CN115136516B - 高速光收发装置 - Google Patents

Abstract

就包括数字信号处理电路、以及光调制模块和光接收模块的光收发装置而言，采用了一种高速光收发装置，其中，将柔性基板用作所述光调制模块和所述光接收模块的高频接口，在数字信号处理电路的封装基板上设有将高频布线图案与所述柔性基板连接的机构，所述封装基板与所述光调制模块和所述光接收模块通过所述柔性基板连接。

Description

高速光收发装置

技术领域

本发明涉及一种搭载有数字信号处理电路的、具备光发送机(光调制器)和光接收机的高速的光收发装置。

背景技术

以数字相干为首的、数字信号处理技术被导入至光纤通信系统，单波长100Gbps的主干网传输技术确立，现在，至单波长400～600Gbps的高速化达到了实用水平。

在初期的100G数字相干系统中，如图1所示，各部件(IC(integrated circuit：集成电路)、光子IC(PIC(photonic integrated circuit：光子集成电路)))被单独封装化，例如为在印刷电路基板(PCB：printed-circuit board)上安装各部件的形态。

在图1的以往的100G数字相干系统中，在PCB板基板100之上搭载有DSP封装基板110并通过BGA(ball grid array：球阵列)101电连接，进一步地在其上搭载有DSP－ASIC111的芯片。

DSP封装基板110的电输入/输出通过PCB板基板100上的印刷布线，经由表面安装引脚102与驱动器/TIA130连接，并经由其与光调制(受光)模块120连接。

在光调制(受光)模块120中，接受调制电信号并进行光调制，向光纤140输出调制光，此外，将从光纤140接受的信号光转换为电信号并送向DSP封装基板110，DSP－ASIC111进行接收信号处理。

另一方面，由于在超过400G的系统中要求模拟部件的宽频带化(例如调制频带40GHz以上)，因此，以高频损耗降低和小型化为目的、如图2所示那样的、RF驱动器和光调制器在发送侧被一体封装安装的形态(Coherent Driver Modulator：CDM(相干驱动调制器))、跨阻放大器TIA(Trans-Impedance Amplifier)和光受光器PD(PhotoelectricDiode：光电二极管)在接收侧被一体封装安装的形态(Integrated Coherent Receiver：ICR(集成相干接收机))受到关注。(以下，将两者统称为CDM形态。)

在图2的以往的400G数字相干系统中，对于与图1相同的功能，省略说明，其中，使用了驱动器/TIA和光调制(受光)模块被一体安装的、一体安装光调制(光接收)模块225。

而且，为了抑制封装安装引起的高频特性劣化，也进行了如下尝试：如图3所示那样将所有的高频模拟IC安装(DSP共同封装(Co-Package)安装)于与DSP同一封装基板上。在图3中，对于与图1、图2相同的功能，省略说明，其中，使用了将所有的高频模拟IC安装(DSP共同封装安装)于与DSP同一封装基板310上的、一体安装光调制(受光)模块。

需要说明的是，在该情况下，产生瓦级的热量的DSP－ASIC和光收发器件接近配置于同一封装基板上，因此，对于光收发器件，期望特性变动相对于温度变化、上升小的(温度依赖小的)器件。

此外，作为光收发器件材料，代替以往的铌酸锂(LN)光调制器，基于半导体的光调制器因小型、低成本化的观点而引来关注。特别是，在面向更高速的调制动作中主要使用InP所代表的化合物半导体，此外，在更重视小型化、低成本化的系统中，研究开发集中于Si基的光器件。

在半导体光调制器中也有材料特有的优点和缺点，例如，在InP光调制器中，为了控制带边吸收效果，认为在调制动作时必须进行温度控制器控制。另一方面，虽然Si调制器具有无需温度控制的优点，但与其他材料系列相比，由于电光效应小而需要使电-光相互作用长度变长，作为结果，有时也会引起高频损耗增大，更进一步的高速化(宽频带化)中课题很多。

为了实现如图1～图3所示那样的以往的光收发器的更进一步的高速化，不仅IC(例如Si－CMOS等)、PIC(例如光调制元件、光受光元件等)的高速化，封装、高频布线的高速化(低RF损耗化)以及各组件间的电连接的低损耗化(低反射化)也很重要。即，就安装上的高速化的观点而言，可以说集成度高的图2还有图3这样的多个芯片的共同封装形态比图1所示的单独封装形态有利于高速化。

