面的半徑約為腰部半徑的 1.414 倍。瑞利長度可以表示為式（2-2）。

? 其中，?0 表示的是高斯光束的束腰；? 為激光器光束的波長。瑞利長度與高斯光束的光束發(fā)散度有關(guān)，在瑞利長度內(nèi)，光束可以近似的視為平行光，激光器光束的共焦參數(shù)（confocal parameter），恰好為瑞利長度的兩倍。?

? （2）曲率半徑?

? 高斯光束的曲率半徑可以見式（2-3）所示。

? （3）光斑半徑

? 當(dāng)坐標(biāo)為 z 時，高斯光束在其等相位面上的光斑半徑可以見式（2-4）所示。

（4）發(fā)散角

? ? ?EML 激光器具有周期性結(jié)構(gòu)的布拉格衍射光柵，同時 EML 激光器有源區(qū)的厚度遠(yuǎn)小于有源區(qū)的寬度，因此 EML 激光器的輸出光束為橢圓高斯光束。激光器的輸出光束會隨著傳輸距離的增加而發(fā)散，可以用發(fā)散角來描述激光器光束的發(fā)散程度，高斯光束的發(fā)散角可以見式（2-5）所示。

2.2.2 單模光纖的基本原理

? 因?yàn)楣庑盘栐诙嗄９饫w內(nèi)的傳輸模式極多，可達(dá)幾百種，不同傳輸模式的群速率與傳播常數(shù)存在著一定的差異，會提高傳輸?shù)膿p耗與色散度，同時還會降低帶寬，而且多模光纖的系統(tǒng)容量也會受到傳輸模式之間群時延差的限制，所以多模光纖只適于中短距離和小容量的光纖通信系統(tǒng)。與多模光纖不同的是，單模光纖中只能傳輸一種模式的光信號，模間色散很小，而且在 1310nm 波段，單模光纖的波導(dǎo)色散是負(fù)，材料色散是正，兩者的絕對值大小相同，具有較低的傳輸損耗與色散代價，因而如果光纖通信系統(tǒng)的容量較大，傳輸距離較長，單模光纖便具有良好的適用性。由于本文 400Gb/s 光發(fā)射組件用于傳輸距離大于等于 10km 的應(yīng)用中，所以本文中光發(fā)射組件選擇了單模光纖。

? 光纖主要由纖芯、包層和涂敷層組成。光在纖芯中的傳輸利用了全反射原理，所以光在纖芯中的入射角需要大于全反射的臨界角，這也就要求了入射光在到達(dá)光纖端面的時候，入射角需要小于光纖的最大接受角?max 。光纖的最大接受角代表了光纖接收光的能力，可以使用數(shù)值孔徑 NA 來描述。數(shù)值孔徑 NA 是表征光纖與其他元件耦合時耦合效率的重要參數(shù)。光纖的數(shù)值孔徑可以見式（2-6）所示。

? 其中，n0表示的是空氣折射率，n0=1；n1表示的是纖芯的折射率；n2表示的是包層的折射率。光纖的歸一化頻率可以表征光纖中可以傳輸?shù)墓庑盘柲Ｊ降臄?shù)目，光纖的歸一化頻率[26]可以見式（2-7）所示。

? 由于單模光纖僅可以傳輸基橫模這一種光信號，所以當(dāng)光纖的歸一化頻率 V 小于或者等于 2.408 時，光纖是單模光纖。

2.2.3 電吸收調(diào)制激光器與單模光纖的耦合

? 電吸收調(diào)制激光器發(fā)射光在自由空間內(nèi)傳遞，經(jīng)過透鏡、波導(dǎo)等光學(xué)元件整合后到達(dá)單模光纖端面，從上述對于激光器和單模光纖的原理分析可知，滿足單模光纖的耦合條件是電吸收調(diào)制激光器與單模光纖耦合的前提，到達(dá)光纖端面激光的入射角不能大于光纖的最大可接受角[27]。同時為了得到更好的耦合效率，到達(dá)光纖端面激光的光斑半徑需要小于單模光纖的纖芯半徑。

