1 引言
随着多媒体时代的深入推进，越来越多的数据信号将通过数字网络进行传输。随着数据传输量的日益加大，快速处理将通过数字信息系统，如大容量的ATM交换系统和大型并行计算机来完成。这已经极大地刺激了高速度大规模集成电路和先进的封装技术的开发。
增加大规模集成电路(LSI)和封装板的通量大大提高了板内、板间和机架间的互连通量，并取得了重大突破。采用金属线缆技术其互连通量往往受到一些实际应用因素如传输速度、现行带宽、串扰以及电磁兼容性的严重制约。用光纤线缆代替金属线缆是解决这一通量瓶颈问题最好的方法，尤其是采用光纤来实现的并行光纤互连方法更是前景看好。这些互连系统可以在先进的Tb/s级ATM交换系统以及ρ-FLOPS计算机系统的板间、机架内和机架之间完成。
众所周知，采用光纤互连有很多优点，但其应用推广往往受到其高成本和设计方面的局限。降低成本显然是拓展其应用范围的一个关键因素。因此，降低其制造成本已经成为大多数并行光纤互连开发项目一个重要目标。降低成本不仅意味着降低元器件本身的成本，而且包括其封装成本。封装成本在光模块总成本中占据较大的比重。简化光纤连接器系统设计意味着达到一个可以发射并行数据流的微型超多信道结构，如8位、16位或32位宽带数据，而无须将并行数据流转换成串行数据流。
目前开发的ParaBIT光纤互连模块是一种通量达到28Gb/s (700Mb/s×40信道)的前端模块。采用这一模块封装技术其目标是要在较低的制造成本和微型化、高通量条件下达到规模化的生产能力。
2 技术方法
ParaBIT光纤互连模块的设计目标参数参见表1综述。根据电信号在印刷电路板的最大传输速率700Mb/s以及直接传输各种带宽数据所需要的信道数量(40信道)要求，我们选择总通量28Gb/s (700Mb/s×40信道)作为其目标通量。这样就可以将一个700Mb/s的通量随同附加信息(如ATM发送标题信号)一起为同步数字分级系统传输接口提供622Mb/s(STM-4)的传输速度。高达40条信道可以随同帧同步数据信号传输32位并行数据流。光纤互连模块的主要技术特性如下所示：
1) 采用ρ型砷化镓基板的850nm VCSEL阵列，这样可以实现高速传输，具有较高的成本效益，并可以将发射器(Tx)和接收器(Rx)合二为一，实现一体化;
2) 所采用的多模光纤连接器传输系统可以随意进行光耦合，从而降低其封装成本;
3) 采用一种超多信道光纤连接器的结构设计，使得Tx和Rx光纤互连模块可以传输32位以上的并行数据流;
4) 采用新近开发的高密度多接口裸纤(BF)连接器的光纤连接器接口;
5) 可以用光波聚合薄膜在BF连接器和VCSEL以及光二极管(PD)阵列之间进行无源光校准;
6) 采用了一种带有固定判定电平接收器、无自动电源控制(APC)的发射器和低功率耗散的简易电子电路;
7) 采用转移多芯片焊接(TMB)技术将VCSEL/PD阵列/芯片精确定位、焊接在一块基板上;
8) 采用一种小型光纤连接器表面安装封装组件，以便于进行板上组装。
表1 ParaBIT光纤互连模块的设计目标参数
采用VCSSEL阵列是生产并行光纤互连模块的一种降低成本特别有效的方法。这就使得评估处于晶圆状态中的芯片较为容易，而且减少了晶圆分割这一道程序。此外，这些阵列可垂直发射圆形的低数值光圈(NA)光束，从而实现其低损耗光耦合。使用这些器件，我们可以让Tx和Rx光纤互连模块设计成一种一体化的模块式封装结构，从而降低了光纤连接器封装成本。
ParaBIT光纤互连模块中所采用的VCSEL是在ρ型砷化镓光纤连接器基板上形成的，其间距为250μm。VCSEL阵列中单个光纤连接器的光孔直径为15μm。这一阵列的工作波长约为850nm。其标准的阈值电流为5mA，阈值电流为15mA时的光输出功率大于3mW。其阵列芯片的宽度为415μm，长为2600μm，厚度为300μm。在Rx模块中，我们采用间距为250μm、直径为80μm的10信道砷化镓( GaAs )引脚PD阵列。该芯片的尺寸与VCSEL阵列中所采用的完全一样。在下列章节，我们将介绍光纤互连模块结构、主要封装技术以及所研制ParaBIT光纤互连模块样品的性能。
