400Gb/s QSFP-DD光发射组件的设计与实现

400Gb/s QSFP-DD 光发射组件的设计与实现

武汉邮电科学研究院 宁静

1.绪论

1.1 课题研究背景与意义

  随着第五代移动通信系统（The Fifth Generation Mobile Communication System，5G）这一新的革命性技术的飞速发展，信息产业的创新进程在不断加快。各国都已将第五代移动通信系统定为一种国家层面的发展战略，希望可以超前完成 5G 网络的部署工作，尽快推广普及有关应用，如美国、瑞士、英国、西班牙、韩国、日本等国家相继开始了

     5G 商业化应用的进程[1]。2019 年 6 月，我国工业和信息化部向运营商发放了 5G 商用牌照，标志着我国 5G 商用正式启动。2020 年 3 月，我国将 5G 网络建设确定为新型基础设施建设重点，进一步促进 5G 相关产业的发展。第五代移动通信技术的特征在于速率向着更高速发展，带宽向着更大发展，时延向着更小发展和可靠性向着更高发展，能够满足虚拟现实、超高清视频和智能制造等通信网络中新兴业务的应用需求。客户应用需求高速增加，业务流量随之增加，移动网络的带宽需求正在以十倍的级数迅速增长[2]。为了应对流量激增对移动通信网络的挑战，以太网需要更高的传输能力，更大的网络带宽，更高的网络速率。第五代移动通信技术具有更高速率、更大带宽、更低时延、更高可靠性等特性，能够与新兴业务深度融合，成为了信息产业的关键基础设施。随着 5G 商业化进程的推进，运营商会开展大规模的网络建设，100G 光传送网络已经在全球范围内广泛部署[3][4]，400G 光传送网络的商用进程也逐渐开始[5][6]。

      2017 年 12 月， 电气和 电子工程师协 会（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，IEEE）发布了 IEEE 802.3bs 标准，定义了 200Gb/s 和 400Gb/s 以太网的媒体层和物理层规范。2019 年 7 月，主流光模块厂商共同创立的多源协议（Multi SourceAgreement，MSA）发布了 QSFP-DD MSA，定义了双密度四通道小型可插拔封装（QuadSmall Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD）的电气连接器、光学连接器、信号和电源、机械要求和热设计要求，为系统制造商、系统集成商和供应商提供了一个通用规范模块。光发射组件无法直接应用于光通信网络，一般与光接收组件一起用于光模块。近年来，光模块已被广泛应用于多种不同的领域中，如隧道交通、基站建设、光纤网卡、交换机、光纤收发器、光纤高速球机、光纤路由以及视频光端机等。在无线通信系统中，基站数量庞大，光模块作为其中的关键一环，它的性能决定着整个系统的性能与通信服务质量。而光发射组件作为光模块中的核心部件，其性能优劣直接影响了光模块的可靠性。由此可见，研制光发射组件具有重要的意义。400Gb/s 光发射组件能够有效提高5G网络的可靠性与容量，同时也使 5G 网络的时延与功耗得到了明显的降低，极大促进无线通信技术的发展[7][8]。

1.2 国内外研究应用现状

1.2.1 光发射组件功能及分类概述

  光发射组件将高低电平的电压信号转换为光亮光暗的光信号。光发射组件按照封装形式可以分为晶体管外形（Transisitor Outline，TO）封装，蝶形封装，BOX 封装。 

  上个世纪九十年代左右，通信容量相对较小，宽带主要是指百兆级的网络，这一阶段光通信一般应用于传真服务以及电话网等方面。网络中的核心器件是低速电子器件，此类器件采用的技术主要是 TO 封装[9]。此后，光电技术有了进一步的发展，传统的封装技术已不能使实际应用需求得到有效的满足，因而研究人员又尝试探索新的封装电子器件的方式。

  将分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）应用于长距、高速通信系统时，要使温度保持恒定，所以要配合相应的温控系统，温控系统的主要组成部分是热电制冷器与热敏电阻，而 TO 封装的引脚数量和管壳体积等都不能满足温控系统的设计需求，所以研究人员开发出了具有更多引脚数量、更大体积的蝶形封装技术[10][11]。 

