----追光逐电 光赢未来----
为了进一步提高光模块光学耦合效率和出光光功率，设计和优化了400G光收发模块，使用带有透镜的无源器件作 为光学耦合的重要部件，以提高耦合效率；采用输入/输出缓冲区信息规范（IBIS）模型对光模块的高频电路进行分析与优 化；最后，对光模块进行了光学设计、链路仿真和测试。测试结果表明：设计的光收发模块眼图较为清晰，光眼图抖动为2.3ps左右，各个通道具有较好的一致性，202s内无误码；信号传输100m后，未出现丢包情况，系统性能比较稳定。
1、光模块总体设计
在400G 光传输产品中，光模块的需求量最大。每 个光模块包括16个传输通道（发射、接收各8个），每个 传输通道的传输速率为50Gb/s，其信号调制方式为4阶脉冲幅度调制（PAM4），并同时满足上下行400Gb/s 的速率传输。光模块产品的整体结构框图[4]如图1所 示。其中，电路部分主要包括数字信号处理（DSP）芯 片、跨阻放大器（TIA）芯片、调制驱动器（Driver）芯片 等；光路部分及光学无源器件主要包括垂直腔面发射 激光器（VCSEL）芯片、光电二极管探测器（PD）芯片、 光学透镜等。
在发射端，电信号从连接器电接口进入PAM4 DSP 芯片进行电信号整形处理。处理后的高频信号再分为2组4通道信号进入Driver芯片。Driver芯片对 信号进行放大，并驱动VCSEL芯片完成电/光转换。在 接收端，光信号通过MPO16的光接口进入PD芯片，PD芯片产生感应光电流。光电流再通过TIA芯片进 行信号放大、幅度整形后进入DSP芯片。在DSP芯片 中完成高频信号的整形并输出，由此完成光/电转换。
光模块的整体光电布局及结构示意图如图2所 示。在模块的制作中，使用高精度贴片机将Driver、TIA、VCSEL和PD芯片贴在印制电路（PCB）上，然 后通过高精度键合机对各芯片进行连接，以实现电路 信号的连通。在键合过程中，通过降低键合金线的拱 高，从而在很大程度上缩短了键合金线的长度，减小 了高速信号反射的影响。在发射端，将Driver芯片VCSEL芯片的上表面置于同一水平面上；在接收端， 将TIA芯片、PD芯片的上表面置于同一个水平面上，从而能够有效地缩短键合金线的长度。电芯片所在的 镀金面至PCB背面有数个通孔直接将热量传递到PCB背面开孔，同时在背面填充高导热系数的散热材 料与金属管壳相接触，以达到最理想的散热通道；另 外，在各电路芯片与金属管壳的缝隙处填充高导热系 数的散热材料，实现良好的热管理性能。在完成光路 芯片与电路芯片的键合后，使用增加了透镜处理的无 源器件对发射端和接收端进行一体式光耦合封装，以 此来完成光引擎的气密性封装。与不带透镜的无源器 件相比，使用该种增加透镜的无源器件的耦合效率可 提高10%~15%。
2、 光模块的高频电气与光学设计
2.1 光模块的PCB设计
整个模块的PCB采用10层板结构，其中4层用 于高频差分线，另外6层用于参考层及直流层。本文 使用阻抗计算软件（Polar SI9000）和3D信号仿真软件 HFSS来对高频差分线进行阻抗计算，并进行了模拟 仿真测试（在外层差分结构下，100Ω阻抗差分线宽为4mil，间距为8mil），在PCB的制作过程中，高频差分 信号层的板材必须选用低介电常数的高速专用板材， 比较常用的是罗杰斯或者松下M6，另外，为了确保各 叠层的物理对称性，避免因受热不均而导致PCB发生 形变问题，需要对板材进行对称处理。本文设计的光 模块中的参考层和直流走线层采用普通的FR4材料。
2.2 高频线路分析与优化
本文采用输入/输出缓冲区信息规范（IBIS）模型 进行仿真设计。在光模块发射端结构中，误码仪产生 26.5625Gbaud 的高速差分信号，通过带宽为40GHz的电缆及超小型高频接头（2.92连接器）连接到光模块的测试电路板上，通过测试电路板上的小尺寸可插 拔-双倍密度（QSFP-DD）连接器传输到光模块内部的DSP芯片。在光模块内部，DSP芯片对高速信号数据进 行恢复、整形后传输到Driver芯片，Driver芯片对信号 进行放大，并驱动VCSEL芯片产生光信号。发送端等 效电路结构框图如图3所示。