3 模块结构
ParaBIT光纤互连模块样品的示意图以及发生器和接收器模块结构图参见图1和图2。为了减少加工成本和功率损耗，该光纤互连模块采用一种简单的结构(在没有多路转接器、多路分配器或重新调整电路时序情况下，可以进行O/E和E/O转换)，并采用一种带有固定判定电平接收器以及无自动电源控制(APC)的发生器的简单电路。
图1 40信道ParaBIT模块样品示意图
为了能将40信道安排在一个模块中，Tx光纤互连模块具有四个10信道的VCSEL阵列、八个5信道Rx IC芯片、两个20信道的带有45°反光镜的聚合光波导膜和两个20信道的BF连接器插座。也可以采用两个转接发器作为一种替代结构：每个都可以安装在AIN多层基板上，每个光纤互连模块将具有一个20信道的Tx模块和一个20信道的Rx模块。
图2 发生器和接收器模块
ParaBIT光纤互连模块的光耦合结构见图3所示。在Tx光纤互连模块中，来自VCSEL阵列的输出信号光束通过光波导聚合膜一端的45°反光镜与光波导管进行耦合。这些反光镜将光传导方向改变90°，这样光穿过波导管传播出去，与内嵌于微型玻璃毛细管中的短纤维进行耦合，从而构成了光纤BF连接器插座中BF连接器接口的一部分。最后一步耦合则在短纤维和插座中光纤BF连接器插头中的裸露纤维之间进行。在Rx模块中，光纤连接器信号光束应与对面的PD阵列耦合。
图3 ParaBIT光纤互连模块的光耦合结构
4 封装技术
4.1 转移多芯片焊接(TMB)
多种光纤连接器的芯片焊接需要精密定位而又不会损坏器件本身。在ParaBIT光纤互连模块加工中，AIN基板的Tx光纤互连模块中安装有四个光阵列芯片、四个10信道VCSEL阵列芯片。而在Rx模块中安装有四个10信道的PD光纤连接器阵列芯片，这些光纤连接器芯片用无源光校准通过45°反光镜与波导管耦合。在E/O和O/E接口处达到最大的光耦合性能要求，并将光纤连接器精确地定位、焊接于预定的设计位置。VCSEL /PD阵列芯片与膜波导管之间的光插入损耗的任何变动与芯片的实际和设计位置之间的偏差有着直接的关系。光插入损耗随着其偏差的增大而增大。在ParaBIT-Tx模块加工中，由于芯片定位误差的存在，光插入损耗应小于0.5dB。这意味着芯片定位误差必须小于±6μm，参见图4。
图4 因芯片定位误差而产生的插入损耗变化情况
为了避免光纤连接器的损坏，光纤连接器的芯片在其焊接过程中必须同时安装，以便缩短光纤连接器在高温(高于焊接熔点)环境中的暴露时间。在将多种光纤连接器芯片焊接到基板的过程中，光纤连接器通常所采用的定位和焊接方法往往会产生热学问题。在芯片逐一校准和焊接过程中，由于热应力的存在，光纤连接器功能可能会产生劣化现象。
基于上述考虑，我们开发了转移多芯片焊接(TMB)方法。在ParaBIT Tx/Rx光纤互连模块加工中，其使用方法分如下几个步骤。
图5 转移多芯片焊接工艺过程
1) 我们首先准备一个带有光孔和基板校准记号的石英板(代表光孔在4个VCSEL/PD光纤连接器阵列芯片上的精确的相对位置以及芯片在AIN基板上预定设计位置)，见图5(a)。我们把这种板叫做校准板。这些光孔是VCSEL阵列元件上单独的发光元件以及PD阵列上的光纤连接器。
2)每块芯片上的光孔通过显微镜与校准板上的光孔校准记号校准后，四个芯片用焊膏连接起来，见图5(b)。
3)将AIN基板加热到焊片的熔点温度以上，然后用AIN基板上所做的校准记号校准板的基板校准记号，见图5(c)。焊接在AIN基板上的芯片与校准板保持短时间接触(小于1分钟)，见图5(d)。
