10Gbs电吸收调制器的微波封装设计

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1,谢　亮1,袁海庆1,张家宝1,祝宁华1,孙长征2,熊　兵2,罗　毅

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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

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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 10G b/s EML Modulators

L IU Yu 1,XIE Liang 1,YUAN Hai 2qing 1,ZHAN G Jia 2bao 1,ZHU Ning 2hua 1,SUN Chang 2zheng 2,XON G Bing 2,L UO Y i 2

1

S tate Key L aboratory 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

收稿日期:2005201211;收到修改稿日期:2005204212

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

作者简介:刘　宇(1976—

)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试与封装设计方面的研究。E 2mail :yliu @

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

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

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

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。

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。上述这部分电路包括同轴高频接头、微带线、金丝、热沉和匹配电阻,称其为封装电路。在封装过程中,对高频封装电路进行了综合优化设计,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

图1蝶型封装器件外观图

(左:K connector ;右:GPO connector )

Fig.1Photograph of butterfly modules

(left :K connector ;right :GPO connector

)

图2蝶型封装电路示意图

Fig.2Schematic diagram of butterfly packaging circuit

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。

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

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

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

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

6941中 国 激 光 32卷