400Gb/s QSFP-DD 光發射組件的設計與實現

武漢郵電科學研究院?寧靜

1.緒論

1.1 課題研究背景與意義

? 隨著第五代移動通信系統（The Fifth Generation Mobile Communication System，5G）這一新的革命性技術的飛速發展，信息產業的創新進程在不斷加快。各國都已將第五代移動通信系統定為一種國家層面的發展戰略，希望可以超前完成 5G 網絡的部署工作，盡快推廣普及有關應用，如美國、瑞士、英國、西班牙、韓國、日本等國家相繼開始了

? ? ?5G 商業化應用的進程[1]。2019 年 6 月，我國工業和信息化部向運營商發放了 5G 商用牌照，標志著我國 5G 商用正式啟動。2020 年 3 月，我國將 5G 網絡建設確定為新型基礎設施建設重點，進一步促進 5G 相關產業的發展。第五代移動通信技術的特征在于速率向著更高速發展，帶寬向著更大發展，時延向著更小發展和可靠性向著更高發展，能夠滿足虛擬現實、超高清視頻和智能制造等通信網絡中新興業務的應用需求。客戶應用需求高速增加，業務流量隨之增加，移動網絡的帶寬需求正在以十倍的級數迅速增長[2]。為了應對流量激增對移動通信網絡的挑戰，以太網需要更高的傳輸能力，更大的網絡帶寬，更高的網絡速率。第五代移動通信技術具有更高速率、更大帶寬、更低時延、更高可靠性等特性，能夠與新興業務深度融合，成為了信息產業的關鍵基礎設施。隨著 5G 商業化進程的推進，運營商會開展大規模的網絡建設，100G 光傳送網絡已經在全球范圍內廣泛部署[3][4]，400G 光傳送網絡的商用進程也逐漸開始[5][6]。

? ? ? 2017 年 12 月， 電氣和 電子工程師協 會（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，IEEE）發布了 IEEE 802.3bs 標準，定義了 200Gb/s 和 400Gb/s 以太網的媒體層和物理層規范。2019 年 7 月，主流光模塊廠商共同創立的多源協議（Multi SourceAgreement，MSA）發布了 QSFP-DD MSA，定義了雙密度四通道小型可插拔封裝（QuadSmall Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD）的電氣連接器、光學連接器、信號和電源、機械要求和熱設計要求，為系統制造商、系統集成商和供應商提供了一個通用規范模塊。光發射組件無法直接應用于光通信網絡，一般與光接收組件一起用于光模塊。近年來，光模塊已被廣泛應用于多種不同的領域中，如隧道交通、基站建設、光纖網卡、交換機、光纖收發器、光纖高速球機、光纖路由以及視頻光端機等。在無線通信系統中，基站數量龐大，光模塊作為其中的關鍵一環，它的性能決定著整個系統的性能與通信服務質量。而光發射組件作為光模塊中的核心部件，其性能優劣直接影響了光模塊的可靠性。由此可見，研制光發射組件具有重要的意義。400Gb/s 光發射組件能夠有效提高5G網絡的可靠性與容量，同時也使 5G 網絡的時延與功耗得到了明顯的降低，極大促進無線通信技術的發展[7][8]。

1.2 國內外研究應用現狀

1.2.1 光發射組件功能及分類概述

? 光發射組件將高低電平的電壓信號轉換為光亮光暗的光信號。光發射組件按照封裝形式可以分為晶體管外形（Transisitor Outline，TO）封裝，蝶形封裝，BOX 封裝。?

? 上個世紀九十年代左右，通信容量相對較小，寬帶主要是指百兆級的網絡，這一階段光通信一般應用于傳真服務以及電話網等方面。網絡中的核心器件是低速電子器件，此類器件采用的技術主要是 TO 封裝[9]。此后，光電技術有了進一步的發展，傳統的封裝技術已不能使實際應用需求得到有效的滿足，因而研究人員又嘗試探索新的封裝電子器件的方式。

? 將分布反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）應用于長距、高速通信系統時，要使溫度保持恒定，所以要配合相應的溫控系統，溫控系統的主要組成部分是熱電制冷器與熱敏電阻，而 TO 封裝的引腳數量和管殼體積等都不能滿足溫控系統的設計需求，所以研究人員開發出了具有更多引腳數量、更大體積的蝶形封裝技術[10][11]。?

