CN212463216U - 一种单通道传输速率为100Gbps的光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单通道传输速率为100Gbps的光模块，包括壳体、PCB板和光连接器，PCB板上设有电源模块、微控制器、DSP处理器、EML驱动器和探测器，电源模块用于给整个光模块供电，微控制器分别与DSP处理器、EML驱动器电连接，探测器的输出端与接收侧DSP处理器的输入端电连接，接收侧DSP处理器的输出端与金手指电连接，发射侧DSP处理器的输出端与金手指电连接，发射侧DSP处理器的输出端与EML驱动器的输入端电连接，EML驱动器的输出端与EML激光器电连接；PCB板局部埋设有散热块，使发热元件直接贴装在散热块上，散热块的导热率高于PCB板材的导热率，壳体内壁设有散热凸台，PCB板与散热凸台接触，散热凸台与PCB板之间使用导热材料填充。本光模块降低了产品成本。

Description

一种单通道传输速率为100Gbps的光模块

技术领域

本实用新型涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种单通道传输速率为100Gbps的光模块。

背景技术

当前，全球信息技术创新进入新一轮加速期，5G、loT、AI、VR/AR等新一代信息技术和应用快速演进，对数据中心的规模、建设模式、性能各方面产生重要影响。5G和loT将带动数据量***式增长，引领数据中心需求猛增，带动数据中心总体建设规模持续高速增长，并且集约化建设的大型数据中心比重将进一步增加。

为了实现楼宇间交换机或者路由器的高速互联，并且与现有QSF28封装接口的兼容，提高单通道的传输速率变得尤为重要。与目前的100G QSFP28光模块（四路25Gbps）相比，100G FR1仅仅使用一路光器件，可以大大节约光模块的成本，而基于QSFP28封装的100GFR1光模块可以和现有100G交换机接口完全兼容。

当前市场背景下，该产品一般采用以下关键技术，技术分析如下：

1、硅光方案，工艺成本高。

2、带制冷功能的EML器件方案，气密封装，封装成本高；同时，由于采用器件封装技术，光电芯片距离拉远，增加了电路设计的难度。

3、带制冷功能的DML器件方案，暂无满足要求的DML器件。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种单通道传输速率为100Gbps的光模块，旨在使用更成熟、低成本的方案，实现产品设计。

本实用新型的目的是采用下述方案实现的：本实用新型公开了一种单通道传输速率为100Gbps的光模块，包括壳体、PCB板和光连接器，PCB板设置于壳体内，PCB板的端部设置有金手指，金手指为光模块与交换机单板通信的电接口，所述光连接器设置于壳体的端部，用于与外接光纤对接，所述光连接器与金手指分别位于壳体的两端，所述PCB板上设有电源模块、微控制器、DSP处理器、EML驱动器和探测器，所述电源模块用于给整个光模块供电，所述微控制器分别与DSP处理器、EML驱动器电连接，所述探测器用于接收与第一光连接器对接的光纤发送的带调制的光信号，并将接收到的带调制的光信号转换成电信号，所述探测器的输出端与接收侧DSP处理器的输入端电连接，接收侧DSP处理器的输出端与金手指电连接，发射侧DSP处理器的输出端与金手指电连接，发射侧DSP处理器的输出端与EML驱动器的输入端电连接，所述EML驱动器的输出端与EML激光器电连接，用于控制EML激光器输出带调制的光信号，并传输给与第二光连接器对接的光纤；所述微控制器与金手指之间电连接；所述PCB板局部埋设有散热块，使发热元件直接贴装在散热块上，散热块的导热率高于PCB板材的导热率，热量通过散热块传导出去，所述壳体内壁设有散热凸台，所述PCB板与散热凸台接触，散热凸台与PCB板之间使用导热材料填充。

微控制器与金手指之间通过低速信号接口、I2C通信连接的目的是主机侧与模块通信，上报模块的状态及主机下发指令。

发热元件的发热量与功耗相关，主要有DSP芯片、EML驱动器、激光器和探测器，若热量没有散热路径，模块的性能会劣化更有甚者会导致模块工作不正常。

散热凸台与壳体是一体。

进一步地，所述散热块为铜块。

进一步地，散热凸台与PCB板之间填充的导热材料为硅脂导热凝胶。

进一步地，所述探测器包括PD芯片和TIA芯片，所述TIA芯片与微控制器电连接，所述PD芯片和TIA芯片使用导电银胶粘接在PCB板上，并使用金线键合技术将PD芯片的输出端与TIA芯片的输入端连接，TIA芯片的输出端与DSP处理器接收侧的输入端电连接。