4)冷却之后，从校准板上取下AIN基板。其结果是，4个VCSEL/PD阵列芯片由校准板转换到AIN基板，与此同时，芯片被准确地焊接到所要求的位置，见图5(a)。
最后一步是用有机溶剂清除芯片和校准板上残存的焊膏。采用TMB方法进行芯片定位的精确度取决于芯片厚度的偏差大小。偏差值越小，其定位效果越好。从图6可以看出，当厚度偏差值小于±15μm时，94%样品的芯片定位误差范围介于±6μm之间。在检验该方法有效性的补充试验中，当厚度偏差小于±10μm时，样品中定位误差值小于±2μm和±6μm的比率分别为78%和99%，如图7所示。
图6 通过TMB安装的VCSEL/PD光纤连接器阵列芯片设计芯片位置偏差(芯片厚度偏差小于±15μm)
图7 通过TMB安装的VCSEL/PD光纤连接器阵列芯片设计芯片位置偏差(芯片厚度偏差小于±10μm)
因此，可以说TMB是一种非常有效的光纤连接器精确定位芯片焊接方法。此外，它还是装配多芯片光纤模块(如高速并行光纤模块)的一种简单易行而且成本低廉的方法。
4.2 BF连接器和组件
要实现并行光纤互连模块的光接口，高密度、多接口光纤连接器是其中关键光纤器件。采用传统多接口光纤连接器是难以满足传输32位宽带数据流的超多信道传输要求。因为随着光纤信道数量的增加，信道之间间距尺寸误差会逐渐积累。此外，所有纤维之间的物理接触也难以达到，因为通过抛光工序难以使纤维末端加工得非常均匀。为了在光纤连接器中达到较低的插入损耗和较高的回路损耗，实现物理接触光纤连接就显得尤为重要。
目前，人们已经开发出高密度光纤裸纤(BF)连接器。该光纤连接器裸纤具有一定的柔软性，可用于光纤模块接口连接器中。与传统连接器不同的是，这一光纤BF连接器不需要利用套管或弹簧。光纤BF连接器包含有一个光纤BF插头和一个带有光纤BF连接器接口的BF插座，其接口通向光波导聚合膜。在光纤BF连接器接口中，通过裸露的多模光纤(50/125μm)与微型玻璃毛细纤维管(内径126μm，间距250μm)之间直接接触即可达到连接光纤BF连接器之目的。微型玻璃毛细纤维管入口被切成一种圆锥形状，以便于纤维尖端插入。微型玻纤管装有短纤维，以免聚合光纤波导管被屈曲力直接挤压。
光纤BF连接器克服了间距尺寸的误差问题，因为光纤信道之间的间距尺寸误差范围较大，所以在插入微毛细管之后，其间距尺寸误差可以被纤维的柔软性有效吸收。由于压曲过程中吸收了光纤维长度的差距，这样就克服了所有光纤达到稳定的物理接触所遇到的困难。光纤维本身的压曲力可以达到物理接触连接，所以可以实现较低的插入损耗和较高的回路损耗。这一结构可以使得每条光纤信道都能达到稳定的光接触，即使是100芯的光纤也可以很容易进行加工。
图8 裸纤(BF)连接器结构示意图
在ParaBIT光纤互连模块样品中，20信道光纤BF连接器具有24芯。由图9我们可以看出，这种24芯光纤连接器具有两组12光纤维阵列。其中只有10根光纤维可用于数据传输，因为外侧的两根光纤维仅供测试用。光纤的端面被切开，并加工成一定的斜面，这样插入就更为光滑顺畅，并可减小接触面积。
图9 24芯光纤BF连接器插头纤维端
图10为40信道光纤BF连接器组件照片。光纤BF连接器是由两组24芯裸纤插头、一个带有两个光纤BF连接器接口的光纤BF插座和两个外部叶簧锁紧装置组成。光纤BF连接器插头宽为16.7mm，长为24.4mm，厚为6.3mm;而光纤BF连接器插座宽为44.1mm，长为18.5mm，厚为8.2mm。光纤BF连接器壳体中的方形套筒导向结构为光纤BF插头插入BF插座提供了便利条件，外部叶簧锁紧装置可以减小连接器尺寸。
图10 40信道光纤BF连接器组件