? 近年來，移動通信技術又有了進一步的發展，無線網絡的傳輸速率也有了明顯的提升，與此同時，基站數量也變得更多，人類社會對光模塊產生了更強烈的需求。由于場地并不是無限的，基站在運行的同時會造成較高的能耗，因而小型化、低能耗的光模塊成為了一項研究重點。早期研究人員開發的蝶形封裝在性能與體積方面均表現了明顯的不足，已不能使高集成度、超高速的實際需求得到很好的滿足，因而又有研究人員基于蝶形封裝研制出了 BOX 封裝。此類封裝具有更為密集的引腳，可以滿足多種不同類型電接口的需求，體積更小；盒型外殼可以為較大體積的熱電制冷器的放置提供一定的便利；管殼體積更小，更易于使用。

1.2.2 400Gb/s 光發射組件研究現狀

? ? ? 400G 光模塊的封裝形式主要有四種，分別是 QSFP-DD 封裝形式、八路小型化可插拔（Octal Small Formfactor Pluggable，OSFP）封裝形式、封裝可插拔（Centum Form-factorPluggable，CFP）和板上芯片封裝（Consortium for On-Board Optics，COBO）等封裝形式[12]。?

? （1）QSFP-DD?

? ? ?QSFP-DD 封裝形式的優勢在于其尺寸比 OSFP 封裝更小，且功耗更低，目前主流的 QSFP-DD 光模塊的功耗一般為 12W，日后有望將其功耗降低為 10W，QSFP-DD光模塊能夠兼容 100GbE QSFP28 接口，可以減少設備成本。

? ? ?QSFP-DD 封裝形式的劣勢是其散熱要求較高。由于 QSFP-DD 尺寸較小，當其散熱不均勻或者不能較好散熱時，光模塊內部的激光器容易失效。QSFP-DD 由于其尺寸、帶寬、功耗等方面的巨大優勢，逐漸成為 400G 光模塊的主流方案。?

? （2）OSFP

? ? ? OSFP封裝形式的尺寸大于QSFP-DD封裝，但是遠遠小于CFP8封裝的尺寸。OSFP光模塊的優勢在于具有一個集成的散熱器，可以極大地提高熱性能。

? ? ? OSFP 封裝的劣勢是由于其自帶散熱器，功耗偏大，OSFP 光模塊在使用傳統氣流的交換機機箱中具有高達 15W 的功率。OSFP 封裝尺寸較大，并且 OSFP 封裝是一個新的標準，與現有的光電接口并不兼容，這將提高模塊成本和設備成本。

? （3）COBO

? ? ? COBO 封裝是將所有光學組件都設置在 PCB 板上，其尺寸優勢非常明顯，因為PCB 板的散熱器性能較高，COBO 封裝具有良好的散熱，能有效提高激光器的可靠性。但是 COBO 封裝形式光發射組件與 PCB 板是一個整體，若任意一個元件失效，不能簡單更換光發射組件，機動性較差。?

? （4）CFP8?

? ? ? CFP8 封裝形式是 CFP4 封裝形式的拓展，將通道數增加為 8 個，這也使得 CFP8封裝尺寸較大，散熱性能較好。CFP8 封裝可以使用 CFP4 封裝中成熟的激光器元件，能夠快速進入市場，快速響應，但是通道數增加會使得 CFP8 光模塊成本高漲。

? ?隨著 400G 2km 光模塊業務的蓬勃發展，市場對于傳輸距離為 10km 及以上 400G光模塊的需求也逐漸顯現。2019 年年初，各大廠商陸續推出了應用于 400G 的傳輸距離為 10km 的光模塊產品。住友在 2019 年 OFC 上展出了基于電吸收調制激光器（Electro-absorption Modulated Laser，EML）的 400G 光發射組件；Finisar 在 2020 年初推出基于 DFB 激光器的 8X50G QSFP-DD 光模塊；Source 推出了 QSFP-DD LR8/ER8光模塊。

1.3 本論文的研究目標和擬解決的關鍵問題

? ? ? 5G 技術具有明顯的優勢，必將在今后得到廣泛的應用，而現有骨干網、傳輸網廣泛應用的是 100G 光模塊，不能滿足未來 5G 大規模的應用需求，本文的目標是提出一種用于 5G 無線通信系統的封裝形式為 QSFP-DD，傳輸速率為 8x50Gb/s 使用 EML激光器的光發射組件。

? ?本文的主要工作如下：

? （1）根據相關標準要求，給出了光發射組件的整體設計方案，包括高頻電路的設計和電磁仿真計算、光路設計與容差分析、熱仿真計算等。

? （2）利用電磁仿真軟件仿真陶瓷基板射頻電路的特性阻抗和 S 參數，設計光發射組件互連處的匹配結構來滿足射頻電路的阻抗匹配、較低反射和較低插入損耗等要求，保障光發射組件的穩定工作。

