光模块中互连结构的补偿设计

宁 静，宋小平，刘成刚，余春平

(1.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205； 2.武汉邮电科学研究院，武汉 430074)

0 引 言

随着新型互联网技术的应用和第五代移动通信系统的发展，通信网络中的流量呈现出爆炸式的增长，现有网络难以满足通信网的容量和速率快速增长的需求。光模块作为通信网的基础组成部分，其数据传输速率已经从10 Gbit/s提升至25 Gbit/s，并向着更高的传输速率提升。

光模块中存在印刷电路板、管壳陶瓷件和管壳内部光电芯片的载体等多个分立元器件，金丝互连线和柔性电路板连接是光模块中分立元器件的射频电路之间的主要连接方式。通常情况下光模块中射频信号的阻抗为50或者差分100 Ω，但在射频电路的互连处，射频电路的阻抗不连续，造成信号的反射和信号完整性问题，会影响整个系统的电特性，从而难以提升其传输速率。合理的射频电路设计能够减小系统的传输损耗和反射，提升光模块的带宽。

1 金丝键合互连的容性补偿结构

光模块中的金丝互连可以简单分为带制冷封装和无制冷的金丝互连。当两个分立元器件都无制冷时，两元件可以紧贴在一起，金丝两件键合点之间间距较小，生产过程中可以采用控制金丝键合线的长度[1]和增加同一焊盘上金丝键合线的数量等方式改善金丝互连结构的射频性能[2]。当两个分立元器件中存在带制冷封装的元件(一般是带制冷封装的激光器芯片)时，为了保持激光器芯片的温度稳定，使激光器芯片的波长不发生变化，带制冷封装的激光器芯片需要与其他元器件之间保持一定的间距，金丝键合线的长度随之增加；金丝键合线数量的增加会增加热传导，增加热电制冷器的功耗，所以为了降低功耗，通常情况下带制冷封装的激光器芯片的同一焊盘上只键合单根金丝。在这种情况下，本文提出了一种适用于单根金丝键合互连的容性补偿结构。

金丝键合线模型的示意图如图1所示，两个传输线电路之间使用金丝进行连接。金丝键合线的等效电路模型如图2所示[3]，其由串联电感L、串联电阻R以及并联电容C组成。

图1 金丝键合线模型

图2 金丝键合线的等效电路模型

串联电感L可以表示为[4-6]

式中：l为金丝键合线的长度；d为金丝键合线的直径；μ0为真空中的磁导率(μ0=4π×10-7H/m)；μr为金丝键合线的相对磁导率(μr=1)。

串联电阻R可以表示为

式中：ρ为金丝键合线的电阻率；δ为趋肤深度。

并联电容C可以表示为

式中：ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数；A为金丝键合线所在微带传输线焊盘的面积；h0为微带传输线的介质基片的厚度。

从金丝键合的等效电路来看，金丝键合结果具有低通的性质。随着频率的提高，寄生电感效应的影响会明显加剧，为了提升金丝键合线的高频传输特性，可以适当加大键合处的容性分量，例如增加金丝键合线焊盘处的宽度，同时在焊盘与参考地之间设置第二参考地，以减小焊盘与参考地之间的距离。在三维电磁仿真软件HFSS中建立共面波导传输线与金丝键合线模型(即具有补偿结构的金丝键合模型)如图3所示[7]，模型中传输线的基板使用Al2O3陶瓷材料，其相对介电常数为9.8，基板厚度为0.30 mm，当共面波导的线宽为0.20 mm、间距为0.18 mm时，共面波导的特性阻抗为50 Ω，金丝键合线的直径为0.025 mm，跨距为0.300 mm，弧高为0.100 mm。通过在HFSS软件中仿真，得到电容补偿结构的长度为0.2 mm，宽度为0.4 mm，第二参考地与焊盘之间的距离H为0.10 mm，第二参考地的长度为0.15 mm。

