10Gbs电吸收调制器的微波封装设计

第32卷　第11期　

2005年11月

中　国　激　光

C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS

Vol. 32, No. 11

　

November , 2005

　　文章编号:025827025(2005) 1121495204

10G b /s 电吸收调制器的微波封装设计

刘　宇, 谢　亮, 袁海庆, 张家宝, 祝宁华, 孙长征, 熊　兵, 罗　毅

1

11111222

中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室, 北京100083

2

清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室, 北京100084

摘要　在高速光电子器件的微波封装过程中, 需要综合考虑封装寄生参数和芯片寄生参数对器件高频性能的影响。利用封装寄生参数对芯片寄生参数的补偿作用, 成功实现了10Gb/s 电吸收调制激光器(EML ) 的高频封装。通过封装前后芯片和器件的小信号频率响应测试结果对比, 器件的反射参数和传输参数有所改善,3dB 带宽达到

10GHz ; 并进行了10Gb/s 速率的光纤传输实验, 经过40km 光纤传输后通道代价不到1dBm (误码率为10-12) ,

满足10Gb/s 长距离光纤传输系统的要求。

关键词　光电子学; 电吸收调制器; 微波封装; 频率响应中图分类号　TN 365　　　文献标识码　A

Microw ave Packaging for L IU Yu 1, 1, 2ZHAN G Jia 2bao 1, 1, 2zheng 2, XON G Bing 2, L UO Y i 2

1

S L on I nteg rated O ptoelect ronics , I nstitute of S emiconductors ,

T he Chinese A cadem y of S ciences , B ei j ing 100083, China

2

S tate Key L aboratory on I nteg rated O ptoelect ronics , De partment of Elect ronic Engineering ,

Tsinghua Universit y , B ei j ing 100084, China

Abstract 　A novel microwave packaging technique for 10Gb/s electro 2absorption modulator integrated with

distributed feedback laser (EML ) is presented. The packaging parasitic and intrinsic parasitic are both well considered , and the packaging circuit is synthetically designed to compensate the intrinsic parasitic of the chip. A butterfly packaged EML module has been successf ully developed to approve that. The small 2signal modulation bandwidth of the butterfly 2packaged module is about 10GHz. Optical fiber transmission experiments at a data rate of 10Gb/s show that the module can be used for long 2haul transmission. After transmission through 40km , the power penalty is less than 1dBm at a bit 2error 2rate of 10-12. K ey w ords 　optoelectronic ; electro 2absorption modulators ; microwave packaging ; frequency response

1　引　言

　　近年来随着光电子器件不断向高速率发展, 光电子器件的高频封装形式也多样化, 例如同轴(TO ) 、微型双列直插(mini 2DIL ) 、蝶型等, 但是无论何种形式, 封装引入的寄生参数都会对器件的高频性能产生一定影响。在Park 等[1～3]和我们以前的工作[4,5]中已经发现, 封装中金丝引入的寄生电感

　　收稿日期:2005201211; 收到修改稿日期:2005204212

效应会对器件的反射和传输参数产生明显影响。因

此, 在提高芯片高频性能的同时, 也必须不断改进芯片的微波封装技术。

电吸收调制激光器(EML ) 作为现代高速光通信系统中常用的关键器件, 具有低啁啾、高调制度、结构紧凑等特点, 适合于长距离的光纤通信系统, 因此一直是人们研究的热点之一。本文对10Gb/s 电吸收调制器和分布反馈(DFB ) 激光器集成光源芯片

　　基金项目:国家973计划(G 2000036601) 和国家863计划(2001AA312030,2001AA312290) 资助项目。

) 男, 湖南常德人, 中国科学院半导体研究所工程师, 硕士, 主要从事高速光电子器件的微波测　　作者简介:刘　宇(1976—

试与封装设计方面的研究。E 2mail :[email protected]. ac. cn

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进行了封装设计和研究, 测试结果表明封装后器件的3dB 带宽比芯片的带宽有所提高并达到10GHz ,

眼图、误码率等大信号测试结果也表明封装后的器件能满足10Gb/s 长距离光纤传输系统的要求。

目的。此外, 管壳中还集成了由热敏电阻和致冷器组成的温度控制单元、背光探测器和外部电路构成的自动功率控制单元, 用带隔离器的单模光纤实现了稳定高效的光耦合。

2　封装结构

　　在封装过程中采用的是带同轴高频接头(K connector 或GPO connector ) 的蝶型管壳, 如图1所示。用这种同轴高频接头取代传统蝶型管壳(14引脚) 的共面微带结构作为调制信号的输入接口, 能有效降低输入信号的回波损耗。封装结构和电路如图2所示, 与同轴高频接头相连的是一段在陶瓷(Al 2O 3) 基片上制作的特征阻抗为50Ω的微带线, 微带线的另一端通过金丝与热沉相连。热沉材料采用导热性能良好的AlN 基片, 并用薄膜电路工艺在上面制作了电极和匹配电阻, 其中匹配电阻为50Ω, 与电吸收调制激光器芯片的调制器并联沉和匹配电阻, , 对, 并加入一些闲置电路进行阻抗匹配,