? （3）利用光學仿真軟件進行光學系統的設計，對比兩種合波方案，并對其進行容差分析，最后確定光學設計方案。

? （4）介紹 400Gb/s QSFP-DD 光發射組件的制作工藝和測試系統，對實驗樣品進行測試。

2 光發射組件的基本原理

2.1 激光器的基本原理

? 在光發射組件中，激光器占據了最重要的地位。下面將簡單介紹激光器的分類，并對 EML 激光器的基本原理進行介紹。

2.1.1 激光器的分類

? 激光器是光發射組件的重要組成部分，激光器可以按照兩種方式分類，第一可以按照激光器的調制方式分類，第二可以按照激光器的波長分類。

? 根據調制方式，光發射組件中的激光器主要包括兩類，分別為外調制與直接調制類型的激光器。兩者的主要不同之處在于直接調制激光器的調制信號加載在光源上，外調制激光器的調制信號加載在調制器上。?

? 直接調制是指將半導體激光器的預調制信號電流，直接與激光器的偏置電流進行疊加，使用電信號進行調制，調制后的驅動信號使得輸出光的光強度發生變化，得到調制光信號，也可以將其稱為強度調制。直接調制激光器使用的技術簡單易于實現，只需要在接收端判定激光器的工作狀態為有光信號狀態或無光信號狀態即可，而且直接調制激光器的成本較低，可以大規模使用。但直接調制激光器也存在一些缺點，第一，直接調制激光器的調制速率會因為半導體激光器頻率特性而受到限制，在進行直接調制的過程中，如果光強度發生變化，激光器發射光的波長也會隨之改變，產生了附加頻率調制現象，這會進一步擴大激光器的調制邊帶，導致激光器帶寬的利用率較低。第二，直接調制激光器可能產生較大的復合二階失真，當其對高頻信號進行直接調制時，激光器內部的光電作用可能會引起激光器發射光頻率的改變，這時可能產生較大的復合二階失真。

? 外調制方式中，激光的產生和信號的調制是分立的，使用一個獨立的外調制器對激光器輸出的光進行調制，激光器發射出的光注入到外調制器上，并將調制信號加載到外調制器上，在電場的作用下，外調制器進行光強和相位的調制，并且輸出調制光。由于外調制方式的調制信號不加載在光源上，加載于調制器上，所以激光器的輸出光是直流光，同時外調制器不會產生附加頻率調制現象，所以采用外調制方式可以有效的避免激光器的復合二階失真現象，使得激光器可以穩定工作，提高傳輸質量。外調制方式的缺點在于使用了額外的調制器，增加了成本，并且激光器的損耗增加。

? 目前較為常見的外調制器有馬赫-曾德爾(MZ)調制器和電吸收調制器。MZ 調制器的結構如圖 2-1 所示，它以電光晶體為襯底，并將單模光波導設置在襯底上，單模光波導有兩個分支，輸入光經過光波導時會分成兩個支路，驅動電極設置在光波導上[13]，兩個支路的光信號從光波導上輸出時合成產生干涉，叫做馬赫-曾德爾干涉。由于單模光波導使用電光材料，其折射率大于襯底材料的折射率。當不施加偏置電壓時，輸入光信號通過光波導時分為兩路光信號，并且在光波導的輸出端合成一路光信號，輸出光信號沒有發生改變。當在光波導的兩個支路上施加不同的偏置電壓，單模光波導的折射率會隨著施加于光波導的外部電信號的變化而變化，兩個支路的折射率不同，導致兩個支路的有效光學長度不同。當 MZ 調制器的偏置電壓設置為V? / 2時，兩支路中光信號的相位相差 90°，合成后的輸出光產生線性變化；當 MZ 調制器的偏置電壓設置為V? 時，兩支路中光信號的相位相差 180°，幅度相反，兩支路光信號產生抵消，輸出光為零。改變外部施加的偏置電壓，MZ 調制器的輸出光信號將會隨著外加電信號的變化而變化，從而實現光信號的調制。

??電吸收調制器（Electro Absorption Modulator，EAM）是一種以半導體材料為襯底，以 PN 結構為基礎的平板波導，外加偏置電壓的方向垂直于調制光的方向，其結構示意圖如圖 2-2 所示。當不在 EAM 調制器上加載偏置電壓時，激光器的發射光進入 EAM 調制器的吸收層時不發生改變，在這一層繼續傳播，從 EAM 調制器的另一端輸出；當施加在 EAM 調制器上的偏置電壓改變時，EAM 調制器的外加電場會引起吸收層中吸收光譜的改變，部分光被吸收掉，從而調制入射光束的光強度，隨著偏置電壓的增加，PN結中的電流也隨之增加，吸收更多的光，從而使得衰減增加[14]。電吸收調制器主要應用了弗蘭克茲-科爾迪希（Franz-Keldysh）效應和量子限制斯塔克效應。弗蘭克茲-科爾迪希效應主要是指在外加偏置電壓的作用下，半導體材料吸收邊的形狀會發生改變，并且引起半導體材料折射率改變的現象。在半導體材料中，價帶電子受激躍遷時會有部分光子被吸收，在較大偏置電壓的作用下，會有更多的價帶電子發生躍遷，有效能隙減小，此時吸收邊發生紅移，折射率改變。弗蘭克茲-科爾迪希效應主要研究的是光躍遷。為了使電吸收調制器具有更高的消光比，通常會應用量子限制斯塔克效應，制作得到一種特殊的吸收材料，這種吸收材料的優勢在于吸收邊較為陡峭，并且具有良好的熱穩定特性，吸收光譜可逆。電吸收調制器具有較低的驅動電壓，一般在 3V 左右，同時電吸收調制器的調制帶寬較大，也能夠工作在較高速率，非常適用于光纖通信網絡，目前已經得到廣泛的應用。