? 由于單模光纖與 EML 的模場分布均可以近似為高斯分布，所以可以將電吸收調(diào)制激光器與單模光纖的耦合視為兩個高斯光束的耦合[28]，其耦合效率可以見式（2-8）所示。

? 其中，PF表示的是光纖中接收到激光的光功率；PS表示的是激光器發(fā)射光的總功率。從耦合效率的表達(dá)式（2-8）可知，耦合效率與電吸收調(diào)制激光器和單模光纖的振幅、相位有關(guān)[29]，要想獲得最大的耦合效率，需要電吸收調(diào)制激光器的模場分布完全等于激光器的模場分布，理論上來說，此時激光器的發(fā)射光可以全部耦合到光纖中，耦合效率為 1。在實(shí)際應(yīng)用中，匹配激光器發(fā)射光和光纖的振幅和相位則更加復(fù)雜，提高光發(fā)射組件的耦合效率具有挑戰(zhàn)性，這也是光發(fā)射組件光學(xué)設(shè)計的難點(diǎn)和目標(biāo)所在。

2.3 熱設(shè)計的基本原理

? 在 400Gb/s 光發(fā)射組件中，需要使用速率更高的激光器芯片，高速率芯片的功耗也會更大，相對應(yīng)的，激光器芯片的發(fā)熱量也會變大。根據(jù) EML 激光器的工作原理來分析，工作溫度的變化會改變激光器半導(dǎo)體材料的折射率、諧振腔的腔長和半導(dǎo)體材料的能帶大小，這些因素都會影響 EML 激光器的波長，導(dǎo)致 EML 激光器溫度變化時，激光器中心波長的變化[30]。另外，當(dāng)激光器芯片的工作溫度升高時，激光器會發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，若激光器接受的熱膨脹應(yīng)力大于其所能接受的范圍，激光器會失效。為了使光發(fā)射組件正常工作，需要維持激光器工作溫度的穩(wěn)定，所以需要在光發(fā)射組件中設(shè)置熱電制冷器。

2.3.1 熱電制冷器的基本原理

? 熱電制冷器是一種制冷器件，也可以作為小型熱泵使用，熱電制冷器的制冷功能主要利用了半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)，所以又可以被稱為半導(dǎo)體制冷器（Thermoelectriccooler，TEC）。當(dāng)某物體受熱的時候，其電子跟隨溫度梯度從溫度較高的區(qū)域向著溫度較低的區(qū)域移動，在此過程中會中產(chǎn)生電流，一般將這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)主要以下幾種，塞貝克效應(yīng)、帕爾帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)，半導(dǎo)體制冷器主要應(yīng)用了珀耳帖效應(yīng)[31][32]。

? 法國物理學(xué)家 J.C.A.珀耳帖發(fā)現(xiàn)，兩種不同的材料構(gòu)成一個閉合電路回路時，兩材料結(jié)點(diǎn)的溫度會隨著電流的流通發(fā)生改變，其中一個結(jié)點(diǎn)的溫度升高，另外一個結(jié)點(diǎn)的溫度降低，當(dāng)電流的流向相反時，結(jié)點(diǎn)溫度的變化方向也相反。珀耳帖效應(yīng)可以用式（2-9）表示。

? 其中，Q 表示的是吸熱或者放熱功率；n 表示的是比例系數(shù)，可以稱為珀耳帖系數(shù)；I 表示的是工作電流；a 表示的是溫差電動勢率；Tc表示的是冷結(jié)點(diǎn)的溫度。

? 實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)珀耳帖效應(yīng)制成的熱電制冷器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-4 所示。一個 P 型半導(dǎo)體和一個 N 型半導(dǎo)體串聯(lián)組成一個半導(dǎo)體電偶對，P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體之間使用陶瓷基板進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接，并且使得半導(dǎo)體電偶對之間保持絕緣，從電路角度講，半導(dǎo)體電偶對是串聯(lián)的，從熱學(xué)角度講，半導(dǎo)體電偶對是并聯(lián)的。熱電制冷器通常情況下包含兩個金屬面，兩個金屬面之間通常設(shè)置了一個或者多個上述的半導(dǎo)體電偶對，在對熱電制冷器施加直流電源之后，兩個金屬面一個面為冷面，另一面為熱面。