根据以上的背景，对于温度依赖性小的Si基光调制器，研究了集成度更高的DSP共同封装形态，另一方面，在温度依赖性大的InP基光调制器中，大多采用了作为与发热量大的DSP不同的封装体，在同一封装体内仅搭载有高频放大元件(驱动器IC)的形态(例如CDM)。需要说明的是，在此，光调制元件一般安装于温度调整器(TEC)上来被温度(恒定)控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015－146515号公报

发明内容

发明所要解决的问题

如前所述，以往的半导体光调制器的安装形态主要大致分为图2所示的CDM形态(在接收器侧为ICR，在收发器一体封装的情况下也叫做IC－TROSA：Integrated CoherentTransmitter and Receiver Optical Sub-Assembly(集成相干发射器接收器光学子组件))或如图3所示的DSP共同封装形态。

在此，为了实现整个光发送(接收)器的更进一步的高速化，需要各IC、PIC的高速化和使将其连接的布线、封装安装全部高速化(宽频带化)。但是，前述的以往的两个安装形态分别具有如下这样的阻碍宽频带化的课题。

(CDM形态的课题)

从例如设于DSP－ASIC内的数模转换电路(DAC：digital to analog converter)输出的高速模拟电信号向ASIC→DSP封装基板→PCB板基板→光调制模块传播从而转换为光信号。在电接口中，例如使用表面安装SMT(Surface Mount Technology：表面安装技术)、FPC(Flexible printed circuits：柔性印刷电路基板、柔性印刷布线板。

在该情况下，需要经过异种且多个高频电路基板来传播电信号，由于电气布线长度长尺寸化而使电损耗增大。

而且，在基板间的连接、特别是DSP封装体与PCB板间的BGA(球阵列封装)连接部中，将一百至数百微米径的焊球用于连接，因此，当为50GHz以上的高频信号时，由焊球连接部位处的阻抗失配引起的电反射成为使高频特性大幅劣化的主要因素。

就该高频特性的劣化而言，在以往的400G系统(按调制驱动波特率为64GBaudrate，作为要求频带大约为40GHz)中，未被作为重大的课题举出，但在下一代的800G、1T系统的实现(要求频带＞50GHz)中，成为很大的障碍。

因此，即使使用了搭载有具有调制频带50GHz以上的InP调制元件的光调制模块，也难以确保作为整个光发送(接收)器的频带特性。

此外，除此以外，在将低损耗FPC用作光模块的高频接口的情况下，如图4的在以往的CDM安装的系统中使用了FPC的例子的侧剖视图所示，由于为将FPC从高度不同的光模块平台连接到PCB板上的构造，因此需要强烈地使FPC450弯曲来进行安装。

使FPC弯曲会使FPC的连接点处的安装应力增加，因此，产生可靠性上的问题。此外，也担心伴随着由弯曲引起的高频特性变动(特性阻抗的变化)、布线的长尺寸化的电损耗增大。

(DSP共同封装形态的课题)

作为解决上述课题的方法而广为人知的是也已在图3示出的DSP共同封装的安装形态。在该形态中，如图3所示，在封装基板310之上不仅搭载DSP－ASIC311，还搭载驱动器(TIA)330、光调制器(光接收机)的PIC325，能不经由焊球等地将高频电信号通过最短的布线向光调制器供电。

但是，作为现状的光调制器，主要使用温度依赖性小的Si基的调制器，因此，在如前所述那样更进一步的高速化(宽频带化)中，光调制元件本身的特性改善被作为重大的课题举出。

此外，一般而言，光调制器的频带与调制效率(与驱动电压Vπ、调制输出光强度等对应)为折衷的关系，因此，仅将频带扩展设为优先的设计，反而会引起调制光的SNR(信噪比)劣化，作为结果，引起信号质量劣化。

而且，为了补偿SNR的劣化，在Si调制元件之外另外搭载有SOA等化合物半导体光放大元件的情况下，该放大元件本身的温度控制和伴随着安装部件件数增加的成本上升、功耗等的增加被作为课题举出。

此外，如果在使InP调制器进行DSP共同封装化来代替Si调制器的情况下，需要进行InP调制器核心的组分变更(使材料的带边吸收变小)，但在该情况下，也会存在由于InP调制器本身的调制效率降低(量子限制斯塔克效应：QCSE的降低)而引起SNR的劣化的问题。

用于解决问题的方案

为了解决以上的课题，在本发明中，将高速性优异的InP光调制器搭载于光调制模块，将柔性基板(FPC)用作直接连接DSP封装基板与光调制模块的高频接口。

也可以是，为了InP调制元件的调制效率改善和长期稳定动作而理想的是，在光调制模块搭载温度调整器(TEC)。此外，为了光学特性的长期稳定化还理想的是，确保模块内的气密性并封入惰性气体。