? 根據工作波長，光發射組件中的激光器一般可以分為以下幾種，垂直腔表面發射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）、法布里-珀羅激光器、電吸收調制激光器和 DFB 激光器。在光通信系統中，目前國內應用最廣泛的單模光纖為 G.652光纖，G.652 光纖是一種非色散位移單模光纖，1310nm 波段是 G.652 光纖的無色散波段，1550nm 波段是 G.652 光纖的最小衰減波段，但是在此波段色散較大。多模光纖多用于傳輸距離短，傳輸速率低，且要求光纖內部光功率足夠的應用，其工作波段一般為 850nm波段和 1310nm 波段。垂直腔表面發射激光器多工作于 850nm 波段，此類激光器一般在并行光互連多模光纖收發器和光存儲多模光纖收發器中使用，其優勢在于 VCSEL 激光器閾值電流較低，對于溫度不敏感，可以組成激光器陣列，與光纖陣列耦合時耦合效率高且耦合較為簡便，同時能夠有效的節省空間[15][16]；法布里-珀羅激光器多工作于1310nm 波段，此類激光器的使用場景一般為短距離單模光纖應用；電吸收調制激光器和分布反饋激光器多工作于 1310nm 波段和 1550nm 波段，此類激光器的應用場景一般為接入網單模光纖應用，工作窗口為 1550nm 波段的激光器多應用于長距離傳輸。

2.1.2 電吸收調制激光器的基本原理

? 電吸收調制激光器一般由電吸收調制器和分布反饋激光器集成得到，DFB 激光器[17]一般在恒定功率工作，或者工作于連續波模式，電吸收調制激光器的調制信號加在 EAM調制器上。電吸收調制激光器主要利用了電子和光子之間的相互作用，它的主要材料是摻雜在一起的 P 型材料和 N 型材料，電吸收調制激光器產生光電作用的區域就在這種材料構成的 PN 結中。

? ? ?DFB 激光器使用半導體材料，DFB 激光器發光的主要原理是半導體材料中的電子，由于受激輻射，電子從導帶向價帶躍遷，在躍遷的過程中發出光子，這些光子在經過光學諧振腔之后形成激光出射光。DFB 激光器中存在具有周期性結構的布拉格（Bragg）衍射光柵[18]，只有特定波長的光能在光柵中發生諧振，并且在傳播過程中發生分布式反饋，因此，DFB 激光器被稱為分布式反饋激光器。DFB 激光器的輸出光具有良好的波長穩定性。?

? 如圖 2-3 所示，DFB 激光器在電光效應的作用下發出激光，電吸收調制器內進入分布反饋激光器的出射光后，如未施加偏置電壓，由于前者的帶隙能量高于后者，所以出射光可以完全通過，在這種情況下 EAM 調制器出射光的光強等于 DFB 激光器出射光的光強；當在 EAM 調制器上加載偏置電壓時，EAM 調制器中 PN 結的帶隙能量減少，與分布反饋激光器相比，電吸收調制器的帶隙能量更小，這時部分能量會被 EAM 調制器的吸收層吸收，EAM 調制器出射光的光強發生變化。當 EAM 調制器上加載的調制電壓不同時，EAM 調制器出射光的光強也不同。通過上述過程，EAM 調制器實現了對 DFB激光器出射光的高速調制[19][20]。EML 激光器能夠有效的避免激光器芯片在高速調制下產生的啁啾效應，具有較高的發射光功率，因此 EML 激光器在光通信領域中得到了廣泛的應用。

2.2 光路耦合的基本原理

? 在光發射組件中，光路一般包括了激光器、透鏡和光纖等光學元件，激光器的發射光在自由空間內傳遞，經過透鏡、波導等光學元件整合后入射到光纖，進入光通信網絡。400Gb/s 光發射組件設計和封裝的難點之一就是光路的耦合，需要減小光路中的串擾，提高耦合效率，首先對光發射組件光路耦合的基本原理進行分析。

