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2014/6/26 15:45

光迅科技CXP模块中应用的技术

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对于现有的大多数光模块而言,传统同轴型光器件的体积往往占到了整个模块管壳容积的20%至40%,如使用这样的器件实现“多路并行”方案,将大大增加模块的体积。光迅科技CXP模块应用了“850VCSEL阵列技术”、“PIN阵列技术”以及“集成驱动芯片技术”等三项主要技术,设计出高密度阵列集成器件封装技术,大大缩减了光器件的体积,使得小体积、多路并行的方案得以实现。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是指从垂直于衬底面方向射出激光半导体激光器,通常有三种结构:45°镜面型、光栅耦合型以及垂直腔型。我们这里使用和讨论的是垂直腔型。VCSEL自1989 年在实验室室温条件下实现连续波运行便引起了广泛关注。在此之后,该技术不断完善,首先是量子阱结构材料生长技术,以及应变量子阱和应变补偿量子阱结构的引入;其次是高反射率布喇格发射器技术的引入,使其性能得到了更大改善。

VCSEL的主要结构中,中心是有源区,采用的是量子阱结构,有源区上下采用的是分布布拉格(DBR)反射器。有源区由1~3 个量子阱组成,其两侧是限制层,主要起两方面作用,一是限制载流子,使之只能在二维平面内运动,二是根据公式,调节面谐振腔的长度以达到使特定波长谐振的目的。在砷化镓和p型DBR 的外表面制作金属接触层,形成欧姆接触,并在p型DBR上制成一个圆形出光窗口,输出圆形的激光束。

VCSEL具有以下几个优点:(1)具有较小的远场发散角,发射光束发散角小且成圆型,易与光纤耦合;(2)阈值电流低,从而激光器工作时平均功率较小,降低了模块的整体功耗以及散热的要求;(3)调制频率高,激光器能使用在高速应用中;(4)在很宽的温度和电流范围内均以单纵模工作,这说明激光器工作性能稳定,单色性好;易于实现大规模阵列及光电集成,CXP并行方案得以实现正得益于此。

PIN探测二极管是光器件中较为常见的探测器芯片之一。传统的PN结型光电二极管结电容较大,不利于高频调制,耗尽层的宽度只有几微米,光子难以被完全吸收。在P、N型半导体之间引入小参杂的本征层I,形成P-I-N型光电二极管。

PIN在外加反向电压的条件下工作。I区相对于P区和N区具有高阻抗,反向电压主要集中在这一区,当入射光子能量大于禁带能量时,光子被吸收,产生电子空穴对。它们在反向偏压作用下离开耗尽区,形成光生电流。I区高阻使得暗电流——非光生电流——明显减少;耗尽层加宽使得吸收区域增大,提高了芯片的灵敏度,同时明显减少了结电容,增加了光电转化频率。这里应当注意,过大的I区同样会造成转换效率的下降,所以在制造过程中,应当选择最佳的I区长度,使得光子吸收率与光电转化速率达到平衡。

降低电路复杂程度、节省占用PCB面积、外部电路结构简单、功能强大且成本低等优势使得集成驱动芯片技术早已广泛应用于光模块电路设计中。

激光器驱动一般采用输入缓冲、差分放大电路、源极跟随级、电流开关级等四级电路级联结构,外加镜像电流源提供驱动电流。输入缓冲级的主要是为了阻抗匹配和偏置输入信号的直流电平,阻抗匹配是为了减小高速信号到达驱动芯片时产生反射,电平调节是为了调节电平到合适的工作范围;差分放大电路一般采用传统的三极管或者CMOS差分放大电路,在对信号放大的同时,对共模干扰信号有极强的抑制作用;源极跟随器的作用是输出阻抗变换,它的输出阻抗很小,带负载的能力极强,同时其也有拓展带宽、电平转化的作用;电流开关也是一个对称的差分电路,它为激光器提供差分调制电流。除此之外,再配上监控、控制、通信电路就构成功能完善的激光器驱动芯片。

PIN探测器驱动芯片主要由跨阻放大器(TIA)以及线性放大器(LA)两级组成。TIA是工作在小信号范围内的差分放大器,它将PIN微小的光生电流放大到LA可以正常工作放大的幅度;LA将被TIA放大的电流放大后转化为差分信号输出。它们配以监控和控制电路组成PIN探测器驱动芯片。

将VCSEL阵列、PIN阵列以及集成驱动芯片配合使用,再配以相关的组件,开发出高密度阵列集成技术,研制出高密度阵列集成光器件。

三者都可以直接暴露在空气中工作,不需要与空气隔离,将其直接贴装在PCB上,散热问题通过另一侧PCB焊盘与管壳充分接触来解决,加上透镜、光纤以及相关支撑封装组件,形成了该高密度阵列集成光器件的主体架构;将多路激光器或探测器驱动电路集成到一块芯片中,大大降低了模块电路复杂度,减少了模块需要使用元器件的数量,从而缩小了PCB板的面积,降低了布线难度。VCSEL阵列以及PIN阵列的体积尺寸在微米量级,集成驱动芯片的尺寸在毫米量级,这就使得多路并行的方案得以实现。该技术保留了VCSEL阵列技术、PIN阵列技术以及集成驱动芯片技术固有的优势和特点,使用该技术制造的光器件集成度高,速率快,并行通道多,将成为未来多路并行光器件的主流设计方案。

值得注意的是,单一VCSEL或者PIN与其阵列在制造工艺上并没有本质性的区别,阵列可以认为是将芯片基板按阵列数量进行切割制造而成的。很明显,阵列对激光器或者探测器之间的隔离技术以及芯片的成品率有着更高的要求。驱动阵列的驱动器与驱动单一激光器或者探测器的驱动相比,在电路结构上没有明显的区别,主要是通道数量上的增加,这对驱动芯片成品率的要求进一步提高,工艺应该注重考虑信道之间的信号隔离,以减小串扰

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