  近年来，移动通信技术又有了进一步的发展，无线网络的传输速率也有了明显的提升，与此同时，基站数量也变得更多，人类社会对光模块产生了更强烈的需求。由于场地并不是无限的，基站在运行的同时会造成较高的能耗，因而小型化、低能耗的光模块成为了一项研究重点。早期研究人员开发的蝶形封装在性能与体积方面均表现了明显的不足，已不能使高集成度、超高速的实际需求得到很好的满足，因而又有研究人员基于蝶形封装研制出了 BOX 封装。此类封装具有更为密集的引脚，可以满足多种不同类型电接口的需求，体积更小；盒型外壳可以为较大体积的热电制冷器的放置提供一定的便利；管壳体积更小，更易于使用。

1.2.2 400Gb/s 光发射组件研究现状

      400G 光模块的封装形式主要有四种，分别是 QSFP-DD 封装形式、八路小型化可插拔（Octal Small Formfactor Pluggable，OSFP）封装形式、封装可插拔（Centum Form-factorPluggable，CFP）和板上芯片封装（Consortium for On-Board Optics，COBO）等封装形式[12]。 

  （1）QSFP-DD 

     QSFP-DD 封装形式的优势在于其尺寸比 OSFP 封装更小，且功耗更低，目前主流的 QSFP-DD 光模块的功耗一般为 12W，日后有望将其功耗降低为 10W，QSFP-DD光模块能够兼容 100GbE QSFP28 接口，可以减少设备成本。

     QSFP-DD 封装形式的劣势是其散热要求较高。由于 QSFP-DD 尺寸较小，当其散热不均匀或者不能较好散热时，光模块内部的激光器容易失效。QSFP-DD 由于其尺寸、带宽、功耗等方面的巨大优势，逐渐成为 400G 光模块的主流方案。 

  （2）OSFP

      OSFP封装形式的尺寸大于QSFP-DD封装，但是远远小于CFP8封装的尺寸。OSFP光模块的优势在于具有一个集成的散热器，可以极大地提高热性能。

      OSFP 封装的劣势是由于其自带散热器，功耗偏大，OSFP 光模块在使用传统气流的交换机机箱中具有高达 15W 的功率。OSFP 封装尺寸较大，并且 OSFP 封装是一个新的标准，与现有的光电接口并不兼容，这将提高模块成本和设备成本。

  （3）COBO

      COBO 封装是将所有光学组件都设置在 PCB 板上，其尺寸优势非常明显，因为PCB 板的散热器性能较高，COBO 封装具有良好的散热，能有效提高激光器的可靠性。但是 COBO 封装形式光发射组件与 PCB 板是一个整体，若任意一个元件失效，不能简单更换光发射组件，机动性较差。 

  （4）CFP8 

      CFP8 封装形式是 CFP4 封装形式的拓展，将通道数增加为 8 个，这也使得 CFP8封装尺寸较大，散热性能较好。CFP8 封装可以使用 CFP4 封装中成熟的激光器元件，能够快速进入市场，快速响应，但是通道数增加会使得 CFP8 光模块成本高涨。

   随着 400G 2km 光模块业务的蓬勃发展，市场对于传输距离为 10km 及以上 400G光模块的需求也逐渐显现。2019 年年初，各大厂商陆续推出了应用于 400G 的传输距离为 10km 的光模块产品。住友在 2019 年 OFC 上展出了基于电吸收调制激光器（Electro-absorption Modulated Laser，EML）的 400G 光发射组件；Finisar 在 2020 年初推出基于 DFB 激光器的 8X50G QSFP-DD 光模块；Source 推出了 QSFP-DD LR8/ER8光模块。

1.3 本论文的研究目标和拟解决的关键问题

      5G 技术具有明显的优势，必将在今后得到广泛的应用，而现有骨干网、传输网广泛应用的是 100G 光模块，不能满足未来 5G 大规模的应用需求，本文的目标是提出一种用于 5G 无线通信系统的封装形式为 QSFP-DD，传输速率为 8x50Gb/s 使用 EML激光器的光发射组件。

   本文的主要工作如下：

  （1）根据相关标准要求，给出了光发射组件的整体设计方案，包括高频电路的设计和电磁仿真计算、光路设计与容差分析、热仿真计算等。

  （2）利用电磁仿真软件仿真陶瓷基板射频电路的特性阻抗和 S 参数，设计光发射组件互连处的匹配结构来满足射频电路的阻抗匹配、较低反射和较低插入损耗等要求，保障光发射组件的稳定工作。