2.2.1 激光器光束的基本原理

? 由于電子躍遷而形成的光子會在激光器內的光學諧振腔當中不斷反射，每次反射產生衍射，相當于對波前進行了傅里葉變換，這會導致激光邊緣的能量損失，在諧振腔中經過多次反射之后，波前振幅分布為高斯函數，高斯函數的傅里葉變換還是其本身，故波前分布穩定，所以激光器發出的光束沿橫向是高斯分布[21]。我們將這種光束稱為基模高斯光束。沿橫向傳播的高斯光束可以表示為式（2-1）。

? 上式中，ω(z)代表的是等相位面中高斯光束的光斑半徑；?0 表示的是當坐標 z=0 時，此時的光斑半徑是高斯光束的束腰半徑；R(z)表示的是當坐標為 z 時，高斯光束在其等相位面上的曲率半徑；f 表示的是高斯光束的共焦參數。

? 高斯光束是一種理想光束，在實際應用的過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]。在實際中，可以通過帶理想特征的高斯光束來描述激光器光束，其基本參數可以根據下面的公式計算得到[23][24][25]。?

? （1）瑞利長度

? ? ??激光器光束的瑞利長度（Rayleigh length）是指沿著光束的行進方向，從光束的腰部到光束某截面的距離，該截面的面積為腰部面積的兩倍。此時該截面的半徑約為腰部半徑的 1.414 倍。瑞利長度可以表示為式（2-2）。

? 其中，?0 表示的是高斯光束的束腰；? 為激光器光束的波長。瑞利長度與高斯光束的光束發散度有關，在瑞利長度內，光束可以近似的視為平行光，激光器光束的共焦參數（confocal parameter），恰好為瑞利長度的兩倍。?

? （2）曲率半徑?

? 高斯光束的曲率半徑可以見式（2-3）所示。

? （3）光斑半徑

? 當坐標為 z 時，高斯光束在其等相位面上的光斑半徑可以見式（2-4）所示。

（4）發散角

? ? ?EML 激光器具有周期性結構的布拉格衍射光柵，同時 EML 激光器有源區的厚度遠小于有源區的寬度，因此 EML 激光器的輸出光束為橢圓高斯光束。激光器的輸出光束會隨著傳輸距離的增加而發散，可以用發散角來描述激光器光束的發散程度，高斯光束的發散角可以見式（2-5）所示。

2.2.2 單模光纖的基本原理

? 因為光信號在多模光纖內的傳輸模式極多，可達幾百種，不同傳輸模式的群速率與傳播常數存在著一定的差異，會提高傳輸的損耗與色散度，同時還會降低帶寬，而且多模光纖的系統容量也會受到傳輸模式之間群時延差的限制，所以多模光纖只適于中短距離和小容量的光纖通信系統。與多模光纖不同的是，單模光纖中只能傳輸一種模式的光信號，模間色散很小，而且在 1310nm 波段，單模光纖的波導色散是負，材料色散是正，兩者的絕對值大小相同，具有較低的傳輸損耗與色散代價，因而如果光纖通信系統的容量較大，傳輸距離較長，單模光纖便具有良好的適用性。由于本文 400Gb/s 光發射組件用于傳輸距離大于等于 10km 的應用中，所以本文中光發射組件選擇了單模光纖。

? 光纖主要由纖芯、包層和涂敷層組成。光在纖芯中的傳輸利用了全反射原理，所以光在纖芯中的入射角需要大于全反射的臨界角，這也就要求了入射光在到達光纖端面的時候，入射角需要小于光纖的最大接受角?max 。光纖的最大接受角代表了光纖接收光的能力，可以使用數值孔徑 NA 來描述。數值孔徑 NA 是表征光纖與其他元件耦合時耦合效率的重要參數。光纖的數值孔徑可以見式（2-6）所示。

? 其中，n0表示的是空氣折射率，n0=1；n1表示的是纖芯的折射率；n2表示的是包層的折射率。光纖的歸一化頻率可以表征光纖中可以傳輸的光信號模式的數目，光纖的歸一化頻率[26]可以見式（2-7）所示。

? 由于單模光纖僅可以傳輸基橫模這一種光信號，所以當光纖的歸一化頻率 V 小于或者等于 2.408 時，光纖是單模光纖。

2.2.3 電吸收調制激光器與單模光纖的耦合

? 電吸收調制激光器發射光在自由空間內傳遞，經過透鏡、波導等光學元件整合后到達單模光纖端面，從上述對于激光器和單模光纖的原理分析可知，滿足單模光纖的耦合條件是電吸收調制激光器與單模光纖耦合的前提，到達光纖端面激光的入射角不能大于光纖的最大可接受角[27]。同時為了得到更好的耦合效率，到達光纖端面激光的光斑半徑需要小于單模光纖的纖芯半徑。