我们测量用于等效850nm多模系统的24芯光纤BF连接器的插入损耗和回路损耗。在测量过程中，我们采用了一组对照型光纤BF连接器插头，其裸纤用环氧树脂固定，以抑制光纤被外力压曲。插头中的每根光纤与ParaBIT光纤互连模块中的短光纤的作用相同。将端接了光纤SC连接器的24芯光纤对照插头插入光纤BF连接器插座的后端，并与一个待测的光纤BF连接器连接。从图11我们可以看出，24芯光纤BF连接器的平均插入损耗为0.04dB，其回路损耗为36dB。回路损耗往往受到测试设备性能的限制。在10次重复插拔试验中，其光性能始终保持稳定。因此，这种光纤BF连接器可以组装成一个具有众多接口的高密度、低插入损耗和高回路损耗、性能稳定的微型光纤连接器。
图11 用对照型光纤BF连接器插头测量的24芯光纤BF连接器的插入损耗和回路损耗
4.3 采用光纤波导聚合薄膜进行无源光纤校准
图12是带有一个45°反光镜和光纤BF连接器接口的光纤波导聚合膜。这种波导聚合膜的功能相当于一个光纤BF连接器和VCSEL/PD光纤阵列之间的间距转换器，也可作为一种密封衬垫，其尺寸(不包括光纤BF连接器接口)为13mm×16mm。它包括两组12芯的波导管，其中10个内芯波导管用作光传输通道，其余2个外芯波导管仅供测试用。
校准记号标注在聚合膜上，以便于波导管与VCSEL/PD之间进行无源光校准。一对间距为250μm的12芯波导管就可以对称定位。每条波导管被弯成S形状。光芯所采用的聚合材料为氘化聚异丁烯醋酸酯(d-PMMA)，而粘接所采用的是紫外线固化胶。氘化聚异丁烯醋酸酯和紫外线固化胶的折射率分别为1.489和1.471。在波长为860nm时，没有S形曲线的直线波导管的传输损耗小于0.1dB/cm。
图12 带有光纤BF连接器接口的聚合光纤波导器件
图13 光纤BF连接器接口装配流程
光纤BF连接器是将波导薄膜连接到外层纤维的一个关键元件。从图13可以看出，波导薄膜一端与微型玻璃毛细管之间的接口采用V形槽。这一光纤组件可以通过一种无源校准方法来实现。首先，用紫外线固化胶将含有短纤维的微型玻璃导管粘结到一块硅片上。再通过显微镜将波导薄膜的一端和进入微型玻璃毛细管的短纤维在V形槽上进行校准，然后让波导光芯和进入微玻璃毛细管的短纤维中心线处于V形槽基准面上方的同一高度。这样，采用无源校准在平面方向上即可完成接口的光纤器件的组装。最后，用紫外线固化胶将波导聚合膜和一个盖子安装到基板上。
波导管另一端图片见图14。它配有一个45°反光镜，可以将它与VCSEL/PD阵列耦合。只需采用一种带有90°V形尖端、光滑的锯齿状金刚石即可在波导聚合膜边缘形成这种45°的反光镜。我们研制出两种波导聚合膜：其中一种光芯尺寸为35μm×35μm，用于Tx光纤互连模块;另一种光芯尺寸为50μm×50μm，用于Rx模块。光芯尺寸不同可以减小波导管和50μm光纤维之间的耦合损耗，因为ParaBIT光纤互连模块中的光传输路径总是固定在一个方向：Tx光纤互连模块是从VCSEL向纤维传导，Rx光纤互连模块是从纤维向PD器件传导。
图14 在光纤波导聚合膜边缘形成的 45°反光镜
图15是光耦合系统的近距离照片。它表示波导管和安装在AIN基板上的VCSEL光纤阵列之间的精确无源校准。所有信道的波导管和通过TMB方式安装的VCSEL光纤阵列之间的光耦合损耗误差值均小于0.5dB。
图15 光耦合系统近距离照片
图16 光纤波导聚合薄膜插入损耗
如图16所示，我们所研制的Tx和Rx光纤互连模块的光纤波导聚合薄膜的平均插入损耗(包括45°反光镜处和光纤BF连接器接口处的插入损耗)分别为2.3dB和2.2dB。两种光纤互连模块信道之间的总偏差在±0.5dB范围内。因此，在这一光纤耦合系统中，通过TMB方式安装的光纤波导聚合薄膜和VCSEL/PD阵列的信道间损耗只能在±1.5dB范围内。显然，采用光纤波导聚合膜所做的这一校准工艺可以提供成本低廉的光纤互连模块组件，并为高并行光纤互连模块提供一种颇具吸引力的封装方法。