  （3）利用光学仿真软件进行光学系统的设计，对比两种合波方案，并对其进行容差分析，最后确定光学设计方案。

  （4）介绍 400Gb/s QSFP-DD 光发射组件的制作工艺和测试系统，对实验样品进行测试。

2 光发射组件的基本原理

2.1 激光器的基本原理

  在光发射组件中，激光器占据了最重要的地位。下面将简单介绍激光器的分类，并对 EML 激光器的基本原理进行介绍。

2.1.1 激光器的分类

  激光器是光发射组件的重要组成部分，激光器可以按照两种方式分类，第一可以按照激光器的调制方式分类，第二可以按照激光器的波长分类。

  根据调制方式，光发射组件中的激光器主要包括两类，分别为外调制与直接调制类型的激光器。两者的主要不同之处在于直接调制激光器的调制信号加载在光源上，外调制激光器的调制信号加载在调制器上。 

  直接调制是指将半导体激光器的预调制信号电流，直接与激光器的偏置电流进行叠加，使用电信号进行调制，调制后的驱动信号使得输出光的光强度发生变化，得到调制光信号，也可以将其称为强度调制。直接调制激光器使用的技术简单易于实现，只需要在接收端判定激光器的工作状态为有光信号状态或无光信号状态即可，而且直接调制激光器的成本较低，可以大规模使用。但直接调制激光器也存在一些缺点，第一，直接调制激光器的调制速率会因为半导体激光器频率特性而受到限制，在进行直接调制的过程中，如果光强度发生变化，激光器发射光的波长也会随之改变，产生了附加频率调制现象，这会进一步扩大激光器的调制边带，导致激光器带宽的利用率较低。第二，直接调制激光器可能产生较大的复合二阶失真，当其对高频信号进行直接调制时，激光器内部的光电作用可能会引起激光器发射光频率的改变，这时可能产生较大的复合二阶失真。

  外调制方式中，激光的产生和信号的调制是分立的，使用一个独立的外调制器对激光器输出的光进行调制，激光器发射出的光注入到外调制器上，并将调制信号加载到外调制器上，在电场的作用下，外调制器进行光强和相位的调制，并且输出调制光。由于外调制方式的调制信号不加载在光源上，加载于调制器上，所以激光器的输出光是直流光，同时外调制器不会产生附加频率调制现象，所以采用外调制方式可以有效的避免激光器的复合二阶失真现象，使得激光器可以稳定工作，提高传输质量。外调制方式的缺点在于使用了额外的调制器，增加了成本，并且激光器的损耗增加。

  目前较为常见的外调制器有马赫-曾德尔(MZ)调制器和电吸收调制器。MZ 调制器的结构如图 2-1 所示，它以电光晶体为衬底，并将单模光波导设置在衬底上，单模光波导有两个分支，输入光经过光波导时会分成两个支路，驱动电极设置在光波导上[13]，两个支路的光信号从光波导上输出时合成产生干涉，叫做马赫-曾德尔干涉。由于单模光波导使用电光材料，其折射率大于衬底材料的折射率。当不施加偏置电压时，输入光信号通过光波导时分为两路光信号，并且在光波导的输出端合成一路光信号，输出光信号没有发生改变。当在光波导的两个支路上施加不同的偏置电压，单模光波导的折射率会随着施加于光波导的外部电信号的变化而变化，两个支路的折射率不同，导致两个支路的有效光学长度不同。当 MZ 调制器的偏置电压设置为V / 2时，两支路中光信号的相位相差 90°，合成后的输出光产生线性变化；当 MZ 调制器的偏置电压设置为V 时，两支路中光信号的相位相差 180°，幅度相反，两支路光信号产生抵消，输出光为零。改变外部施加的偏置电压，MZ 调制器的输出光信号将会随着外加电信号的变化而变化，从而实现光信号的调制。

  电吸收调制器（Electro Absorption Modulator，EAM）是一种以半导体材料为衬底，以 PN 结构为基础的平板波导，外加偏置电压的方向垂直于调制光的方向，其结构示意图如图 2-2 所示。当不在 EAM 调制器上加载偏置电压时，激光器的发射光进入 EAM 调制器的吸收层时不发生改变，在这一层继续传播，从 EAM 调制器的另一端输出；当施加在 EAM 调制器上的偏置电压改变时，EAM 调制器的外加电场会引起吸收层中吸收光谱的改变，部分光被吸收掉，从而调制入射光束的光强度，随着偏置电压的增加，PN结中的电流也随之增加，吸收更多的光，从而使得衰减增加[14]。电吸收调制器主要应用了弗兰克兹-科尔迪希（Franz-Keldysh）效应和量子限制斯塔克效应。弗兰克兹-科尔迪希效应主要是指在外加偏置电压的作用下，半导体材料吸收边的形状会发生改变，并且引起半导体材料折射率改变的现象。在半导体材料中，价带电子受激跃迁时会有部分光子被吸收，在较大偏置电压的作用下，会有更多的价带电子发生跃迁，有效能隙减小，此时吸收边发生红移，折射率改变。弗兰克兹-科尔迪希效应主要研究的是光跃迁。为了使电吸收调制器具有更高的消光比，通常会应用量子限制斯塔克效应，制作得到一种特殊的吸收材料，这种吸收材料的优势在于吸收边较为陡峭，并且具有良好的热稳定特性，吸收光谱可逆。电吸收调制器具有较低的驱动电压，一般在 3V 左右，同时电吸收调制器的调制带宽较大，也能够工作在较高速率，非常适用于光纤通信网络，目前已经得到广泛的应用。

