隨著10Gb/s光纖鏈路在城域網(wǎng)中應(yīng)用的日益普及,人們對(duì)于低成本、小形狀因數(shù)和低功率的光電模塊的需求量越來(lái)越大。對(duì)低成本模塊的需求因人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的增加而不斷增長(zhǎng)。
小形狀因數(shù)和低功率的模塊實(shí)現(xiàn)了高端口密度線路卡的設(shè)計(jì),這反過(guò)來(lái)又會(huì)降低了終端設(shè)備的成本。研究人員在10Gb/s發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)中通過(guò)采用新的技術(shù)和元件,來(lái)滿足這些新的要求。
傳統(tǒng)方法
短跨距（Short Reach）10Gb/s發(fā)射機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,一直是采用由50Ω激光二極管激勵(lì)器（laser diode driver, LDD）供電的直接調(diào)制激光器（direct modulation laser, DML）模塊。DML是由一個(gè)50Ω激光二極管以及與其封裝在一個(gè)模塊中的熱電冷卻器（thermoelectric cooler, TEC）和附加元件所組成。高頻數(shù)據(jù)一般通過(guò)一個(gè)GPO連接器耦合到該模塊。
LDD通常單獨(dú)封裝在一個(gè)陶瓷外殼中。如圖1所示,采用50Ω?jìng)鬏斁�設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)元件的互連。GPO連接器內(nèi) 部的阻抗在很寬的帶寬范圍內(nèi)被專門做成50Ω,以為傳輸線提供正確的終端負(fù)載。
一般需要對(duì)傳輸線進(jìn)行反向終接（Back Termination）,以防止來(lái)自DML的信號(hào)反射返回激光器并使光眼（Optical Eye）產(chǎn)生劣化。由于LDD的輸出端存在較大的電壓擺幅（通常為3～4V）,因此必須采用AC耦合以為L(zhǎng)DD留有足夠的峰值儲(chǔ)備（headroom）。若想滿足今天對(duì)10Gb/s模塊的要求,這種傳統(tǒng)的方法存在以下一些缺陷：
● 傳輸線的反向終接會(huì)產(chǎn)生額外的功耗;
● 與3V電源不兼容的電壓擺幅為通過(guò)采用低電源電壓來(lái)降低功率的做法設(shè)置了障礙;
● 在模塊（特別是DML）中采用封裝式元件的做法增加了元件成本,并制約了壓縮總體尺寸的能力;
● 有些生產(chǎn)工序（比如RF連接器配合）無(wú)助于大批量生產(chǎn),因此限制了降低制造成本;
● 人們通常不希望在LDD輸出端進(jìn)行AC耦合,因?yàn)檫@樣做會(huì)使那種能夠在較寬的數(shù)據(jù)率范圍工作的模塊的設(shè)計(jì)變得更加困難。
新方法
一種通常被稱作“聯(lián)合封裝”（copackaging）的新方法把LDD和激光二極管（均為芯片形式）緊挨在一起安裝,使得這兩個(gè)元件之間的間隔小到無(wú)需采用傳輸線技術(shù)。該方法力爭(zhēng)將與互連相關(guān)的電感和電容降到能夠滿足獲得足夠的10Gb/s傳輸質(zhì)量的水平上。
 圖2 示出了其實(shí)現(xiàn)方法的一例。均為芯片形式（Die Form）的LDD和激光二極管被緊靠著安裝在發(fā)射用光學(xué)組件上,采用較短的低電感絲焊（Wire Bond）來(lái)完成這兩個(gè)元件的互連。用于減小電感的技術(shù)準(zhǔn)備采用較寬的帶狀連接（Ribbon Bond）,并把LDD隱藏在襯底表面的下方。
將LDD安裝在凹處減小了帶狀連接環(huán)的尺寸,從而減小了其電感。由于所安裝的激光器陽(yáng)極側(cè)是朝下的,故可利用帶狀連接把LDD直接與激光器相連。在這種場(chǎng)合,把LDD和激光器安裝在襯底的相同層面（level）上可以產(chǎn)生較小的電感。
該方法消除了前文所述的50Ω方案的許多缺點(diǎn),且在滿足目前對(duì)10Gb/s模塊的要求方面兼容性更好：
● 由于不再需要對(duì)傳輸線進(jìn)行反向終接,故降低了功耗;
● 通過(guò)去除模塊上的中間級(jí)封裝及RF連接器,降低了成本、縮小了元件的尺寸;
● 與該方法相關(guān)的制造技術(shù)更符合大批量生產(chǎn)的要求,并達(dá)到了量產(chǎn)價(jià)格目標(biāo)。
專為該方法設(shè)計(jì)的LDD已有供貨,它們被優(yōu)化以激勵(lì)低電阻激光器（而過(guò)去采用的是50Ω的LDD）。
