0、引言
在信息呈爆炸式發展的今天，光纖通信已成爲現代信息網絡的主要傳輸手段，近幾年國家幹線網大部分仍採用2.5Gb/s系統, 10Gb/s系統正積極研製開發，目前已有光纜線路總長度超過100萬千米。全國光纖通訊網的大規模建設估計將持續十到二十年的時間。要提供寬帶多媒體業務，不僅要有寬帶的傳輸網絡，而且信息高速公路的“最後一公里”，即用戶接入網更爲關鍵，所以這些系統所用收、發模塊的需求是巨大的。
光發射機系統框圖如圖１所示，圖中復接器在時鐘信號控制下將四路低速信號復接成一路高速信號，經由激光驅動器放大、驅動激光管將電信號轉換爲光信號再通過光纖傳輸。
圖1 光發射機系統功能框圖
該系統涉及到光電器件和微電子電路兩個部分，通常這是兩個分立的部分，多采用不同的工藝在不同材料上製作，然後將封裝好的光電器件和集成電路用常規方法在一塊介質基板上實現，因此發射機的實現就不僅是兩個部件的最佳研製結果，還應包括它們之間的耦合。另外，在常規方式中，器件的封裝和器件之間的連線會產生一定的寄生電感、電容，而且最終的器件體積大、價格也居高不下。實驗表明，在高達2.5Gb/s高速率調製的情況下，發射機電路中的寄生參數對性能有顯著的影響。因此，縮短兩部件間的間距，減小寄生參數的影響，是提高性能的關鍵所在。
本文介紹具有完全自主知識產權的混合集成光發射機的研製成果，其中採用具有圖形電極的 AlGaInAs/InP 2.5Gb/s脊波導管芯製作技術製作的DFB-LD激光器是由武漢光迅公司自行研製的 [1]，而0.35µm CMOS工藝設計製作的單片４：１復接器加激光驅動器電路是由東南大學射頻與光電集成電路研究所自行研製的，混合集成光發射機是在武漢光迅公司完成的。這是一種準單片集成技術[2]，是一種SOP（System on Packaging）的形式，很適合當前國內從事光通信器件製造和研究的企業和單位的研究開發路線[3] [4]。
1、各器件性能
1) DFB-LD
高速激光器管芯的製作材料是我們首先考慮的問題，AlGaInAs材料的DEc=0.72Eg，大於InGaAsP的DEc（DEc=0.4Eg），在高溫下注入載流子不易泄露，因而製作出的激光器的特徵溫度T0要高於InGaAsP材料，容易獲得高溫特性好的激光器，同時AlGaInAs材料的載流子由高能態散射躍遷到低能態的馳豫時間縮短，容易實現器件高速率調製。因此，在高速直接調製激光器管芯的研究中，AlGaInAs材料成爲首選。其次是結構問題，由於脊波導結構的材料生長和管芯製作工藝簡單，成品率高，還可以避免製作過程中有源區暴露所引起的Al的氧化問題，所以成爲高速直接調製激光器管芯研究中人們普遍採用的結構。通過採用溼法腐蝕、聚合物平坦和lift off等技術，我們成功製作出高速率倒臺形脊波導結構的無致冷AlGaInAs/InP直接調製激光器，主要技術如下：
a、對量子阱結構進行優化設計並完成MOCVD生長；MOCVD外延材料爲AlGaInAs材料，分別限制層採用了折射率漸變結構，它可以提高載流子限制作用，提高光模場限制因子，降低閾值電流密度
b、用倒臺型脊波導結合聚合物掩 埋平坦化來減小RC參數、提高管芯光電特性；
c、採用Lift-off圖形電極結合電鍍工藝技術提高器件的高頻響應特性。
d、採用短腔結合端面高反膜技術提高器件的高頻響應特性。
對製作出的器件進行測試，結果顯示器件的Ith爲15mA，電阻爲6W，外微分量子效率h爲0.15 mW/mA,小信號高頻響應的3dB帶寬大於10Gb/s，其頻響曲線見圖２。
2) 集成電路芯片設計
單片集成光發射集成電路功能框圖如圖３所示，復接器採用全時鐘復接的樹型結構，先將四路622Mb/s信號按比特兩兩復接成兩路1.25Gb/s的信號，然後再復接成一路2.5Gb/s信號，最後經整形輸出。激光驅動器由放大和電流開關構成〔5〕。芯片採用臺灣TSMC 0.35µm CMOS工藝設計並實現，芯片面積1.4×1.01![]()