? 由于單模光纖與 EML 的模場分布均可以近似為高斯分布，所以可以將電吸收調制激光器與單模光纖的耦合視為兩個高斯光束的耦合[28]，其耦合效率可以見式（2-8）所示。

? 其中，PF表示的是光纖中接收到激光的光功率；PS表示的是激光器發射光的總功率。從耦合效率的表達式（2-8）可知，耦合效率與電吸收調制激光器和單模光纖的振幅、相位有關[29]，要想獲得最大的耦合效率，需要電吸收調制激光器的模場分布完全等于激光器的模場分布，理論上來說，此時激光器的發射光可以全部耦合到光纖中，耦合效率為 1。在實際應用中，匹配激光器發射光和光纖的振幅和相位則更加復雜，提高光發射組件的耦合效率具有挑戰性，這也是光發射組件光學設計的難點和目標所在。

2.3 熱設計的基本原理

? 在 400Gb/s 光發射組件中，需要使用速率更高的激光器芯片，高速率芯片的功耗也會更大，相對應的，激光器芯片的發熱量也會變大。根據 EML 激光器的工作原理來分析，工作溫度的變化會改變激光器半導體材料的折射率、諧振腔的腔長和半導體材料的能帶大小，這些因素都會影響 EML 激光器的波長，導致 EML 激光器溫度變化時，激光器中心波長的變化[30]。另外，當激光器芯片的工作溫度升高時，激光器會發生熱脹冷縮現象，若激光器接受的熱膨脹應力大于其所能接受的范圍，激光器會失效。為了使光發射組件正常工作，需要維持激光器工作溫度的穩定，所以需要在光發射組件中設置熱電制冷器。

2.3.1 熱電制冷器的基本原理

? 熱電制冷器是一種制冷器件，也可以作為小型熱泵使用，熱電制冷器的制冷功能主要利用了半導體材料的熱電效應，所以又可以被稱為半導體制冷器（Thermoelectriccooler，TEC）。當某物體受熱的時候，其電子跟隨溫度梯度從溫度較高的區域向著溫度較低的區域移動，在此過程中會中產生電流，一般將這種現象稱為熱電效應。熱電效應主要以下幾種，塞貝克效應、帕爾帖效應和湯姆遜效應，半導體制冷器主要應用了珀耳帖效應[31][32]。

? 法國物理學家 J.C.A.珀耳帖發現，兩種不同的材料構成一個閉合電路回路時，兩材料結點的溫度會隨著電流的流通發生改變，其中一個結點的溫度升高，另外一個結點的溫度降低，當電流的流向相反時，結點溫度的變化方向也相反。珀耳帖效應可以用式（2-9）表示。

? 其中，Q 表示的是吸熱或者放熱功率；n 表示的是比例系數，可以稱為珀耳帖系數；I 表示的是工作電流；a 表示的是溫差電動勢率；Tc表示的是冷結點的溫度。

? 實際應用中，根據珀耳帖效應制成的熱電制冷器，其結構示意圖如圖 2-4 所示。一個 P 型半導體和一個 N 型半導體串聯組成一個半導體電偶對，P 型半導體和 N 型半導體之間使用陶瓷基板進行結構連接，并且使得半導體電偶對之間保持絕緣，從電路角度講，半導體電偶對是串聯的，從熱學角度講，半導體電偶對是并聯的。熱電制冷器通常情況下包含兩個金屬面，兩個金屬面之間通常設置了一個或者多個上述的半導體電偶對，在對熱電制冷器施加直流電源之后，兩個金屬面一個面為冷面，另一面為熱面。

? 熱電制冷器可以同時實現制冷和加熱功能，所以熱電制冷器可以對溫度實現精準的控制。它的優勢還在于使用方法簡單，只需要對熱電制冷器施加直流電流；熱電制冷器體積很小，非常適用于朝著體積小、密集度高方向發展的光發射組件，可以提高光發射組件的可靠性。

2.3.2 熱設計的基本原理

? 在穩定狀態下，一般存在有兩種熱負荷，一種為主動熱負荷，另外一種為被動熱負荷[34]。其中，元器件的輸入功率、消耗自身功耗產生的熱輻射，稱為元件的主動熱負荷；因為溫度差而發生的輻射、對流和傳導等熱傳遞[35]，稱為元件的被動熱輻射。通常情況下，主動熱負荷的功耗 Qactive可以見式（2-15）所示。