  根据工作波长，光发射组件中的激光器一般可以分为以下几种，垂直腔表面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）、法布里-珀罗激光器、电吸收调制激光器和 DFB 激光器。在光通信系统中，目前国内应用最广泛的单模光纤为 G.652光纤，G.652 光纤是一种非色散位移单模光纤，1310nm 波段是 G.652 光纤的无色散波段，1550nm 波段是 G.652 光纤的最小衰减波段，但是在此波段色散较大。多模光纤多用于传输距离短，传输速率低，且要求光纤内部光功率足够的应用，其工作波段一般为 850nm波段和 1310nm 波段。垂直腔表面发射激光器多工作于 850nm 波段，此类激光器一般在并行光互连多模光纤收发器和光存储多模光纤收发器中使用，其优势在于 VCSEL 激光器阈值电流较低，对于温度不敏感，可以组成激光器阵列，与光纤阵列耦合时耦合效率高且耦合较为简便，同时能够有效的节省空间[15][16]；法布里-珀罗激光器多工作于1310nm 波段，此类激光器的使用场景一般为短距离单模光纤应用；电吸收调制激光器和分布反馈激光器多工作于 1310nm 波段和 1550nm 波段，此类激光器的应用场景一般为接入网单模光纤应用，工作窗口为 1550nm 波段的激光器多应用于长距离传输。

2.1.2 电吸收调制激光器的基本原理

  电吸收调制激光器一般由电吸收调制器和分布反馈激光器集成得到，DFB 激光器[17]一般在恒定功率工作，或者工作于连续波模式，电吸收调制激光器的调制信号加在 EAM调制器上。电吸收调制激光器主要利用了电子和光子之间的相互作用，它的主要材料是掺杂在一起的 P 型材料和 N 型材料，电吸收调制激光器产生光电作用的区域就在这种材料构成的 PN 结中。

     DFB 激光器使用半导体材料，DFB 激光器发光的主要原理是半导体材料中的电子，由于受激辐射，电子从导带向价带跃迁，在跃迁的过程中发出光子，这些光子在经过光学谐振腔之后形成激光出射光。DFB 激光器中存在具有周期性结构的布拉格（Bragg）衍射光栅[18]，只有特定波长的光能在光栅中发生谐振，并且在传播过程中发生分布式反馈，因此，DFB 激光器被称为分布式反馈激光器。DFB 激光器的输出光具有良好的波长稳定性。 

  如图 2-3 所示，DFB 激光器在电光效应的作用下发出激光，电吸收调制器内进入分布反馈激光器的出射光后，如未施加偏置电压，由于前者的带隙能量高于后者，所以出射光可以完全通过，在这种情况下 EAM 调制器出射光的光强等于 DFB 激光器出射光的光强；当在 EAM 调制器上加载偏置电压时，EAM 调制器中 PN 结的带隙能量减少，与分布反馈激光器相比，电吸收调制器的带隙能量更小，这时部分能量会被 EAM 调制器的吸收层吸收，EAM 调制器出射光的光强发生变化。当 EAM 调制器上加载的调制电压不同时，EAM 调制器出射光的光强也不同。通过上述过程，EAM 调制器实现了对 DFB激光器出射光的高速调制[19][20]。EML 激光器能够有效的避免激光器芯片在高速调制下产生的啁啾效应，具有较高的发射光功率，因此 EML 激光器在光通信领域中得到了广泛的应用。

2.2 光路耦合的基本原理

  在光发射组件中，光路一般包括了激光器、透镜和光纤等光学元件，激光器的发射光在自由空间内传递，经过透镜、波导等光学元件整合后入射到光纤，进入光通信网络。400Gb/s 光发射组件设计和封装的难点之一就是光路的耦合，需要减小光路中的串扰，提高耦合效率，首先对光发射组件光路耦合的基本原理进行分析。