? 熱電制冷器可以同時實(shí)現(xiàn)制冷和加熱功能，所以熱電制冷器可以對溫度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。它的優(yōu)勢還在于使用方法簡單，只需要對熱電制冷器施加直流電流；熱電制冷器體積很小，非常適用于朝著體積小、密集度高方向發(fā)展的光發(fā)射組件，可以提高光發(fā)射組件的可靠性。

2.3.2 熱設(shè)計的基本原理

? 在穩(wěn)定狀態(tài)下，一般存在有兩種熱負(fù)荷，一種為主動熱負(fù)荷，另外一種為被動熱負(fù)荷[34]。其中，元器件的輸入功率、消耗自身功耗產(chǎn)生的熱輻射，稱為元件的主動熱負(fù)荷；因?yàn)闇囟炔疃l(fā)生的輻射、對流和傳導(dǎo)等熱傳遞[35]，稱為元件的被動熱輻射。通常情況下，主動熱負(fù)荷的功耗 Qactive可以見式（2-15）所示。

? 其中，V 表示的是加載在元件上的電壓；R 表示的是元件的電阻；I 表示的是元件的電流。

? 如果兩個物體有接觸點(diǎn)，當(dāng)兩者之間存在溫度差時，被動熱傳導(dǎo)將發(fā)生在兩者之間；在同一個物體內(nèi)，溫度較高部分的熱量向溫度較低部分傳遞，也會存在被動熱傳導(dǎo)。對于 BOX 封裝帶制冷的 EML 光發(fā)射組件，激光器管芯和激光器熱沉之間、熱電制冷器和與其熱面相連接的 BOX 管殼之間和 BOX 管殼內(nèi)部都存在被動熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)負(fù)荷Qcond可以見式（2-16）所示。

? ? ? 其中，k 表示的是材料的熱導(dǎo)率；A 表示的是物體之間的接觸面積；L 表示的是物體之間導(dǎo)熱通道的長度；?T 表示的是物體之間的溫度差。在物體上有流體經(jīng)過時，由于物體和流體的溫度存在一定的差異，所以會出現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，這就現(xiàn)象就是熱對流。對于 BOX 封裝帶制冷 EML 組件，熱對流主要是激光器管芯與內(nèi)部氮?dú)庵g的熱交換。熱對流負(fù)荷可以見式（2-17）所示。

? 其中, Qconv是熱對流負(fù)荷功耗，h 為熱對流交換系數(shù)，A 為暴露在空氣中的表面積，Tair為周圍空氣的溫度，Tc代表的是冷面溫度。

? ?如果兩物體的溫度存在一定的差異，兩者接近卻并未發(fā)生接觸，在這種情況下，兩者也可利用電磁輻射實(shí)現(xiàn)熱量的交換，這種現(xiàn)象也被叫作熱輻射。任意溫度高于 0K 的物體都可以通過這種方式完成熱量的交換，在傳輸熱量時無需借助其它介質(zhì)，所以熱輻射也可發(fā)生于真空當(dāng)中。在氣體環(huán)境下工作的系統(tǒng)，如具有較大的其他被動熱負(fù)荷，此時一般無需考慮輻射熱負(fù)荷的問題。不過如系統(tǒng)的工作環(huán)境溫差較大，主動熱負(fù)荷相對較小，此時便不能忽略輻射熱負(fù)荷的影響。輻射熱負(fù)荷可以見式（2-18）所示。

? 其中 Qrad為輻射熱負(fù)荷功耗，F(xiàn) 為面型參數(shù)，e 為發(fā)射率，s 為玻爾茲曼常數(shù)，A 為制冷器表面積，Tamb為環(huán)境溫度，Tc為熱點(diǎn)制冷器冷面的溫度。

2.4 光發(fā)射組件相關(guān)元件的基本原理

2.4.1 打線電容

? 直流激勵源在經(jīng)歷整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路之后，加載到激光器上，直流激勵源可能存在交流成分，此時將打線電容與 EML 激光器相連，濾除加載在 EML 激光器上直流信號的諧波分量。

