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汪冰 黄平 杨磊
摘 要：
文章分析了100 Gbps(以下简称100 G)以太网光通信光调制器及其封装的技术发展动向，对比分析了10 G/40 G/100 G高速光调制器及其封装的结构特点。通过对高速光调制原理的浅析，论述了40 G/100 G高速光调制器在100 G系统中的重要性。以一款40 G高速光调制封装为例，剖析了光调制器封装结构、关键技术及其工艺路径，以及封装在光调制器中的重要性。文末展望了高速光调制器及封装在未来的发展方向。
1 前言
光纤通信因其频带宽、容量大等优点而迅速成为信息传输的主要形式。随着视频、P2P等宽带密集应用及远程存储、虚拟化、云计算等企业核心应用的发展，以10 G传输技术为基础的带宽将耗尽。目前骨干网已经规模部署了40 G传输系统，但要建设超高速网络，100 G传输系统的规模部署势在必行。为充分利用以太网的可扩展性，平滑升级到40 G、100 G将是最佳提升带宽的方案。
下一代100 G以太网技术标准包含了40 G和100 G两种速率，主要针对服务器和网络方面不同的需求。40 G主要针对计算应用，而100 G则主要针对核心汇接应用。从长期来看，100 G传输系统将采用偏振复用、高阶编码调制、相干接收/电处理、超强FEC等技术的组合解决方案，从而在兼容现有10 G和40 G基础设备的基础上，实现从40 G到100 G的系统升级。
在100 G系统中，光的调制是其中最重要的关键技术之一。图1为100 G系统重要光器件集成图，左边第一个器件为100 G光调制器，所用到的PM-QPSK技术是目前主流的调制技术。通过PM-QPSK技术的应用，100 G光信号实际工作时处理的数据波特率仅为25 G Baud。
2 高速光调制器及封装结构浅析
光调制器也称电光调制器，是高速、长距离光通信的关键器件，是最重要的集成光学器件之一。它是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。在光通信的光发射、传输、接收过程中，光调制器被用于控制光的强度，其作用是非常重要的。
光调制器存在以下几种调制类型：强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波长调制。
高速通信系统要求光调制器具有足够的调制带宽、低驱动电压和高饱和功率，高消光比、低啁啾、低插入损耗和低偏振相关性也是重要因素。由于低插入损耗的性能要求，具有50 Ω阻抗匹配的高速馈通RF组件正被广泛应用于高速光调制器封装。图2所示为高速调制下使用光调制器的光纤链路，其中RF高速信号的输入用于调制光的强度，DC信号用于调制光的相位，备选光电二极管PD可在两个输出波导之间设置可监视信号。
目前，10 G光调制器已成熟，40 G光调制器已成为主流。适合40 G/100 G等超高速光纤通信系统使用的外调制器有MZ和EA调制器两种类型。MZ型光调制器有LiNbO 3 -MZ调制器、GaAs-MZ调制器和聚合物-MZ调制器等几种。其中，LiNbO 3 -MZ调制器可以生成高速、低啁啾的传输信号，而且特性与波长没有关系，LiNbO 3 -MZ调制器是目前得到广泛应用的高可靠外调制器，已经应用于40 G/100 G信道速率的WDM传输系统。
图3所示为LiNbO 3 -MZ调制器工作原理图，调制器是在LiNbO 3 晶片上制作MZ光波导和TW调制电极而构成的，在设计高速系统时，需要考虑的因素有驱动电压、光电信号速度匹配、特性阻抗、电信号的衰减常数、调制带宽、波长啁啾量和插入损耗等。在速度匹配的前提下，光调制器的性能由电极传输微波时的损耗(趋肤效应损耗)决定，如果能够降低这种损耗，对于一定的带宽，就能够加长电极与光波导相互作用的长度L，因而降低驱动电压V D 。
图4所示为一款典型的10 G光通信用LiNbO 3 -MZ调制器及其封装结构设计，基于光调制器的工作原理，封装结构包含以下四部分：金属腔体——用于承载LiNbO 3 和实现整个器件的光电互连；金属双导管——用于光纤输入输出；RF信号端子——用于光的强度调制；DC信号端子——用于光的相位调制。
3 高速光调制器封装结构与关键技术研究
根据欧洲ECOC光通讯展会和美国OFC光电展等以及一些极具权威性的最新调研结果，全球主要光通讯器件制造商，如JDSU、Oclaro、S.O.C、Fujitsu等，已经开始批量生产40 G/100 G高速光调制器。图5所示为某国外光电用户最新推出的40 G/100 G高速光调制器系列，LiNbO 3 -MZ调制器是实现40 G/100 G光调制的主要方式。