2.2.1 激光器光束的基本原理

  由于电子跃迁而形成的光子会在激光器内的光学谐振腔当中不断反射，每次反射产生衍射，相当于对波前进行了傅里叶变换，这会导致激光边缘的能量损失，在谐振腔中经过多次反射之后，波前振幅分布为高斯函数，高斯函数的傅里叶变换还是其本身，故波前分布稳定，所以激光器发出的光束沿横向是高斯分布[21]。我们将这种光束称为基模高斯光束。沿横向传播的高斯光束可以表示为式（2-1）。

  上式中，ω(z)代表的是等相位面中高斯光束的光斑半径；0 表示的是当坐标 z=0 时，此时的光斑半径是高斯光束的束腰半径；R(z)表示的是当坐标为 z 时，高斯光束在其等相位面上的曲率半径；f 表示的是高斯光束的共焦参数。

  高斯光束是一种理想光束，在实际应用的过程中可以得到近似的高斯光束，并不能得到理想高斯光束[22]。在实际中，可以通过带理想特征的高斯光束来描述激光器光束，其基本参数可以根据下面的公式计算得到[23][24][25]。 

  （1）瑞利长度

      激光器光束的瑞利长度（Rayleigh length）是指沿着光束的行进方向，从光束的腰部到光束某截面的距离，该截面的面积为腰部面积的两倍。此时该截面的半径约为腰部半径的 1.414 倍。瑞利长度可以表示为式（2-2）。

  其中，0 表示的是高斯光束的束腰； 为激光器光束的波长。瑞利长度与高斯光束的光束发散度有关，在瑞利长度内，光束可以近似的视为平行光，激光器光束的共焦参数（confocal parameter），恰好为瑞利长度的两倍。 

  （2）曲率半径 

  高斯光束的曲率半径可以见式（2-3）所示。

  （3）光斑半径

  当坐标为 z 时，高斯光束在其等相位面上的光斑半径可以见式（2-4）所示。

（4）发散角

     EML 激光器具有周期性结构的布拉格衍射光栅，同时 EML 激光器有源区的厚度远小于有源区的宽度，因此 EML 激光器的输出光束为椭圆高斯光束。激光器的输出光束会随着传输距离的增加而发散，可以用发散角来描述激光器光束的发散程度，高斯光束的发散角可以见式（2-5）所示。

2.2.2 单模光纤的基本原理

  因为光信号在多模光纤内的传输模式极多，可达几百种，不同传输模式的群速率与传播常数存在着一定的差异，会提高传输的损耗与色散度，同时还会降低带宽，而且多模光纤的系统容量也会受到传输模式之间群时延差的限制，所以多模光纤只适于中短距离和小容量的光纤通信系统。与多模光纤不同的是，单模光纤中只能传输一种模式的光信号，模间色散很小，而且在 1310nm 波段，单模光纤的波导色散是负，材料色散是正，两者的绝对值大小相同，具有较低的传输损耗与色散代价，因而如果光纤通信系统的容量较大，传输距离较长，单模光纤便具有良好的适用性。由于本文 400Gb/s 光发射组件用于传输距离大于等于 10km 的应用中，所以本文中光发射组件选择了单模光纤。

  光纤主要由纤芯、包层和涂敷层组成。光在纤芯中的传输利用了全反射原理，所以光在纤芯中的入射角需要大于全反射的临界角，这也就要求了入射光在到达光纤端面的时候，入射角需要小于光纤的最大接受角max 。光纤的最大接受角代表了光纤接收光的能力，可以使用数值孔径 NA 来描述。数值孔径 NA 是表征光纤与其他元件耦合时耦合效率的重要参数。光纤的数值孔径可以见式（2-6）所示。

  其中，n0表示的是空气折射率，n0=1；n1表示的是纤芯的折射率；n2表示的是包层的折射率。光纤的归一化频率可以表征光纤中可以传输的光信号模式的数目，光纤的归一化频率[26]可以见式（2-7）所示。

  由于单模光纤仅可以传输基横模这一种光信号，所以当光纤的归一化频率 V 小于或者等于 2.408 时，光纤是单模光纤。

2.2.3 电吸收调制激光器与单模光纤的耦合

  电吸收调制激光器发射光在自由空间内传递，经过透镜、波导等光学元件整合后到达单模光纤端面，从上述对于激光器和单模光纤的原理分析可知，满足单模光纤的耦合条件是电吸收调制激光器与单模光纤耦合的前提，到达光纤端面激光的入射角不能大于光纤的最大可接受角[27]。同时为了得到更好的耦合效率，到达光纤端面激光的光斑半径需要小于单模光纤的纤芯半径。

