Vcsel/PD光芯片与45°FA光链路仿真分析

Vcsel/PD光芯片与45°FA光链路仿真分析

李广瑞,王国旭, 张红强

上海航天科工电器研究院有限公司

摘要：光纤通信技术具有频带宽、传输容量大、低损耗、保密性好等优点，能够有效解决高速信号传输的瓶颈，目前已经成为了主流的通信方式。其中主要的通信器件为光电转换模块，光模块中垂直腔面发射激光器Vcsel与45°FA耦合、PD接收光芯片与45°FA的耦合技术为关键技术。本文利用ZEMAX仿真软件建立仿真模型，分别分析垂直腔面发射激光器Vcsel、PD接收光芯片相对45°光纤阵列组件FA位置偏移引起的耦合效率的变化进行仿真分析，为耦合工艺技术作为指导和参考。

关键词：垂直腔面发射激光器(Vcsel)  45°FA光纤阵列组件  耦合

1、引言

光电转换模块采用Vcsel发射光芯片和PD接收光芯片，Vcsel光束和PD光束与PCB基板垂直，但目前光电转换模块均为小型化的技术要求，没有足够的空间在垂直与基板的方向上进行直接耦合，因此需要将激光光束进行90°方向转变。其光学耦合方案常采用光纤阵列组件（FA）与垂直腔面发射激光器（Vcsel）芯片、PD接收光芯片的设计方案，Vcsel发射光芯片、PD接收芯片与光纤阵列组件FA之间的耦合，要求两者光模场之间需要相互匹配，但通常由于设备精度、器件加工精度、工艺偶合方法等因素会导致模场的不匹配，如何将激光器芯片发出的激光光束高效地耦合进光纤或者逆向将光纤中的光束耦合进行PD,成为光模块耦合研究的重要技术问题，引起了国内外相关研究人员及制造商的广泛关注。因此，对光纤耦合效率的测试与分析，增强对耦合工艺的认识显得十分必要。本文将通过仿真技术分析光纤耦合技术的研究现状，总结光纤耦合技术之间的规律，供今后的研究和生产人员选择和参考。

2、光模块原理分析

光模块的基本原理如下：光通信系统的组成模块主要包括光发射模块和光接收模块两个部分，高速脉冲电信号经过光发射模块会转变为高速脉冲光信号，

其基本方式有两类：一类是直接调制，另一类是外调制。其中，直接调制是指通过外部信号来对激光泵浦光源进行控制，例如对激光泵浦光源的输出功率进行调节。外调制指的是将光学输出的幅度或频率当作光学载波，实现对光载波的幅度或频率的调制。文中提出了一种利用直接调制来改变光强的方法，是一种具有代表性的直接调制光模块基本工作原理，其中，均衡器用于去除码间的串扰，而时钟数据恢复（CDR）是用于去除错误码。采用预驱动、主驱动两种方式，增强电流驱动可控性。在预加重电路内部中加入了延迟功能，可以使其中的高低频信号相互抵消，从而达到改善眼图质量的目的。

通过短距的光电变换，一是可以减少电子晶片与光学晶片的电流传递距离，并可将边缘光学模组移至面板内部，极大地减少由电信号传递所造成的码间串扰与传递损失，因而需要对均衡器与 CDR进行再评估；二是由于采用光纤作为传播介质，使得在5 m以内的光线传输距离，所需要的光源强度和色散效应都得到了很好的抑制。而通常应用在短距传播中的竖直表面发射激光器（VCSEL)，由于其阈值电流小，发光效率高，需要更小的偏置与调制电流来实现近程光传输，所以需要对预驱动与大电流的主驱动必要性进行综合考虑。

作为实现电光/光电变换功能的关键构件，微波光子收/发模块直接关系到光子链路的噪声系数、动态范围和增益等特性。根据收/发的功能特点，可分为单收、单发和收/发一体三种类型；根据调制的方式，可以将其划分成：直接调制型（也就是：发送模块采用直调激光器方案）和外调制型（也就是：发送模块采用激光器、电光调制器的结合方案）；根据其结构类型，可将其划分成：含射频放大型（也就是：在发送模块的电光调制器前级加上微波低噪音放大器（LNA)，在接收模块的光检测器后级加上微波功率放大器（PA)）和不含射频放大型。

该模块结构的主要构成包括：外调制、含射频放大型微波光学收/发链路的结构模型，其中，该模块的发送端主要由激光器、电光调制器、前级射频放大及光电控制电路等构成，而在接收端主要由光电探测器、后级射频放大及光电控制电路等构成。由于其固有的特点，使得其在收/发链路中没有前端的射频放大和后端的射频放大。其中，链路增益，噪声系数，无干扰传输距离是影响微波光子收/发链路性能参数的重要因素。

2.1 耦合过程

垂直腔面激光器vcsel和光接收芯片PD耦合一般采用六轴高精度耦合平台进行光路耦合，精度为为±3um，分为自动耦合和手动耦合两种，总体耦合步骤为：首先安装待耦合的芯片产品，把光纤阵列组件（FA）安装到高精度多轴调节架中，然后在高倍显微镜下进行光路对准操作，实时监控垂直腔面激光器Vcsel芯片光功率和PD接收芯片电流值，当两者耦合数据均达到最大峰值时，为耦合最佳位置。最后进行UV胶固定，完成整改耦合过程。

图1 耦合示意图

2.2 仿真方法

本仿真方法采用ZEMAX仿真软件对垂直腔面激光器Vcsel和光接收芯片PD进行仿真模拟分析，通过光线追迹方法对光纤阵列组件FAX、Y、Z三个方向位置相对垂直腔面激光器Vcsel、接收光芯片PD的相位置进行链路仿真分析。

