带有MU连接器接口的40Gb／s光接收模块封装技术

目前，对大容量光通信的需求日益增长，已开发了许多采用SONET／SDH、高速光LAN和WDM的光通信系统。光模块是这种光通信系统的关键器件。对于光模块封装和组件来讲，重要的是避免诸如集成电路(IC)、激光二极管(LD)或光电二极管(PD)一类光电器件性能下降。为减少元器件之间或元器件与衬底之间的互连长度，常常采用具有焊凸的倒装焊来替代导线或光纤带焊接。由于这种具有低温焊凸的倒装焊电感较小，在超高速和高频的实际应用中，这种倒装焊是很有用的。目前，在国际上已开发了采用焊凸的多种光模块，例如10Gb／s级光接收模块。

然而，在倒装芯片结构中，当信号传输速度增加时，由于粘贴面信号传输线和焊凸附近的接地导线可导致附加电容增大，而附加电容的增大又将导致光模块器件性能的退化。据报道，仅在10GHz，其回波损耗就达20dB以上。为了解决这个问题，在国际上已开发了可减少附加电容的一种新的倒装芯片技术--共平面波导(C2PW)，即在这种技术中采用了化的宽空隙CPW。在接收模块中，也可采用这种倒装芯片技术进行波导光电二极管(WG-PD)与前放大器集成电路(IC)的输入焊片之间的互联。

2 小型化40Gb／s光接收模块封装技术

小型化40Gb／s光接收模块封装技术有三个主要技术特点：

·在倒装结构的粘合面中，WG-PD和前放大器IC的CPW图形的阻抗匹配为化；

·采用薄膜载体将前放大器IC与用于信号输出的电同轴连接器连接在一起；

·采用MU连接器作为光接口以减小模块尺寸。

在这种小型化40Gb／s光接收模块封装技术中，为减少互连长度并不使器件性能下降，不仅采用了CPW倒装芯片技术，还采用了一种有用技术--薄膜载体焊接技术。它主要用于采用倒装芯片键合困难的互连部件。业已证实阻抗匹配的薄膜载体技术，即在聚酰亚胺薄膜上形成CPW图形。其制作工艺类似于带载自动键合(TAB)，这种TAB的特点是阻抗匹配容易，并可包容模块组件所产生的应力。光接收模块中采用薄膜载体技术可在前放大器IC的输出焊片与同轴连接器的信号导线之间进行互连。

此外，通常大多数光模块采用蝶形封装，在终端导线与印刷电路板(PCB)焊片之间需要进行另外的互连。在光模块中一般采用传统SC光连接器或FC光连接器作为光纤的光接口，但具有长剩余光纤的组件将导致组件与PCB的连接复杂化。而采用MU光连接器体积较小，其插头仅为SC光连接器空间体积的40％，所以可获得更高密度的封装。国际上已开发了将MU连接器接口用于2.5Gb／s光发射和接收模块的技术。与蝶形光模块不同的是，为使光模块相互间紧密排列，而将dc电源线从光模块外壳的底部引出。

3 带MU连接器接口的40Gb／s光接收模块构形

该模块主要由两个透镜和子座金属块组成。模块两端分别为MU插座和同轴连接器。在子座金属块上在前放大器IC上有倒装芯片的WG-PD、片式电容器、陶瓷衬底和将前放大器IC的输出焊片与同轴连接器的信号导线连接在一起的薄膜载体。MU插座高为7．2mm，通过YAG熔接技术与模块壳体相连。由于光波长为1.55μm，所以采用色散位移光纤(DSF)，并选择一个与40GHz工作带宽相一致的1.85μm同轴连接器。

在该光接收模块内，采用两个共焦的透镜结构可获得高耦合效率，陶瓷衬底连接前放大器IC的直流电(dc)焊片和dc电源的玻璃导线，并由芯片电容器提供dc偏置。将玻璃导线从模块壳体的底部引出，采用一个圆凸缘可使模块固定到具有螺钉的板上。由于采用YAG熔接技术，具有低的热传导率，所以模块壳体的材料采用Fe-Ni-Co合金。