  由于单模光纤与 EML 的模场分布均可以近似为高斯分布，所以可以将电吸收调制激光器与单模光纤的耦合视为两个高斯光束的耦合[28]，其耦合效率可以见式（2-8）所示。

  其中，PF表示的是光纤中接收到激光的光功率；PS表示的是激光器发射光的总功率。从耦合效率的表达式（2-8）可知，耦合效率与电吸收调制激光器和单模光纤的振幅、相位有关[29]，要想获得最大的耦合效率，需要电吸收调制激光器的模场分布完全等于激光器的模场分布，理论上来说，此时激光器的发射光可以全部耦合到光纤中，耦合效率为 1。在实际应用中，匹配激光器发射光和光纤的振幅和相位则更加复杂，提高光发射组件的耦合效率具有挑战性，这也是光发射组件光学设计的难点和目标所在。

2.3 热设计的基本原理

  在 400Gb/s 光发射组件中，需要使用速率更高的激光器芯片，高速率芯片的功耗也会更大，相对应的，激光器芯片的发热量也会变大。根据 EML 激光器的工作原理来分析，工作温度的变化会改变激光器半导体材料的折射率、谐振腔的腔长和半导体材料的能带大小，这些因素都会影响 EML 激光器的波长，导致 EML 激光器温度变化时，激光器中心波长的变化[30]。另外，当激光器芯片的工作温度升高时，激光器会发生热胀冷缩现象，若激光器接受的热膨胀应力大于其所能接受的范围，激光器会失效。为了使光发射组件正常工作，需要维持激光器工作温度的稳定，所以需要在光发射组件中设置热电制冷器。

2.3.1 热电制冷器的基本原理

  热电制冷器是一种制冷器件，也可以作为小型热泵使用，热电制冷器的制冷功能主要利用了半导体材料的热电效应，所以又可以被称为半导体制冷器（Thermoelectriccooler，TEC）。当某物体受热的时候，其电子跟随温度梯度从温度较高的区域向着温度较低的区域移动，在此过程中会中产生电流，一般将这种现象称为热电效应。热电效应主要以下几种，塞贝克效应、帕尔帖效应和汤姆逊效应，半导体制冷器主要应用了珀耳帖效应[31][32]。

  法国物理学家 J.C.A.珀耳帖发现，两种不同的材料构成一个闭合电路回路时，两材料结点的温度会随着电流的流通发生改变，其中一个结点的温度升高，另外一个结点的温度降低，当电流的流向相反时，结点温度的变化方向也相反。珀耳帖效应可以用式（2-9）表示。

  其中，Q 表示的是吸热或者放热功率；n 表示的是比例系数，可以称为珀耳帖系数；I 表示的是工作电流；a 表示的是温差电动势率；Tc表示的是冷结点的温度。

  实际应用中，根据珀耳帖效应制成的热电制冷器，其结构示意图如图 2-4 所示。一个 P 型半导体和一个 N 型半导体串联组成一个半导体电偶对，P 型半导体和 N 型半导体之间使用陶瓷基板进行结构连接，并且使得半导体电偶对之间保持绝缘，从电路角度讲，半导体电偶对是串联的，从热学角度讲，半导体电偶对是并联的。热电制冷器通常情况下包含两个金属面，两个金属面之间通常设置了一个或者多个上述的半导体电偶对，在对热电制冷器施加直流电源之后，两个金属面一个面为冷面，另一面为热面。

  热电制冷器可以同时实现制冷和加热功能，所以热电制冷器可以对温度实现精准的控制。它的优势还在于使用方法简单，只需要对热电制冷器施加直流电流；热电制冷器体积很小，非常适用于朝着体积小、密集度高方向发展的光发射组件，可以提高光发射组件的可靠性。

2.3.2 热设计的基本原理

  在稳定状态下，一般存在有两种热负荷，一种为主动热负荷，另外一种为被动热负荷[34]。其中，元器件的输入功率、消耗自身功耗产生的热辐射，称为元件的主动热负荷；因为温度差而发生的辐射、对流和传导等热传递[35]，称为元件的被动热辐射。通常情况下，主动热负荷的功耗 Qactive可以见式（2-15）所示。