图17 Tx和Rx40光纤信道ParaBIT光纤互连模块实物照片
我们用上述元件和光纤互连技术研制出ParaBIT光纤互连模块。图17为Tx和Rx光纤互连模块的实物照片。每个光纤互连模块中的AIN多层基板宽为42.1mm，长为42.1mm，其厚度为1.0mm，然后将它与间距为0.633mm的I/O平带电信号引线连接。为了使得高数据传输速率(每个信道的传输速度在DC~700Mb之间)和高抗噪特性之间保持一定的兼容性，具有差分发生器耦合逻辑电路的电接口引线应采用接地-信号-信号-接地结构。该光纤互连模块具有一种小型表面安装封装器件(长48.0mm，宽47.2mm，厚为8.5mm，无BF连接器)，这就便于采用板上安装。Tx和Rx光纤互连模块具有同样的封装结构。
5 性能
为了评估光纤互连模块的性能，我们让Tx和Rx光纤互连模块运行于10信道的700Mb/s NRZ223-1伪随机比特序列(PRBS)数据，以完成其前期测试。
在单信道、3信道(信道2~4#)、5信道(信道1~5#)、7信道(信道1~7#)和10信道(信道1~10#)几种情况下，每个信道(信道3#)所测得的比特误码率( BER) 参见图18所示，然后再测量来自Rx模块信道3的电信号输出。所采用的系统装置包括一个带有10信道差分输出的脉冲图形发生器、一个ParaBIT-Tx模块、10个光纤多模衰变器、105m光纤(GI-50/125μm)阵列、一个ParaBIT-Rx光纤互连模块和一个误差检测器。这一评估值对于只有一个阵列的芯片来说是非常困难的。Tx/Rx光纤互连模块相同的VCSEL/PD光纤阵列芯片中，10条光纤信道处于相邻位置。
图18 数量不同的道下通过光衰变器接收来自Tx光纤互连模块的输出信号的Rx模块的比特误码率变化情况
在这一光纤互连测量中，特别需要评估其动态变化范围。这一范围位于右侧趋势线和左侧趋势线之间的区域。因为在Rx光纤互连模块中使用了带有一个固定判定电平接收器简易电路所导致的，而实际应用中，Rx模块的判定电平和Tx光纤互连模块光输出功率在模块加工之前是固定不变的。比特误码率为10-12时的动态范围参见表2所示。虽然动态范围随着信道数量的增加而趋于狭窄，但在信道数量超过5之后，动态范围变窄趋势变得越来越不明显。如果信道超过10个，则需要增加辅助VCSEL/PD阵列芯片，因此可以达到4dB左右的动态范围。可见，在ParaBIT光纤互连模块样品中，传输距离超过100m时其传输速率可以达到每信道700Mb/s的设计目标。
表2 比特误码率为10-12时的动态范围
6 结论
随着多媒体应用领域的快速发展，人们很快将会迫切需要1 T b/s级通量转换系统和多媒体T bit/s级服务器。在板间、内部框架和框架之间进行光纤互连是达到这些性能水平的一个关键因素，因此就需要采用易于制造、易于使用的光纤互连模块。由此可见，可以用于制造光纤互连模块的封装技术便显得极为重要。
我们在本文介绍了一个光纤互连模块的具体实例，并开发出相应的前端样品作为实现40信道并行光纤互连系统的第一步。这样就可以满足每一个信道700Mb/s的传输速率，并达到高通量、微型化和节约成本的设计目标。显然，这种ParaBIT光纤互连模块是研制开发大容量信息系统(如T bit/s级ATM交换系统)一条前景极为乐观的途径。
参考文献：
[1] Kohsuke Katsura, et al. Packaging for a 40-channel parallel optical interconnection module. IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGING. VOL.22. NO.4. |