为MU连接器与40Gb／s光接收模块对接的照片。该模块设计尺寸为：宽14.0mm、长40.4mm、高9.65mm。

4 40Gb／s光接收模块的光路设计

在中示出了用于DSF与WG-PD耦合的两个共焦透镜光路图。由于WG-PD有很细小的光点尺寸和用于光对准的非常的公差，所以选择采用小型非球面透镜(消球差透镜)，并将两个消球差透镜仔细地进行定位，WG-PD的光点尺寸ω1将被放大到ω2f1f2，这里ω2是DSF的光点尺寸，f1是个透镜的焦长，而f2是第二个透镜的焦长。WG-PD的光点尺寸ω1<2μm，而DSF光点尺寸ω2为DSF的模场直径的一半(约4μm)。因此其放大系数M(=f1/f2)<0.5。所选择的M接近两个透镜结合所获得的值。

为了简化模块内的光对准设计，可预先将第二个透镜固定到MU插座的塑料壳体上。然后通过YAG熔接技术将MU插座连接到模块壳体上。

5 40Gb／s光接收模块的电路设计
在400Gb／s光接收模块的电路设计中主要有三个关键技术：

(1)改进了WG-PD CPW图形和前放大器IC输人焊片的CPW图形。在中示出了用于WG-PD与前放大器IC之间的焊凸连接的倒装芯片结构。除粘合面之外的CPW特性阻抗为50 Ω。在粘合面，为了减少额外的电容，CPW的空隙比其他部分的空隙宽Δ G。在中示出了中沿P-Q剖开的横截面图。ΔG的值由二维(2D)分析确定，以使在粘合面中的有效特性阻抗为50 Ω。

(2)前放大器IC输出与同轴连接器的信号导线之间的连接采用一个薄膜载体。示出该薄膜载体的传输线图形。该薄膜载体由聚酰亚胺(介电常数为3.5)制成。传输线是CPW，其特性阻抗为50 Ω。该薄膜厚度为50μm，CPW的信号线宽为90μm，空隙为50μm。薄膜载体上有三条内导线：一条信号线和两条接地导线，一条与前放大器IC的输出焊片相连，一条外导线与同轴连接器的信号导线连接。

(3)避免了腔谐振，由于认为金属模块外壳是一个矩形波导，所以必须考虑腔谐振。通过腔尺寸可确定腔谐振(截止频率)的基频。为避免腔谐振影响光接收模块的特性，可通过减少有效腔尺寸来提高截止频率。因此，通过在子座金属块上安装一个金属帽构成子腔结构，在该子座金属块上包括了前放大器IC、薄膜载体和同轴连接器的信号导线。由于采用这种结构，光接收模块的截止频率可达到53GHz，比光接收模块的带宽大得多。

该光接收模块有好的电特性。示出采用这种新结构的光接收模块与采用一般结构的光接收模块的互阻抗增益比较。从图中看出，在采用传统结构的光接收模块中，其增益将随着频率的增加而减少；而在采用新结构的光接收模块中，其增益所支持的平坦性和3dB带宽至少为60GHz，这意味着，采用这种新结构技术可获得适合于传输40Gb／s信号的高性能宽带光接收模块。

6 结语

在带有MU连接器接口的小型化40Gb／s光接收模块中，改进了电特性，在倒装芯片结构粘合面中，WGPD和前放大器IC的CPW图形可使阻抗匹配化，并且采用阻抗匹配的薄膜载体来连接前放大器IC和用于电信号输出的电同轴连接器。该40Gb／s光接收模块光／电响应的3dB带宽至少为50GHz，在40Gb／s NRZ信号输入时可获得清晰的开眼图。这种光接收模块非常适合于大容量通信网络系统的应用。