3、PD接收芯片耦合效率仿真

3.1 PD仿真模型

PD仿真模块相关参数如下：

1)多模光纤：core/clad=50/125um，NA=0.2；

2)光纤阵列组件FA斜面度：45°FA；

3)PD光敏面：60um。

4)FA光纤斜面以及其他面均没有镀膜。

3.2 光纤阵列组件Z轴距离对耦合效率的影响

图4  Z轴距离对耦合效率的影响及仿真示意图

由图4知，光纤阵列组件Z轴距离PD芯片200µm以内时，耦合功率基本不变，耦合功率为-2dB左右。光纤阵列组件Z轴距离PD芯片大于250µm时，耦合功率小于-3dB，且耦合功率随距离增大而迅速降低。

3.3 光纤阵列组件X轴偏移对耦合效率的影响

图5  光纤阵列组件X轴偏移对耦合功率的影响

图6  光纤阵列组件X轴偏移-10um、24um仿真示意图

选取光纤阵列组件Z轴距离PD芯片为200µm固定位置，研究光纤阵列组件X轴偏移对耦合效率的影响。由图5、6知，光纤阵列组件X轴偏移-10um～24µm以内时，耦合功率大于-3dB。X轴偏移小于-10µm及大于28µm时，耦合功率随偏移增大而迅速降低。

3.4 光纤阵列组件Y轴偏移对耦合效率的影响

图7  光纤阵列组件Y轴偏移距离对耦合效率的影响及仿真示意图

选取光纤阵列组件Z轴距离为200µm，研究光纤阵列组件Y轴偏移对耦合效率的影响。由图7知，Y轴偏移-10um～+10µm以内时，耦合功率大于-3dB。Y轴偏移大于20µm时，耦合功率随偏移增大而迅速降低。

4、Vcsel光芯片耦合效率仿真

4.1 Vcsel仿真模型

1)多模光纤：Core/clad=50um/125um，NA=0.2；FA斜面角度45°；

2)垂直腔面激光器Vcsel发光芯片发散角：12°；

3)Vcsel光口大小：10um。

图8 仿真结构示意图

4.2 光纤阵列组件Z轴距离对耦合效率的影响

图9 Z轴距离对耦合效率的影响及仿真示意图

由图9知，光纤阵列组件距离发光芯片距离300µm以内时，耦合功率基本不变，耦合功率为-2dB左右。光纤阵列组件Z轴距离大于300µm时，耦合功率随距离增大而迅速降低。

4.3 光纤阵列组件X轴偏移对耦合效率的影响

图10 光纤阵列组件X轴偏移对耦合功率的影响

图11 光纤阵列组件偏移-30um、+60um仿真示意图

选取光纤阵列组件Z轴距离为200µm，研究光纤阵列组件X轴偏移对耦合效率的影响。由图10、11知，光纤阵列组件X轴偏移-30um～+60µm以内时，耦合功率大于-3dB。光纤阵列组件X轴偏移小于-30µm及大于60µm时，耦合功率随偏移增大而迅速降低。

4.4 光纤阵列组件Y轴偏移对耦合效率的影响

图12 光纤阵列组件Y周偏移±55um数据及仿真示意图

选取光纤阵列组件Z轴距离为200µm，研究光纤阵列组件Y轴偏移对耦合效率的影响。由图12知，光纤阵列组件Y轴偏移-55～+55µm以内时，耦合功率大于-3dB。

5、总结

本文采用ZMMAX光学软件对光电转换模块中关键器件垂直腔面激光器Vcsel、接收光芯片PD相对光纤阵列组件FA的位置偏移引起的耦合效率的变化进行了建模和仿真分析，得出以下结论。

光纤阵列组件FAZ轴方向距离接收光芯片在200um内耦合效率基本无变化，超过200um后会导致耦合效率会急剧下降。在X、Y轴方向偏移超过10um时耦合效率会发生显著下降。

对于垂直腔面激光器Vcsel，光纤阵列组件FA在Z轴方向距离发光芯片300um内耦合效率无明显变化，在X、Y方向偏移超过20um后耦合效率发生急剧下降。

结合仿真数据得知光纤阵列组件FA相对垂直腔面激光器Vcsel和接收光芯片PD光路耦合Z轴方向不是影响耦合效率的主要因素，影响耦合效率的高低为光纤阵列组件FAX轴、Y轴相对光芯片的偏移，偏移量控制在10um内耦合效率耦合效率为最佳且数值越小耦合效率越高。为后续产品生产提供了理论分析基础。

参考文献

[1] Teck Guan Lim, Demonstration of Direct Coupled Optical/Electrical Circuit Board，IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGING, VOL. 32, NO. 2, MAY 2009.

[2]Hak-Soon Lee  ,Ribbon plastic optical fiber linked optical transmitter and receiver modules featuring a high alignment tolerance, OPTICS EXPRESS, Vol. 19, No. 5.

[3] 毛久兵，杨伟等，光电互联中激光器与光纤直接耦合对准差仿真分析，电子工艺技术，2018年第3期.

[4] 阎嫦玲，与光纤阵列耦合的微透镜阵列设计与损耗分析[J]，光电子激光，2009年9月，第17卷，第9期.

[5] 郑 煜，段吉安，平面光波导与阵列光纤耦合分析，中南大学学报（自然科学版），2009年6月，第40卷，第3期.

[6] 曹光亚，杨春，垂直腔面发射激光器与多模光纤的直接耦合，电子器件，2005年3月，第28卷，第1期.

- 1 -