? 打線電容在結(jié)構(gòu)上，也可以起到減小 EML 激光器直流鍵合線第一、二鍵合點(diǎn)之間的高度差的作用，易于 EML 激光器打線。打線電容一般為多層電容器，利用多層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高電容值，具有較小結(jié)構(gòu)、超薄厚度等優(yōu)勢。打線電容也具有良好的高頻性能，適用于光發(fā)射組件內(nèi)部的高速率、高帶寬以及高精度貼裝的使用環(huán)境。

2.4.2 熱敏電阻

? 在光發(fā)射組件中，設(shè)置了熱電制冷器來維持 EML 激光器芯片的穩(wěn)定工作溫度，為了及時掌握 EML 激光器的溫度，及時調(diào)整熱電制冷器電流的大小和方向，將熱敏電阻設(shè)置在了電吸收調(diào)制激光器附近。此類電阻對溫度的變化敏感，當(dāng)溫度發(fā)生改變后，其阻值也會隨之發(fā)生一定的變化[36]，與熱敏電阻相連的自動溫控電路通過測量當(dāng)前的電壓值，計算得到 EML 激光器當(dāng)前的工作溫度，從而控制熱電制冷器的工作電流，對 EML激光器進(jìn)行制冷或者制熱。

? 根據(jù)溫度系數(shù)的不同，熱敏電阻可以分為兩種基本類型[37]：分別為 PTC 與 NTC，也就是正、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。其中前者阻值會在溫度提高后不斷上升，后者阻值會在溫度上升后不斷降低。熱敏電阻阻值和溫度的關(guān)系的近似表達(dá)見式（2-19）所示。

? 其中，T0和 T1表示的是開爾文溫度，單位為 K，T1表示的是當(dāng)前溫度，T0表示的是常溫；Rt表示的是熱敏電阻在溫度為 T1時的阻值；R0表示的是熱敏電阻在常溫下的標(biāo)準(zhǔn)阻值；B 表示熱敏電阻的材料系數(shù)。

2.4.3 光路合波基本原理

? 光路合波一般采用波分復(fù)用器，目前普遍使用光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）、薄膜濾光片（Thin Film Filter，TFF）和陣列波導(dǎo)光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）等波分復(fù)用器。當(dāng)傳輸距離較長，而且光發(fā)射組件中通道數(shù)目較多的時候，一般使用陣列波導(dǎo)光柵，性價比更高；通道數(shù)目較少時，一般為低于 16 個信道時，多使用薄膜濾光片。

? （1）陣列波導(dǎo)光柵

? ? ? AWG 由輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)和星型耦合器組成。輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的位置處于同一個羅蘭圓上，羅蘭圓的半徑為 R。陣列波導(dǎo)的位置處于光柵的圓周上，陣列波導(dǎo)之間距離相等，光柵圓的圓周半徑為 2R，其圓心位于輸入、輸出波導(dǎo)的端部，在光柵圓和羅蘭圓的相切處，設(shè)置了陣列波導(dǎo)的中心。AWG 的優(yōu)勢之處在于其尺寸較小，集成度很高，可以用于通道數(shù)目較多的光發(fā)射組件，并且在大批量生產(chǎn)過程中，性能穩(wěn)定。

? ?如圖 2-5 所示，復(fù)合光入射到 AWG 的輸入波導(dǎo)，并且進(jìn)入到星型耦合器中發(fā)生衍射，高斯光束在衍射之后，均勻并且等相位的入射到陣列波導(dǎo)的輸入端，并且耦合進(jìn)入陣列波導(dǎo)的各個等距通道中，經(jīng)過傳播輸入到輸出端。在陣列波導(dǎo)中，相鄰?fù)ǖ乐g的光程差均為ΔL，所以同一波長的光，在陣列波導(dǎo)的不同通道中傳輸后，輸出時具有相對相位差，當(dāng)其經(jīng)過 AWG 輸出端的星型耦合器，會發(fā)生相長干涉聚焦，這樣就使復(fù)合光中波長不相同的光的相位不同，在輸出波導(dǎo)輸出時會經(jīng)過不同的位置，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合光的解復(fù)用。將此過程逆應(yīng)用，則能實(shí)現(xiàn)光的復(fù)用。