而且，设为了如下构造：在不具有金属盖的DSP封装基板上设置将DSP封装基板上的高频布线图案与FPC基板连接的机构，(不经由PCB板基板)经由FPC将高频信号向光发送模块直接供电。

通过采用这样的构成，能抑制由在IC－PIC间的安装引起的高频损耗，能用更高速且高质量的电信号驱动宽频带性优异的InP光调制器。本发明特别是在构成光收发器的要求频带为50GHz以上(作为调制波特率(符号率)100GBaud rate)的下一代800G、1Tbps(单波长)的系统的方面，承担重要的作用。

实施方式例如具有如下的构成。

(构成1)

一种高速光收发装置，是包括数字信号处理电路、以及驱动器与光调制元件至少为一体的光调制模块或跨阻放大器与光受光元件至少为一体的光接收模块中的至少任一个的光收发装置，其特征在于，

将柔性基板用作所述光调制模块和所述光接收模块的高频接口，

在所述数字信号处理电路的封装基板之上设有将高频布线图案与所述柔性基板连接的机构，

所述封装基板与所述光调制模块或所述光接收模块中的至少任一个通过所述柔性基板直接连接。

(构成2)

根据构成1所述的高速光收发装置，其特征在于，

搭载于所述光调制模块的光调制元件由温度控制器进行温度控制。

(构成3)

根据构成1或2所述的高速光收发装置，其特征在于，

所述光调制模块被气密封装化。

(构成4)

根据构成1所述的高速光收发装置，其特征在于，

在搭载于所述光调制模块的光调制元件中，使用了InP基板并包括至少两个以上的马赫-增德尔(Mach–Zehnder)型光干涉导波路。

(构成5)

根据构成1至4中任一项所述的高速光收发装置，其特征在于，

在所述光调制模块或所述光接收模块，除了搭载有光调制元件和光受光元件以外，还搭载有高频放大元件。

(构成6)

根据构成1至5中任一项所述的高速光收发装置，其特征在于，

所述光调制模块或所述光接收模块的3dB频带具有50GHz以上。

(构成7)

根据构成1至6中任一项所述的高速光收发装置，其特征在于，

与所述柔性基板连接的机构由连接器连接来构成。

(构成8)

根据构成1至7中任一项所述的高速光收发装置，其特征在于，

所述光调制模块或所述光接收模块的封装体平台的高度与所述数字信号处理电路的封装基板的上表面的高度的高低差为2mm以下。

发明效果

根据这样的构成，在搭载有数字信号处理电路的、具备光发送机(光调制器)和光接收机的光收发装置中，能通过柔性基板抑制高频损耗并且以宽频带将数字信号处理电路的封装基板与光调制模块和光接收模块连接，能实现高速的光收发装置。

附图说明

图1是以往的100G数字相干系统的俯视图和侧剖视图。

图2是以往的400G数字相干系统的俯视图和侧剖视图。

图3是以往的DSP共同封装安装的系统的俯视图和侧剖视图。

图4是表示在以往的CDM安装的系统中使用了FPC的例子的侧剖视图。

图5是表示本发明的概要构成的光收发装置的侧剖视图。

图6是本发明的实施例1的光收发装置的俯视图。

图7是本发明的实施例1的光收发装置的侧剖视图。

图8是本发明的实施例2的光收发装置的侧剖视图。

图9是本发明的实施例3的光收发装置的俯视图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施例详细进行说明。

图5是表示本发明的概要构成的光收发装置的侧剖视图。在本发明中，如图5，在PCB板基板500的左上侧搭载有通过BGA501连接的DSP封装基板510，在其上搭载有DSP－ASIC511。

右侧的光调制(接收)模块525设置为模块的封装体平台(封装体的中段的具有棚状的面的部分)的高度与DSP封装基板510的上表面的高度的高低差为2mm以下，通过作为高频接口的柔性基板(FPC550)直接连接来被供电。

也可以是，调整DSP封装基板510的上表面的高度来将高低差设置为2mm以下。总之，能在FPC550没有大的弯曲的情况下可靠地连接即可。

此外，以下同样，关于FPC550，举例示出了基底膜(上层)和铜箔(下层)的至少两层构造的FPC，但不限于此。

(实施例1)