为了获得更佳的调制器性能，不少调制器采用了双电极驱动结构，封装结构的差异体现在采用了两个RF信号端子。图5所示的40 G/100 G光调制器均采用了双电极驱动的结构。
相比40 G光调制器，100 G光调制器加入了光电探测器，将其与光波导的输入输出对接耦合，从而有效监视并控制光调制器的漂移。图5所示为100 GQPMZ Modulator就是集成了监视PD的LiNbO 3 -MZ调制器，100 G光调制器的封装外壳相比40 G光调制器的封装外壳，结构的差异体现在DC端子的端子数和密集度的提升。
综上所述，从工艺路线和技术难点上去解析：
100 G光调制器封装结构与技术和40 G光调制器封装
结构与技术无本质差别。
以典型的一款40 G双电极驱动LiNbO 3 -MZ调制器的封装为例，剖析封装中的关键技术和相关工艺研究。
FO7913-11型高速光调制器外壳由金属双导管、高密度低频引线组件、高频组件以及金属底盘四部分组成，工艺路径如图6所示，关键技术包括：高频组件焊接结构设计，金属导管焊接结构设计和局部不镀工艺、金锡焊同步焊接工艺等。
3.1 高频组件焊接结构设计和焊接工艺
高频组件装配时采用自定位的焊接结构设计：通过高频组件与安装孔的紧密公差配合，满足高频组件对同轴度和高位置精度的要求；同时，台阶孔的设计免去了复杂的金锡钎焊模具设计，组件利用自重即可实现定位，降低了模具设计对于产品位置精确度的影响。
焊接工艺设计主要是考虑焊料的选择。客户在进行电路组装的时候，通常使用锡基焊料，外壳耐温一般需达到250 ℃以上。同时，需要保证高频组件的玻璃性能在钎焊前后不发生变化，在高频组件与外壳钎焊的时候要求钎焊温度低于玻璃的软化温度(约600 ℃)，因此选择采用金锡钎焊工艺。
共晶的Au80Sn20钎焊合金(熔点280 ℃)用于半导体和其他行业已经有很多年了，由于其优良的物理性能，正逐渐成为用于光电元器件封装的一种优选钎焊材料。同时，通过先进的X射线透视技术来观察焊接效果，可以保证焊接的空洞率满足高速信号的传输要求。
3.2 导管焊接结构设计和局部不镀工艺
调制器中光信号的传输是通过光纤的输入输出实现的，金属导管与光纤的焊接，既实现了调制器封装的密封，又对光纤起到了固定的效果。因此，金属导管的钎焊结构设计需要考虑光纤的焊接工艺要求。如图8所示，上图为失效的光纤焊接状态，下图为受控的光纤焊接状态。
控制焊料在导管内的流淌形态，需要通过采用底盘局部镀金后与镀金导管用金锡焊料对焊的方法来实现。如图9下图，与底盘一体的导管内壁采用了局部不镀工艺。金锡焊导管所带来的影响是焊接强度问题，图9上图所示为导管焊接结构设计，采用台阶面焊接结构，大大增加了焊接面积，从而极大改善了金锡焊接的强度和可靠性。图9下图所示焊接效果剖面图，从焊接面的状态看，没有任何空洞，焊接性能良好。
3.3 金锡同步焊接工艺设计
金锡同步焊接工艺设计出于以下两点考虑：
一是光纤特殊焊接工艺要求所引出的导管内部局部不镀，需要采用底盘局部镀金后与镀金导管用金锡焊料对焊的方法来实现；
二是鉴于低频信号传输部分的高密度设计要求采用0.38 mm×0.38 mm的框架引线，引线节距1.27 mm，采用常用的不锈钢压力封接直接熔封的结构无法保证密封的可靠性，因而采用框架引线与柯伐薄片先进行匹配封接，熔封后的低频引线组件与高频组件以及镀金导管进行同步金锡焊接，同步焊接设计图和成品照见图10。
4 展望
作为下一代高速传输技术，从业界开始研发至今仅几年时间，采用DP-QPSK调制技术和相关检测技术的100 G技术就开始广泛应用了，业内普遍预计100 G技术将在2013年大放异彩。
我国100 G系统与国外发展基本同步，近期在标准制定、设备研发、测试验证以及商用准备等方面取得重要进展，预计明年在100 G设备功耗、体积以及性能等多方面有明显提升时会开展新一轮测试验证。
纵观整个光器件发展历程，可以窥测到光调制器的发展方向：集成化(兼容化)、高速化、微型化发展。随着光传输系统和网络复杂性的继续增长，势必要求更加高速稳定的光调制器，从而实现微波信号的高线性、低失真、远距离光纤传输，而新型的光调制器及封装必然是满足以上条件并在此基础上不断进步的，并将在未来超高速光通信系统中发挥越来越大的作用。
随着高速光调制器的不断发展，中国电科第43所在光调制器封装上的研究也在不断进步。近几年来，光调制器封装已呈系列化发展，10 G/40 G/100 G调制器封装均有代表产品出现，图11所示为目前已实现批产化的10 G/40 G高速光调制器封装外壳。这些产品的成功开发和批产化应用，为未来在100 G/400 G以及超高速光调制器封装领域的研究工作奠定了坚实的基础。
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