  其中，V 表示的是加载在元件上的电压；R 表示的是元件的电阻；I 表示的是元件的电流。

  如果两个物体有接触点，当两者之间存在温度差时，被动热传导将发生在两者之间；在同一个物体内，温度较高部分的热量向温度较低部分传递，也会存在被动热传导。对于 BOX 封装带制冷的 EML 光发射组件，激光器管芯和激光器热沉之间、热电制冷器和与其热面相连接的 BOX 管壳之间和 BOX 管壳内部都存在被动热传导。热传导负荷Qcond可以见式（2-16）所示。

      其中，k 表示的是材料的热导率；A 表示的是物体之间的接触面积；L 表示的是物体之间导热通道的长度；T 表示的是物体之间的温度差。在物体上有流体经过时，由于物体和流体的温度存在一定的差异，所以会出现热量转移的现象，这就现象就是热对流。对于 BOX 封装带制冷 EML 组件，热对流主要是激光器管芯与内部氮气之间的热交换。热对流负荷可以见式（2-17）所示。

  其中, Qconv是热对流负荷功耗，h 为热对流交换系数，A 为暴露在空气中的表面积，Tair为周围空气的温度，Tc代表的是冷面温度。

   如果两物体的温度存在一定的差异，两者接近却并未发生接触，在这种情况下，两者也可利用电磁辐射实现热量的交换，这种现象也被叫作热辐射。任意温度高于 0K 的物体都可以通过这种方式完成热量的交换，在传输热量时无需借助其它介质，所以热辐射也可发生于真空当中。在气体环境下工作的系统，如具有较大的其他被动热负荷，此时一般无需考虑辐射热负荷的问题。不过如系统的工作环境温差较大，主动热负荷相对较小，此时便不能忽略辐射热负荷的影响。辐射热负荷可以见式（2-18）所示。

  其中 Qrad为辐射热负荷功耗，F 为面型参数，e 为发射率，s 为玻尔兹曼常数，A 为制冷器表面积，Tamb为环境温度，Tc为热点制冷器冷面的温度。

2.4 光发射组件相关元件的基本原理

2.4.1 打线电容

  直流激励源在经历整流电路、滤波电路和稳压电路之后，加载到激光器上，直流激励源可能存在交流成分，此时将打线电容与 EML 激光器相连，滤除加载在 EML 激光器上直流信号的谐波分量。

  打线电容在结构上，也可以起到减小 EML 激光器直流键合线第一、二键合点之间的高度差的作用，易于 EML 激光器打线。打线电容一般为多层电容器，利用多层结构来实现高电容值，具有较小结构、超薄厚度等优势。打线电容也具有良好的高频性能，适用于光发射组件内部的高速率、高带宽以及高精度贴装的使用环境。

2.4.2 热敏电阻

  在光发射组件中，设置了热电制冷器来维持 EML 激光器芯片的稳定工作温度，为了及时掌握 EML 激光器的温度，及时调整热电制冷器电流的大小和方向，将热敏电阻设置在了电吸收调制激光器附近。此类电阻对温度的变化敏感，当温度发生改变后，其阻值也会随之发生一定的变化[36]，与热敏电阻相连的自动温控电路通过测量当前的电压值，计算得到 EML 激光器当前的工作温度，从而控制热电制冷器的工作电流，对 EML激光器进行制冷或者制热。

  根据温度系数的不同，热敏电阻可以分为两种基本类型[37]：分别为 PTC 与 NTC，也就是正、负温度系数热敏电阻。其中前者阻值会在温度提高后不断上升，后者阻值会在温度上升后不断降低。热敏电阻阻值和温度的关系的近似表达见式（2-19）所示。

  其中，T0和 T1表示的是开尔文温度，单位为 K，T1表示的是当前温度，T0表示的是常温；Rt表示的是热敏电阻在温度为 T1时的阻值；R0表示的是热敏电阻在常温下的标准阻值；B 表示热敏电阻的材料系数。

2.4.3 光路合波基本原理

  光路合波一般采用波分复用器，目前普遍使用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）、薄膜滤光片（Thin Film Filter，TFF）和阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG）等波分复用器。当传输距离较长，而且光发射组件中通道数目较多的时候，一般使用阵列波导光栅，性价比更高；通道数目较少时，一般为低于 16 个信道时，多使用薄膜滤光片。