图3 共面波导传输线与金丝键合模型

无补偿结构的金丝键合模型和具有补偿结构的金丝键合模型的回波损耗和插入损耗对比分别如图4和5所示。仿真结果表明，具有补偿结构的模型回波损耗在0～20 GHz频率范围内增加了约18 dB，在更高频率增加了7 dB以上，插入损耗减小了约0.10～0.25 dB。可见所提出的金丝键合处的电容补偿结构能够有效地改善传输特性，提高信号质量。

图4 无补偿结构和有补偿结构的金丝键合模型的回波损耗对比

图5 无补偿结构和有补偿结构的金丝键合模型的插入损耗对比

2 柔性电路板互连的补偿结构

光模块中另一种主要的互连方式是柔性电路板互连。在柔性电路板中，传输线的主要类型为微带线，微带线的特性阻抗Z0可表示为

式中：h为介质厚度；w为微带线宽度；t为微带线厚度。

柔性电路板信号线的剖面图如图6所示，信号线在柔性电路板的上表面，信号线焊盘和参考地设置在柔性电路板下表面。由于柔性电路板结构和制版工艺的限制，信号线焊盘和参考地间存在一定的间隙，此时柔性电路板上表面的信号线参考地发生变化，阻抗不连续，信号会发生反射。为解决现有设计中柔性电路板互连部分的阻抗失配，本文提出一种圆形补偿结构，如图7所示，圆形补偿结构设置在信号线上，位于信号线焊盘与参考地间隙的上方。

图6 柔性电路板信号线剖面图

图7 具有圆形补偿结构的柔性电路板模型

在HFSS仿真软件中建立柔性电路板互连模型，基层采用厚度为50.0 μm的聚酰亚胺材料，顶层和底层铜箔采用18.0 μm的压网格铜材质制成，覆盖膜采用厚度为12.5 μm的聚酰亚胺材料制成，传输线宽度为0.1 mm，传输线阻抗为50 Ω。在添加和不添加电容补偿结构两种情况下进行仿真验证，回波损耗和插入损耗结果分别如图8和9所示。仿真结果表明，具有补偿结构的柔性电路板的回波损耗(在0～20 GHz频率范围内)增加了约17 dB，插入损耗减小了0.1 dB，表明添加电容补偿结构后传输效果有改善。

图8 无补偿结构和有补偿结构的柔性电路板的回波损耗对比

图9 无补偿结构和有补偿结构的柔性电路板模型的插入损耗对比

3 实验结果

本文为了验证补偿设计的性能，测试了具有补偿结构和不具有补偿结构的光发射器件光眼图。图10和11所示分别为室温条件下(25 ℃)测得的具有和不具有补偿结构器件的4通道25 Gbit/s光眼图。由图可知，具有补偿结构的设计被测光发射模块(Transmitter Optical Subassembly，TOSA)在室温条件下，25 Gbit/s眼图模板容限(Eye Mask Margin，EMM)在38%左右，消光比(Extinction Ratio，ER)在9.2 dB以上，不具有补偿结构的被测TOSA的眼图模板容限在32%左右，消光比在8.6 dB以上，可见具有补偿结构的TOSA性能较好。

图10 室温条件下具有补偿结构的器件的4通道25 Gbit/s光眼图

图11 室温条件下不具有补偿结构的器件的4通道25 Gbit/s光眼图

4 结束语

本文提出了用于光模块中金丝互连结构的补偿设计和柔性电路板互连结构的补偿设计。通过对两种互连结构的理论分析，使用HFSS软件对其进行建模分析，并与无补偿设计的互连结构进行了对比，结果表明，具有补偿结构的金丝互连线的回波损耗(在0～20 GHz频率范围内)增加了约18 dB，插入损耗减小了0.10～0.25 dB；具有补偿结构的柔性电路板的回波损耗(在0～20 GHz频率范围内)增加了约17 dB，插入损耗减小了0.1 dB。在室温条件下测试了具有补偿结构的光发射器件，被测器件性能较好。本文提出的补偿设计，可有效地应用于光模块中的互连结构。