Analog Devices公司的ADN2843就是一種為這種新方法設(shè)計(jì)的LDD,它還有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)：即可以采用3.3V的工作電源,這就進(jìn)一步降低了功率。這是通過(guò)采用一種無(wú)需串聯(lián)阻尼電阻的激光器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減小了電壓擺幅,為激光器留有了足夠的峰值儲(chǔ)備（@3.3V）。
尚需研究的課題
這種新型的光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)方法同樣有一些尚未解決的問(wèn)題。為了在LDD激光二極管互連上實(shí)現(xiàn)所要求的較低的寄生效應(yīng),需要進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)并采取合適的制造工藝。
熱學(xué)方面的課題也是非常重要的。要在緊靠著消耗功率的LDD的情況下使激光器的溫度在其工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,需要采用散熱效率較高的襯底和低熱阻的通路,以通過(guò)模塊外殼將熱量排出。
總體功耗的降低再加上非冷卻式10Gb/s激光二極管的開(kāi)發(fā)成功,使得短跨距非波分復(fù)用型應(yīng)用中對(duì)熱電冷卻器（TEC）的需求有所緩解。省去TEC雖然帶來(lái)了成本、空間和功耗方面的節(jié)約,但激光二極管需要在更寬的溫度范圍內(nèi)工作。這在需要同時(shí)滿足視覺(jué)掩蔽（Eye Mask）要求和發(fā)射機(jī)的平均功率及消光比規(guī)格時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的困難。
激光二極管的電流-光轉(zhuǎn)換函數(shù)隨著溫度的變化和時(shí)間的推移（老化）呈現(xiàn)出較大的變化,必須對(duì)這種變化給予補(bǔ)償,以使發(fā)射機(jī)能夠滿足其技術(shù)要求。光發(fā)射機(jī)的技術(shù)條件一般是針對(duì)特定的平均光功率以及消光比或光調(diào)制幅度（Modulation Amplitude）來(lái)擬定的。
開(kāi)環(huán)技術(shù)
控制平均功率的傳統(tǒng)方法是采用閉環(huán)技術(shù),但調(diào)制幅度是采用開(kāi)環(huán)技術(shù)進(jìn)行控制的（一般是根據(jù)對(duì)激光二極管溫度的檢測(cè)）。這種方法既存在性能上的局限性,也不符合大批量生產(chǎn)的需要：
● 激光器老化未得到補(bǔ)償,只好犧牲性能;
● 各激光器之間的溫度特性差異未得到補(bǔ)償,同樣只好以犧牲性能為代價(jià);
● 在制造過(guò)程中可能需要連續(xù)不斷地進(jìn)行激光二極管溫度特性的統(tǒng)計(jì)取樣,以證實(shí)它位于可接受的范圍內(nèi)。
閉環(huán)技術(shù)
采用雙重環(huán)路控制（Dual Loop Control）的新一代激光二極管激勵(lì)器（如AD2843）能夠以閉環(huán)方式對(duì)平均功率和消光比進(jìn)行控制。這種方式能夠隨著激光器的溫度變化和老化效應(yīng)自動(dòng)調(diào)整光輸出,從而消除了采用開(kāi)環(huán)技術(shù)時(shí)所做出的部分性能犧牲。由于雙重環(huán)路控制能夠?qū)γ總�(gè)激光器特定的溫度特性進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償,使得生產(chǎn)工藝也有所簡(jiǎn)化,由此完成的設(shè)計(jì)更加適合大批量生產(chǎn)的要求。
在以性能（而非功率、尺寸和成本）作為推動(dòng)力的長(zhǎng)距離傳送網(wǎng)絡(luò)中,10Gb/s光纖鏈路已經(jīng)建好了。為了實(shí)現(xiàn)10Gb/s在整個(gè)城域網(wǎng)及其他網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,本文所概述的技術(shù)和元件將被應(yīng)用于光纖模塊的設(shè)計(jì)當(dāng)中,以滿足人們對(duì)壓縮尺寸及降低功率和成本的渴求。
關(guān)于AD2843的更詳細(xì)資料,請(qǐng)瀏覽Analog Devices公司網(wǎng)站http://www.analog.com。
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