在图6示出本发明的实施例1的数字相干通信用光收发装置的俯视图。在图6中，在PCB板基板600的左侧搭载有DSP封装基板610，该DSP封装基板610搭载有DSP－ASIC611，在DSP封装基板610，于PCB板基板600的左端或上下端连接有低速信号接口603。通过DSP－ASIC611将低速电信号转换为高频信号，从DSP－ASIC右侧的展开布线612经由连接PAD(压焊点)613来将高频信号输入至FPC接口650/从FPC接口650输出。连接PAD613可以是FPC连接器。

FPC接口650与光发送模块CDM626和光接收模块ICR625连接，光发送模块CDM626和光接收模块ICR625进行光电转换，并在与右端的光纤640之间发送/接收光信号。FPC连接可以是DSP封装基板610与发送(调制)模块CDM726或光接收模块ICR725中的至少任一个之间的连接。也可以根据需要而向光发送模块CDM、光接收模块ICR连接低速电信号。

在图6的实施例1的光收发装置中，假定偏振复用型IQ光调制方式，DSP－ASIC611和被输入/输出的高频信号分别为四个信道。(X偏振I信道/X偏振Q信道/Y偏振I信道/Y偏振Q信道)

一个信道中，分别一般作为差分对的电信号来处理，因此，高频布线的信号线路条数在光发送/光接收各为八条(差分pn的两条×四个信道的量)，共计为十六条，在光收发模块(CDM626、ICR625)与DSP－ASIC611之间的FPC650传播。就FPC650而言，考虑光发送模块(CDM626)和光接收模块(ICR625)的安装空间来确定FPC650的传播长度和偏移长度。在此，考虑各部件的安装作业性而将FPC的布线长度设为了15mm，但显然不会由于该长度如何而丧失发明的有用性。(需要说明的是，各信道的高频信号也可以是单相信号而非差分信号。)

图7是本发明的实施例1的光收发装置的光发送(调制)模块CDM726的一侧的侧剖视图。光接收模块ICR725的一侧也是几乎同样的构造，因此省略说明。光发送(调制)模块CDM726或光接收模块ICR725中的至少任一个可以是FPC连接。

如图7所示，光发送(调制)模块CDM726载置于PCB基板700之上，在配置于温度调整器(TEC)760之上的子载体(光学元件基座)780之上配置有光调制器PIC727以及芯片聚光透镜781(第一透镜)和光纤聚光透镜782(第二透镜)，向光纤740输出发送光(调制光)。

在光调制器PIC727中，在此采用了宽频带性优异的InP基的IQ光调制元件。在光调制元件中使用了InP基板并包括至少两个以上的马赫-增德尔型光干涉导波路。

在光调制器PIC727的输入侧，作为光发送(调制)模块CDM726的封装体左壁面而配置有模块布线基板基座770和模块封装壁面771。模块布线基板基座770和模块封装壁面771例如由厚度不同的陶瓷构成，厚度的台阶部分形成封装体平台。FPC750的金属布线图案(下层)与模块布线基板基座770上表面的高频布线753连接。

模块布线基板基座770上表面的高频布线753贯通模块布线基板基座770与模块封装壁面771之间的陶瓷壁面并经由金丝布线751，向光调制器PIC727输入调制电信号。

也可以将模块布线基板基座770构成为FPC连接器的一部分，还可以将模块布线基板基座770与模块封装壁面771一起构成为一体或双体构造的陶瓷部件连接器。

可以是，在陶瓷部件连接器的与封装体平台连续的壁面形成供高频布线753贯通的贯通孔，将贯通孔的截面形成为高频布线753上部为隧道状的空洞。

可以是，将该空洞的高度形成为从贯通孔的壁面入口朝向模块内部、从比FPC750的厚度高的高度起逐渐变低(至少比FPC750的厚度窄)。

若将贯通孔形成为这样，则仅将FPC750的顶端插入到贯通孔的空洞，也能在FPC750下层的金属布线图案与高频布线753之间产生按压力，形成电连接。

需要说明的是，为了光学透镜的长期稳定化，也可以在模块内封入惰性气体的Ar或N₂等并进行气密密封。

(实施例2)

此外，作为本发明的实施例2，也可以使用如图8所示的驱动器IC一体型光发送模块。图8的驱动器IC一体型光发送模块826与图7的光发送模块CDM726的不同点为在模块布线基板基座870与光调制器PIC827之间配置有高频放大IC830来作为驱动器IC的点，省略其他说明。

就驱动器集成的优点而言，具有能期待因布线、模块等导致的高频电信号的损耗的补偿和由信号增益实现的调制效率的增大的点，也可以举出已经广泛地将InP调制器和驱动器IC的一体安装形态认知作CDM(作为技术确立了)的点。