  （1）阵列波导光栅

      AWG 由输入波导、输出波导、阵列波导和星型耦合器组成。输入波导和输出波导的位置处于同一个罗兰圆上，罗兰圆的半径为 R。阵列波导的位置处于光栅的圆周上，阵列波导之间距离相等，光栅圆的圆周半径为 2R，其圆心位于输入、输出波导的端部，在光栅圆和罗兰圆的相切处，设置了阵列波导的中心。AWG 的优势之处在于其尺寸较小，集成度很高，可以用于通道数目较多的光发射组件，并且在大批量生产过程中，性能稳定。

   如图 2-5 所示，复合光入射到 AWG 的输入波导，并且进入到星型耦合器中发生衍射，高斯光束在衍射之后，均匀并且等相位的入射到阵列波导的输入端，并且耦合进入阵列波导的各个等距通道中，经过传播输入到输出端。在阵列波导中，相邻通道之间的光程差均为ΔL，所以同一波长的光，在阵列波导的不同通道中传输后，输出时具有相对相位差，当其经过 AWG 输出端的星型耦合器，会发生相长干涉聚焦，这样就使复合光中波长不相同的光的相位不同，在输出波导输出时会经过不同的位置，从而实现复合光的解复用。将此过程逆应用，则能实现光的复用。

  （2）薄膜滤光片

      TFF 在光发射组件中使用时，一般由带通滤波片和反光片组成。带通滤波片是由多层介质膜组成，这些介质膜折射率和厚度都不尽相同，组合在一起可以进行波长选择，使某个波长范围内的光通过，并且反射其他波长的光。反光片的作用是将入射到其上的光反射，其反射率可以达到 99.8%以上。

      TFF 结构如图 2-6 所示。当多束光平行输入 TFF 时，首先经过带通滤波片，一个TFF 表面可以设置多个波长范围不相同的带通滤波片，第一通道的光在经过第一通道带通滤波片后，在其通光范围内的光会传输到反光片上，反射后传输到第二通道带通滤波片，由于其波长范围不在第二带通滤波片的通光范围，所以会发生反射，与第二通道的光复用，在经过多次反射后，输入 TFF 的多束平行光可以实现复用。

2.4.4 光隔离器

  对于 400G 光发射组件来讲，正向光可以通过光隔离器，反向光在通过后却会发生明显的衰减，光隔离器可以对电吸收调制激光器管芯的光起到隔离反射的作用，主要原理是法拉第效应。法拉第旋转器与偏振器是光隔离器的关键构成部分[38][39]。光隔离器中线偏振光的旋转原理如图 2-7 所示。

  （1）偏振器

      DFB 的入射光经偏振器的处理后可以成为线偏振光，偏振器中仅可以通过和偏振方向一致的光。

  （2）法拉第旋转器 

  偏振光受到磁场的影响会发生旋转，也就是法拉第效应。入射光经处理成为线偏振光并进行旋转后，和检偏器具有一致的透光方向才能透过。

2.4.5 光纤适配器

   激光器主要通过光纤适配器实现光纤活动连接，即对于激光器而言，光纤适配器是一个核心器件[40]。光纤适配器的主要构成部分有前卡筒、陶瓷套筒、小插芯管体，也有部分光纤适配器设置了光隔离器。损耗低、精度高是陶瓷套筒的主要特点，其主要应用于多模或单模连接头。

2.4.6 光纤

  光发射组件内部自由空间光路中存在反射光，反射光反回到激光器中之后，会对激光器的调制特性带来影响，造成激光器发光波长和光功率的变化，并且影响高斯光束质量。随着光发射组件速率的不断增加，激光器的速率也有了大幅度的提高，反射光对激光器的损伤问题随着激光器速率的提升也越发明显。为了防止表面反射光返回激光器，光发射组件一般采用斜面光纤。

  从几何光学角度分析光纤的入射光，当光纤入射光的角度小于数值孔径要求的入射角度时，入射光在光纤中的传递角度会大于或者等于临界角，所以当光纤端面角度大于数值孔径要求的入射角度时，反射光的入射角会发生偏移，从而反射光不会对入射光源造成影响。因此，虽然平面光纤会得到较高的耦合效率，但是一般会将光纤适配器中的光纤插针设置为带有斜端面的光纤，采取这种方式可以使反射光强得到明显的降低，通常会设计 8 度左右的端面倾角。

2.5 本章小结

  本章介绍了激光器的基本原理，热电制冷器和光发射组件其他元件的基本原理，讨论了光发射组件的光路耦合原理和热设计原理，有助于进行光发射组件的电路设计、光路设计和热设计。

来源：武汉邮电科学研究院

　　审核编辑：汤梓红