? 其中，V 表示的是加載在元件上的電壓；R 表示的是元件的電阻；I 表示的是元件的電流。

? 如果兩個物體有接觸點，當兩者之間存在溫度差時，被動熱傳導將發生在兩者之間；在同一個物體內，溫度較高部分的熱量向溫度較低部分傳遞，也會存在被動熱傳導。對于 BOX 封裝帶制冷的 EML 光發射組件，激光器管芯和激光器熱沉之間、熱電制冷器和與其熱面相連接的 BOX 管殼之間和 BOX 管殼內部都存在被動熱傳導。熱傳導負荷Qcond可以見式（2-16）所示。

? ? ? 其中，k 表示的是材料的熱導率；A 表示的是物體之間的接觸面積；L 表示的是物體之間導熱通道的長度；?T 表示的是物體之間的溫度差。在物體上有流體經過時，由于物體和流體的溫度存在一定的差異，所以會出現熱量轉移的現象，這就現象就是熱對流。對于 BOX 封裝帶制冷 EML 組件，熱對流主要是激光器管芯與內部氮氣之間的熱交換。熱對流負荷可以見式（2-17）所示。

? 其中, Qconv是熱對流負荷功耗，h 為熱對流交換系數，A 為暴露在空氣中的表面積，Tair為周圍空氣的溫度，Tc代表的是冷面溫度。

? ?如果兩物體的溫度存在一定的差異，兩者接近卻并未發生接觸，在這種情況下，兩者也可利用電磁輻射實現熱量的交換，這種現象也被叫作熱輻射。任意溫度高于 0K 的物體都可以通過這種方式完成熱量的交換，在傳輸熱量時無需借助其它介質，所以熱輻射也可發生于真空當中。在氣體環境下工作的系統，如具有較大的其他被動熱負荷，此時一般無需考慮輻射熱負荷的問題。不過如系統的工作環境溫差較大，主動熱負荷相對較小，此時便不能忽略輻射熱負荷的影響。輻射熱負荷可以見式（2-18）所示。

? 其中 Qrad為輻射熱負荷功耗，F 為面型參數，e 為發射率，s 為玻爾茲曼常數，A 為制冷器表面積，Tamb為環境溫度，Tc為熱點制冷器冷面的溫度。

2.4 光發射組件相關元件的基本原理

2.4.1 打線電容

? 直流激勵源在經歷整流電路、濾波電路和穩壓電路之后，加載到激光器上，直流激勵源可能存在交流成分，此時將打線電容與 EML 激光器相連，濾除加載在 EML 激光器上直流信號的諧波分量。

? 打線電容在結構上，也可以起到減小 EML 激光器直流鍵合線第一、二鍵合點之間的高度差的作用，易于 EML 激光器打線。打線電容一般為多層電容器，利用多層結構來實現高電容值，具有較小結構、超薄厚度等優勢。打線電容也具有良好的高頻性能，適用于光發射組件內部的高速率、高帶寬以及高精度貼裝的使用環境。

2.4.2 熱敏電阻

? 在光發射組件中，設置了熱電制冷器來維持 EML 激光器芯片的穩定工作溫度，為了及時掌握 EML 激光器的溫度，及時調整熱電制冷器電流的大小和方向，將熱敏電阻設置在了電吸收調制激光器附近。此類電阻對溫度的變化敏感，當溫度發生改變后，其阻值也會隨之發生一定的變化[36]，與熱敏電阻相連的自動溫控電路通過測量當前的電壓值，計算得到 EML 激光器當前的工作溫度，從而控制熱電制冷器的工作電流，對 EML激光器進行制冷或者制熱。

? 根據溫度系數的不同，熱敏電阻可以分為兩種基本類型[37]：分別為 PTC 與 NTC，也就是正、負溫度系數熱敏電阻。其中前者阻值會在溫度提高后不斷上升，后者阻值會在溫度上升后不斷降低。熱敏電阻阻值和溫度的關系的近似表達見式（2-19）所示。

? 其中，T0和 T1表示的是開爾文溫度，單位為 K，T1表示的是當前溫度，T0表示的是常溫；Rt表示的是熱敏電阻在溫度為 T1時的阻值；R0表示的是熱敏電阻在常溫下的標準阻值；B 表示熱敏電阻的材料系數。

2.4.3 光路合波基本原理

? 光路合波一般采用波分復用器，目前普遍使用光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）、薄膜濾光片（Thin Film Filter，TFF）和陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）等波分復用器。當傳輸距離較長，而且光發射組件中通道數目較多的時候，一般使用陣列波導光柵，性價比更高；通道數目較少時，一般為低于 16 個信道時，多使用薄膜濾光片。