以达到提高器件高频性能的

3　测试结果

　　在电吸收调制器集成光源的封装研究中, 采用了美国ASIP INC. 公司的10Gb/s 电吸收调制激光器芯片。用光谱仪(Advantest Q8384) 测得其中心波长为113μm , 如图3所示

。

图3电吸收调制激光器芯片的光谱曲线

Fig. 3Optical spectrum of EML chip

为了评估封装质量的优劣, 对封装前的芯片和封装后的器件进行了小信号频率响应的测试和比较。电吸收调制激光器芯片的小信号测试系统包括微波矢量网络分析仪(H P8720D ) 、微波探针(Cascade ACP40) 和光电转换器(New focus 45GHz ) 。通常电吸收调制激光器芯片的调制器电

极分别位于芯片的上下表面, 无法直接用微波共面

图1蝶型封装器件外观图

(左:K connector ; 右:GPO connector )

探针进行测量, 于是将其焊接在热沉的一个电极上, 而顶面电极用金丝与热沉的另一电极相连。这样转换成共面电极进行测量的结果中就会包含热沉、金丝和微波探针的影响, 寄生参数可以采用等效电路参数提取等方法[4～8]扣除, 从而得到芯片的真实响应。封装后的器件具有同轴接头, 可以将网络分析仪校准到同轴端面直接测量得到频率响应。芯片和器件的反射参数S 11如图4所示, 传输参数S 21如图5所示, 图5中两组曲线代表分布反馈激光器电流

Fig. 1Photograph of butterfly modules

(left :K connector ; right :GPO connector

)

为80mA , 调制器偏压分别为-2V 和-215V 时的测量结果。

在封装过程中, 我们对封装引入的寄生参数和

图2蝶型封装电路示意图

Fig. 2Schematic diagram of butterfly packaging circuit

芯片寄生参数进行了综合考虑[9,10]。除了尽可能降低封装引入的寄生参数外, 还加入了一些闲置电路

　11期　　　　　　　　　　　　　刘　宇等:10Gb/s

电吸收调制器的微波封装设计1497

图4电吸收调制激光器芯片和器件的S 11幅度曲线

Fig. 4

Measured S 11of EML chip and butterfly

module

图6电吸收调制激光器芯片的眼图(背对背)

Fig. 6Eye diagram of EML chip (back to back

)

图5电吸收调制激光器芯片和器件的S 21幅度曲线

Fig. 5Measured S 21of EML chip and butterfly module

进行阻抗匹配。从图4可以看出, 虽然在0～5GHz 频段内封装后器件的反射参数比芯片稍大, 但是仍然在-10dB 以下, 满足器件设计指标的要求; 在5～10GHz 频段内, 封装后器件的反射参数比芯片有所降低。因此相应地从图5可以发现, 器件传输参数的平坦度有所改善, 封装后器件的3dB 带宽比芯片的带宽不但没有降低, 反而有所提高, 达到了10GHz 。实验结果表明, 封装引入的寄生参数对芯

图7电吸收调制激光器的眼图

Fig. 7Eye diagrams of butterfly module

(a ) 0km ; (b ) 40

km

片寄生参数的补偿作用将可以用于改善器件的高频性能。

为了进一步验证, 还进行了大信号响应测试和传输实验。芯片的背对背眼图测试结果如图6所示。封装后器件的大信号测试系统包括10Gb/s 伪随机码发生器(Advantest D3186) 、误码仪(Advantest D3286) 、光电转换器(New focus 45GHz ) 和通信分析仪(Tekt ronix CAS8000) 。在10Gb/s 伪随机码调制下, 分别测试了封装后器件的

背对背眼图和G. 652单模光纤传输40km (无色散补偿) 后的眼图。从图7中可以看出, 虽然经过40km 光纤传输后的眼图的张开程度有所下降,

但

图8电吸收调制激光器的误码率

Fig. 8Bit 2error 2rate (B ER ) of butterfly module

1498中　　　国　　　激　　　光　　　　　　　　　　　　　　　　　32卷

　

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仍能符合SON ET OC 2192眼图模版的要求。还进行了误码率测试, 由图8可知器件经过40km 光纤传输后通道代价不到1dBm (误码率为10-12) , 满足10Gb/s 长距离光纤传输系统的要求。

4　结　论

　　提出了一种10Gb/s 电吸收调制器集成光源的微波封装设计方法, 在综合考虑封装寄生参数和芯片寄生参数的基础上, 加入一些闲置电路进行阻抗匹配, 利用封装寄生参数对芯片寄生参数的补偿作用改善了器件的高频性能, 蝶型封装器件满足10Gb/s 长距离光纤传输系统的要求。以电吸收调制器集成光源芯片为例验证了这种方法的可行性, 对于激光器、探测器等其他类型的高速光电子器件, 可以认为这种微波封装设计方法同样适用。

参考

文

献

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3　Kyounghoon Yang , Augusto L. Gutierrez 2Ait ken , Xiangkun