能将模块布线基板基座870构成为FPC连接器的一部分并与模块封装壁面871一起构成为一体或双体构造的陶瓷部件连接器，该点与实施例1相同。

在这些实施例中，在DSP封装基板上设有信道数的量的差分信号线路图案(高频布线图案，例如G－S－S－G/信道)。设有将高频布线图案的间距转换为与FPC的连接信道间间距相配的展开布线(图6的展开布线612)来作为展开基板。FPC与设于DSP封装基板上的供电焊盘图案的连接通过焊锡固定。

也能使用高频传输用FPC连接器等连接器(连接机构)将FPC的一端固定于DSP封装基板来连接FPC。就连接器连接的优点而言，具有因不会像焊锡固定那样施以热量而能避免向DSP侧的热损伤和能期待安装成本降低的点。

需要说明的是，包括DC信号的低速信号的接口能如以往那样经由更高密度的BGA等与周边电路连接。就光收发模块侧而言，为SMT、FPC、BGA中的哪个都没问题，但在此使用了SMT型。不会由于低速信号接口的种类如何而影响本发明的有效性。

(实施例3)

最后，在图9示出将IC－TROSA模块925用作光收发模块的情况的构成例来作为本发明的实施例3，该IC－TROSA模块925是将光发送和光接收进行了一体化(也搭载有激光器等功能元件)的模块。DSP封装基板910与IC－TROSA模块925之间的FPC连接也能通过一对连接器连接。

产业上的可利用性

如上所述，根据本发明，在搭载有数字信号处理电路的、具备光发送机(光调制器)和光接收机的光收发装置中，能通过柔性基板抑制高频损耗并且以宽频带将数字信号处理电路的封装基板与光调制模块和光接收模块连接，能实现高速的光收发装置。

附图标记说明

100、200、300、400、500、600、700、800、900：PCB板基板；

101、401、501：BGA；

102：表面安装引脚；

110、210、310、410、510、610：(DSP)封装基板；

111、211、311、411、511、611：DSP－ASIC；

120：光调制(受光)模块；

130、330：驱动器/TIA；

140、240、340、440、540、640、740、840：光纤；

225、525：(一体安装)光调制(光接收)模块；

325、727、827：PIC；

450、550、650、750、850：FPC(接口)；

603：低速信号接口；

612：展开布线；

613：连接PAD；

626、726：CDM；

625、725：ICR；

751、851、852：金丝布线；

753、853：高频布线；

760、860：温度调整器(TEC)；

780、880：子载体(光学元件基座)；

770、870：模块布线基板基座；

771、871：模块封装壁面；

781、881：芯片聚光透镜(第一透镜)；

782、882：光纤聚光透镜(第二透镜)；

830：高频放大IC；

925：IC－TROSA模块。

Claims (8)

1.一种高速光收发装置，是包括数字信号处理电路、以及驱动器与光调制元件至少为一体的光调制模块或跨阻放大器与光受光元件至少为一体的光接收模块中的至少任一个的光收发装置，其特征在于，

将柔性基板用作所述光调制模块和所述光接收模块的高频接口，

在所述数字信号处理电路的封装基板之上设有将高频布线图案与所述柔性基板连接的机构，

所述封装基板与所述光调制模块或所述光接收模块中的至少任一个通过所述柔性基板连接，

所述封装基板与通过所述柔性基板连接的所述光调制模块或所述光接收模块搭载于共同的印刷布线基板之上。

2.根据权利要求1所述的高速光收发装置，其特征在于，

搭载于所述光调制模块的光调制元件由温度控制器进行温度控制。

3.根据权利要求1所述的高速光收发装置，其特征在于，

所述光调制模块被气密封装化。

4.根据权利要求1所述的高速光收发装置，其特征在于，

在搭载于所述光调制模块的光调制元件中，使用了InP基板并包括至少两个以上的马赫-增德尔型光干涉导波路。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的高速光收发装置，其特征在于，

在所述光调制模块或所述光接收模块，除了搭载有光调制元件和光受光元件以外，还搭载有高频放大元件。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的高速光收发装置，其特征在于，

所述光调制模块或所述光接收模块的3dB频带具有50GHz以上。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的高速光收发装置，其特征在于，

与所述柔性基板连接的机构由连接器连接来构成，或者，与所述柔性基板连接的机构是将所述柔性基板直接连接的连接压焊点PAD。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的高速光收发装置，其特征在于，

所述光调制模块或所述光接收模块的封装体平台的高度与所述数字信号处理电路的封装基板的上表面的高度的高低差为2mm以下。