金手指和耦合电容这些部位不能实现高频信号 的完全连续。因此，本文针对模块金手指到DSP芯片、DSP芯片到Driver芯片的高速电路进行高频性能优 化。金手指接触的位置是按照标准QSFP-DD的多源 协议（MSA）设计的，同时采用镀金和镍钯金工艺强化 金手指，增强其耐磨性和导电性，以减少信号泄漏。此 外，通过增加电路周围多层电气参考面与电信号过孔 的间距，提高了电路的感性，以减少信号反射情况。使 用仿真软件的局部裁剪法，对金手指到DSP芯片的16对高频线进行了裁剪和高频仿真，并结合阻抗计算软 件对每一组高频线路的线厚、线宽、线间距进行调整。在处理耦合电容时，主要根据仿真结果调整距离，并 在整个模型的四角打参考地层孔，形成干扰信号的回 流层，以达到抗干扰的目的。
高频优化结果表明：发射和接收共32组高速差 分线均能达到3dB的带宽且大于35GHz的高频要 求（实际使用带宽不超过20GHz），所有高频线路的阻 抗值控制在100Ω（误差精度为1Ω），高频线路的回 波损耗值全部小于-15dB。此外，VCSEL芯片通过差 分键合线与Driver 芯片相连，键合线使用的是常规直 径为25μm的金线，最长的一条键合线从500μm缩 短到280μm，插损值降低了0.3dB。
图4是接收端的结构示意图。接收端的高频差分 线优化与发射端大致相同，采用剪裁法对每对差分线进行剪裁、修正、模拟、优化后再修正，最终得到符合 要求的差分线。经过优化后，所有差分线的阻抗精确 控制在100Ω （精度±1 Ω），3dB带宽满足35GHz的 要求，回波损耗小于-8dB。
2.3 光学设计
光模块贴片键合成品图如图5所示。使用贴片机 将Driver 芯片、TIA 芯片按照设计的贴片位置标记位进 行阵列贴片，确保2种芯片贴片位置误差小于3μm， 以此来保证产品的精度及光学耦合的稳定性。在Driver芯片、TIA 芯片完成贴片后,进行VCSEL芯片、PD芯片的贴片，使其分别对应Driver芯片和TIA芯 片的工作区域，并按照GSG的管脚位置进行标记对 齐,贴片误差小于3μm。完成贴片后，根据仿真中得出 的金线长度及角度进行键合机参数设置, 对所有管脚 进行键合，至此便完成了芯片与PCB的键合工作。
图5 光模块贴片键合成品图
完成键合后，本文使用高精度耦合机对模块进行 有源耦合，耦合工作分2次进行：一次耦合一组阵列 贴片的Driver、TIA芯片（使用光功率计检测4通道TX的发射出光功率，使用软件检测4通道RX的接收 响应度），当发射和接收的检测指标同时达到最大值 时，进行Lens点胶固定；另一次以同样的方式对另一 组芯片进行耦合固定。本文制作的400G光收发模块 实物如图6所示。
3、光模块仿真
3.1 光模块链路仿真结构
图7是光模块链路仿真结构示意图。在发射端，VCSEL在Driver芯片的驱动下发出一束光，Driver芯 片输出的高速射频信号对光信号进行调制后输出。通 过使用光功率计、光示波器主光频谱仪，可获取光信 号的平均光功率（Pawg）、消光比（ER）和波长等重要参 数。在进行模块自环或交叉测试时，实纤在接收端接 收到光信号后，经过PD、TIA、DSP等芯片的一系列信 号处理，将信号传递到电示波器上，即可观察转化后 的电信号眼图并分析信号质量；将该电信号输入到误 码仪的RX端口，即可在误码仪上读取实时误码率，以 判断模块的传输质量是否达到国际标准要求。
3.2 模块测试
本文对400G 光收发模块进行了眼图测试和误码率测量，眼图和误码率图分别如图8、图9所示。测试 结果表明：该模块的眼图较为清晰，眼图抖动为2.3ps左右，各个通道具有较好的一致性，202s内无误码。另 外本文还对在100m传输距离下的400G光收发模 块的系统传输性能进行了测试，发现各通道的眼图与 直连测试结果差异不大，尽管平均抖动有所增加，但 通道的眼图一致性保持良好，在50Gb/s的速率传输 下，仍然没有出现丢包情况，系统性能比较稳定。整个 光模块的总功率为9.8W，模块的功耗较低。
4 总结
本文对400G光模块的结构和高频电路进行了系 统的设计，并使用专业软件进行了优化。测试结果表 明：与不带透镜的无源器件相比，使用这种增加透镜 的无源器件可将耦合效率提高10%~15%；高频线路优化后的回波损耗值全部小于-15dB，插损降低了0.3dB；光收发模块的眼图清晰，抖动约为2.3ps，各通道具有 较好的一致性，202s内无误码；信号传输100m后， 误码率小于1E-12，模块的总功率为9.8W，达到国际 标准要求。
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