? （2）薄膜濾光片

? ? ? TFF 在光發(fā)射組件中使用時，一般由帶通濾波片和反光片組成。帶通濾波片是由多層介質(zhì)膜組成，這些介質(zhì)膜折射率和厚度都不盡相同，組合在一起可以進(jìn)行波長選擇，使某個波長范圍內(nèi)的光通過，并且反射其他波長的光。反光片的作用是將入射到其上的光反射，其反射率可以達(dá)到 99.8%以上。

? ? ? TFF 結(jié)構(gòu)如圖 2-6 所示。當(dāng)多束光平行輸入 TFF 時，首先經(jīng)過帶通濾波片，一個TFF 表面可以設(shè)置多個波長范圍不相同的帶通濾波片，第一通道的光在經(jīng)過第一通道帶通濾波片后，在其通光范圍內(nèi)的光會傳輸?shù)椒垂馄?，反射后傳輸?shù)降诙ǖ缼V波片，由于其波長范圍不在第二帶通濾波片的通光范圍，所以會發(fā)生反射，與第二通道的光復(fù)用，在經(jīng)過多次反射后，輸入 TFF 的多束平行光可以實(shí)現(xiàn)復(fù)用。

2.4.4 光隔離器

? 對于 400G 光發(fā)射組件來講，正向光可以通過光隔離器，反向光在通過后卻會發(fā)生明顯的衰減，光隔離器可以對電吸收調(diào)制激光器管芯的光起到隔離反射的作用，主要原理是法拉第效應(yīng)。法拉第旋轉(zhuǎn)器與偏振器是光隔離器的關(guān)鍵構(gòu)成部分[38][39]。光隔離器中線偏振光的旋轉(zhuǎn)原理如圖 2-7 所示。

? （1）偏振器

? ? ? DFB 的入射光經(jīng)偏振器的處理后可以成為線偏振光，偏振器中僅可以通過和偏振方向一致的光。

? （2）法拉第旋轉(zhuǎn)器?

? 偏振光受到磁場的影響會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也就是法拉第效應(yīng)。入射光經(jīng)處理成為線偏振光并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后，和檢偏器具有一致的透光方向才能透過。

2.4.5 光纖適配器

? ?激光器主要通過光纖適配器實(shí)現(xiàn)光纖活動連接，即對于激光器而言，光纖適配器是一個核心器件[40]。光纖適配器的主要構(gòu)成部分有前卡筒、陶瓷套筒、小插芯管體，也有部分光纖適配器設(shè)置了光隔離器。損耗低、精度高是陶瓷套筒的主要特點(diǎn)，其主要應(yīng)用于多模或單模連接頭。

2.4.6 光纖

? 光發(fā)射組件內(nèi)部自由空間光路中存在反射光，反射光反回到激光器中之后，會對激光器的調(diào)制特性帶來影響，造成激光器發(fā)光波長和光功率的變化，并且影響高斯光束質(zhì)量。隨著光發(fā)射組件速率的不斷增加，激光器的速率也有了大幅度的提高，反射光對激光器的損傷問題隨著激光器速率的提升也越發(fā)明顯。為了防止表面反射光返回激光器，光發(fā)射組件一般采用斜面光纖。

? 從幾何光學(xué)角度分析光纖的入射光，當(dāng)光纖入射光的角度小于數(shù)值孔徑要求的入射角度時，入射光在光纖中的傳遞角度會大于或者等于臨界角，所以當(dāng)光纖端面角度大于數(shù)值孔徑要求的入射角度時，反射光的入射角會發(fā)生偏移，從而反射光不會對入射光源造成影響。因此，雖然平面光纖會得到較高的耦合效率，但是一般會將光纖適配器中的光纖插針設(shè)置為帶有斜端面的光纖，采取這種方式可以使反射光強(qiáng)得到明顯的降低，通常會設(shè)計 8 度左右的端面傾角。

2.5 本章小結(jié)

? 本章介紹了激光器的基本原理，熱電制冷器和光發(fā)射組件其他元件的基本原理，討論了光發(fā)射組件的光路耦合原理和熱設(shè)計原理，有助于進(jìn)行光發(fā)射組件的電路設(shè)計、光路設(shè)計和熱設(shè)計。

來源：武漢郵電科學(xué)研究院