，芯片照片如圖４所示。圖５給出探針臺在芯片測試結果，其中a圖爲驗證復接功能的瞬態波形，從上到下四路輸入信號，一路輸出信號，輸入爲編碼信號，D1～D4依次爲：0001、1000、0010、0100，時鐘爲2.5GHz。匹
配負載50Ω，輸出信號幅度爲2.45V。ｂ圖爲加入四路625Mb/s僞隨機信號時，50Ω匹配負載上的眼圖，圖中RMS抖動爲12.6ps，上升和下降 (10%-90%)時間分別爲：211ps和200ps，電路最高速率可達3.6Gbps
2、混合集成
在本發射機混合集成模塊的設計中除了前面提到的芯片間的耦合，光電子器件與光纖的耦合，縮短兩部件間的間距，減小寄生參數影響的問題外，還有一個實際問題，由於本模塊集成度較高，完成了複用到驅動的功能，所以功耗較大，相對於較小的芯片面積，散熱問題突顯而出。針對這些問題，我們採用了蝶形管殼、薄膜電路、激光焊接耦合、TEC控制等技術，使模塊具有小的體積和優良的性能。2.5Gb/s混合全集成發射機外觀如圖６所示。
在這裏，蝶形管殼封裝技術有利於阻抗匹配設計，改善模塊的高頻性能，而且，蝶形封裝有利於進行散熱。薄膜電路設計可以提高集成度，大大縮短器件間聯線的長度，減小寄生效應，提高互連的性能，同時又可減小整個發射機的體積，本次設計通過合理的佈線，一改原先薄膜電路和PCB板相結合的方法[2]，提高了模塊的穩定性，使整機性能成功的達到或超過任務指標。發射模塊襯底光刻圖案如圖7所示。
就發射機而言，其主要功能就是調製光輸出，所以光的耦合效率和耦合狀態的穩定性是非常重要的因素，在一般發射機中，光的耦合通常採用同軸耦合的激光器方式，其耦合效率一般在15%以下，而傳統的固定光纖的方法是點膠法，由膠的性質決定這種耦合存在不穩定性。在本設計中我們利用金屬化的錐形光纖，採用激光焊接技術大大提高了光的耦合效率，使其耦合效率超過60%以上，出光功率大是本混合集成發射機的一大優點。同時激光焊接方法也解決了耦合狀態的穩定性問題，只是模塊的體積略有增加。混合集成發射機，由於其功率較大，而體積較小，如果不採取措施，將會導致工作狀態下整個器件溫度上升，發射光的功率下降，消光比下降，波長髮生“紅移”，嚴重時可能會導致IC芯片工作不正常，所以本模塊的設計還採用了TEC技術，可以保證整個電路部分溫度穩定在室溫，所以模塊的各種指標受環境溫度變化的影響很小。這種發射機很適合於遠距離傳輸。
3、性能指標
本發射模塊在東南大學射頻與光電集成電路研究所進行了測試，測試電路如圖8所示，左面爲四路低速信號輸入端，下面爲差分時鐘輸入端和分頻輸出端，上面爲光纖輸出。該模塊的863項目要求指標和實際測試結果如表1所示，可見全部優於指標要求。圖9（a）爲四路速率爲622Mb/s非等長的PRBS碼作爲輸入信號時，光纖輸出2.5Gb/s的光眼圖，由於幀碼信號源的輸出信號本身的質量不是很好，所以所測眼圖中的抖動指標比實際有所下降。信號源的輸出波形和相應的輸出眼圖如圖9（b）所示，圖中上波形爲一路622Mb/s幀碼信源的輸出，下波形爲2.5Gb/s的光眼圖。
表1 發射機測試結果
|
參數名稱 |
單位 |
項目要求 |
實測結果 |
|
輸出光功率 |
dBm |
2 |
5.5 |
|
中心波長 |
nm |
1550 |
1550 |
|
邊模抑制比 |
dB |
>30 |
47 |
|
-20dB譜寬 |
nm |
<1 |
0.6 |
|
消光比 |
dB |
8.2 |
9.4 |
4、結論
混合集成技術相對於單片集成成品率高，集成方案簡單可靠，是集成技術中優先研發的對象，因此混合集成器件的市場發展空間巨大。本項目的完成，因其具有完全自主知識產權且在性價比上佔有一定優勢，一旦轉化成產品將會在未來市場佔據一定份額，爲國家創造巨大財富。