? （1）陣列波導光柵

? ? ? AWG 由輸入波導、輸出波導、陣列波導和星型耦合器組成。輸入波導和輸出波導的位置處于同一個羅蘭圓上，羅蘭圓的半徑為 R。陣列波導的位置處于光柵的圓周上，陣列波導之間距離相等，光柵圓的圓周半徑為 2R，其圓心位于輸入、輸出波導的端部，在光柵圓和羅蘭圓的相切處，設置了陣列波導的中心。AWG 的優勢之處在于其尺寸較小，集成度很高，可以用于通道數目較多的光發射組件，并且在大批量生產過程中，性能穩定。

? ?如圖 2-5 所示，復合光入射到 AWG 的輸入波導，并且進入到星型耦合器中發生衍射，高斯光束在衍射之后，均勻并且等相位的入射到陣列波導的輸入端，并且耦合進入陣列波導的各個等距通道中，經過傳播輸入到輸出端。在陣列波導中，相鄰通道之間的光程差均為ΔL，所以同一波長的光，在陣列波導的不同通道中傳輸后，輸出時具有相對相位差，當其經過 AWG 輸出端的星型耦合器，會發生相長干涉聚焦，這樣就使復合光中波長不相同的光的相位不同，在輸出波導輸出時會經過不同的位置，從而實現復合光的解復用。將此過程逆應用，則能實現光的復用。

? （2）薄膜濾光片

? ? ? TFF 在光發射組件中使用時，一般由帶通濾波片和反光片組成。帶通濾波片是由多層介質膜組成，這些介質膜折射率和厚度都不盡相同，組合在一起可以進行波長選擇，使某個波長范圍內的光通過，并且反射其他波長的光。反光片的作用是將入射到其上的光反射，其反射率可以達到 99.8%以上。

? ? ? TFF 結構如圖 2-6 所示。當多束光平行輸入 TFF 時，首先經過帶通濾波片，一個TFF 表面可以設置多個波長范圍不相同的帶通濾波片，第一通道的光在經過第一通道帶通濾波片后，在其通光范圍內的光會傳輸到反光片上，反射后傳輸到第二通道帶通濾波片，由于其波長范圍不在第二帶通濾波片的通光范圍，所以會發生反射，與第二通道的光復用，在經過多次反射后，輸入 TFF 的多束平行光可以實現復用。

2.4.4 光隔離器

? 對于 400G 光發射組件來講，正向光可以通過光隔離器，反向光在通過后卻會發生明顯的衰減，光隔離器可以對電吸收調制激光器管芯的光起到隔離反射的作用，主要原理是法拉第效應。法拉第旋轉器與偏振器是光隔離器的關鍵構成部分[38][39]。光隔離器中線偏振光的旋轉原理如圖 2-7 所示。

? （1）偏振器

? ? ? DFB 的入射光經偏振器的處理后可以成為線偏振光，偏振器中僅可以通過和偏振方向一致的光。

? （2）法拉第旋轉器?

? 偏振光受到磁場的影響會發生旋轉，也就是法拉第效應。入射光經處理成為線偏振光并進行旋轉后，和檢偏器具有一致的透光方向才能透過。

2.4.5 光纖適配器

? ?激光器主要通過光纖適配器實現光纖活動連接，即對于激光器而言，光纖適配器是一個核心器件[40]。光纖適配器的主要構成部分有前卡筒、陶瓷套筒、小插芯管體，也有部分光纖適配器設置了光隔離器。損耗低、精度高是陶瓷套筒的主要特點，其主要應用于多模或單模連接頭。

2.4.6 光纖

? 光發射組件內部自由空間光路中存在反射光，反射光反回到激光器中之后，會對激光器的調制特性帶來影響，造成激光器發光波長和光功率的變化，并且影響高斯光束質量。隨著光發射組件速率的不斷增加，激光器的速率也有了大幅度的提高，反射光對激光器的損傷問題隨著激光器速率的提升也越發明顯。為了防止表面反射光返回激光器，光發射組件一般采用斜面光纖。

? 從幾何光學角度分析光纖的入射光，當光纖入射光的角度小于數值孔徑要求的入射角度時，入射光在光纖中的傳遞角度會大于或者等于臨界角，所以當光纖端面角度大于數值孔徑要求的入射角度時，反射光的入射角會發生偏移，從而反射光不會對入射光源造成影響。因此，雖然平面光纖會得到較高的耦合效率，但是一般會將光纖適配器中的光纖插針設置為帶有斜端面的光纖，采取這種方式可以使反射光強得到明顯的降低，通常會設計 8 度左右的端面傾角。

2.5 本章小結

? 本章介紹了激光器的基本原理，熱電制冷器和光發射組件其他元件的基本原理，討論了光發射組件的光路耦合原理和熱設計原理，有助于進行光發射組件的電路設計、光路設計和熱設計。

來源：武漢郵電科學研究院