进一步地，所述光连接器为LC适配器。

进一步地，DSP处理器为收发合一，且内嵌EML驱动器。

进一步地，微控制器选用WLCSP封装。

进一步地，所述EML激光器加载到SiN基板上并使用金线键合技术将EML激光器与EML驱动器进行电气连接。

进一步地，EML激光器中不包含TEC；EML激光器中设有光电监控二极管，所述光电监控二极管用于监控EML激光器的光功率，并根据不同温度条件下的P-I曲线即光功率-偏流曲线改变激光器偏流，稳定输出光功率。

本实用新型的有益效果为：本实用新型的光模块采用了将EML激光器加载到SiN基板上并使用金线键合技术将EML激光器与EML驱动器进行电气连接，所述PCB板局部埋设有散热块，使发热元件直接贴装在散热块上，散热块的导热率高于PCB板材的导热率，热量通过散热块传导出去，所述壳体内壁设有散热凸台，所述PCB板与散热凸台接触，散热凸台与PCB板之间使用导热材料填充，使本实用新型的EML激光器可以采用uncooled EML COC方案，一方面可减少温控电路，降低产品功耗；另一方面可省略TEC封装工艺，对于芯片封装，结合COC能力，可以采用非气密封装工艺。

且EML激光器中设有光电监控二极管，所述光电监控二极管用于监控EML激光器的光功率，并根据不同温度条件下的P-I曲线即光功率-偏流曲线改变激光器偏流，稳定输出光功率。

附图说明

图1为本实用新型的单通道传输速率为100Gbps的光模块的原理框图；

图2为本实用新型的单通道传输速率为100Gbps的光模块的PCB板的正面示意图；

图3为本实用新型的单通道传输速率为100Gbps的光模块的PCB板的反面示意图；

图4为本实用新型的单通道传输速率为100Gbps的光模块的PCB板的侧面示意图。

附图中，1为PCB板，2为EML激光器，3为DSP处理器，4为探测器，5为MCU。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1至图4，本实施例提供一种单通道传输速率为100Gbps的光模块，包括壳体、解锁装置、PCB板和光连接器，PCB板设置于壳体内。光模块的壳体包括底壳和上盖，所述底壳与上盖通过螺栓固定连接。解锁装置与底壳PCB板位于底壳与上盖之间。PCB板的端部设置有金手指，金手指为光模块与交换机单板通信的电接口，所述光连接器安装在底壳的端部，用于与外接光纤对接，所述光连接器与金手指分别位于壳体的两端，所述PCB板上设有电源模块、微控制器MCU、DSP处理器、EML驱动器和探测器，所述电源模块用于给整个光模块供电，所述微控制器MCU分别与DSP处理器、EML驱动器电连接，所述探测器用于接收与第一光连接器对接的光纤发送的带调制的光信号，并将接收到的带调制的光信号转换成电信号，所述探测器的输出端与接收侧DSP处理器的输入端电连接，将电信号传递给接收侧DSP处理器，接收侧的DSP处理器对收到的1路53.125GBaud的PAM4调制电信号解码转换成4路25.78125Gbps速率的NRZ调制信号；接收侧DSP处理器的输出端与金手指电连接，将NRZ调制信号经金手指发送给交换机单板侧；发射侧DSP处理器的输出端与金手指电连接，发射侧DSP处理器的输出端与EML驱动器的输入端电连接，发射侧的DSP处理器对经金手指收到的4路25.78125Gbps速率的电信号进行编码、整形、调整、时钟恢复等一系列处理后输出1路53.125GBaud的PAM4调制信号到EML驱动器；所述EML驱动器的输出端与EML激光器电连接，用于控制EML激光器输出带调制的光信号，并传输给与第二光连接器对接的光纤；所述微控制器与金手指之间电连接。

EML激光器安装在底壳与上盖之间。PCB设有用于为EML激光器(EML BOX)安装让位的开口。

本实施例光模块的电接口信号速率为25.78125Gbps的NRZ调制信号，光接口信号速率为53.125GBaud的PAM4调制信号；PAM4调制信号有4个电平，所以53.125GBaud对应的信号速率为53.125*2=106.25Gbps。

光模块的电信号接口为QSFP28；光信号的波长为1311nm±6.5nm；光纤传输距离可达到2km；温度范围：0~70℃。

本专利的封装为QSFP28，目前市场上成熟的100G SR4/DR4/LR4/ER4模块使用的封装为QSFP28，运营商可以不用修改单板的接口。

进一步地，光模块的光接收单元采用COB工艺，将PD与TIA使用导电银胶贴到PCB板上，然后使用wire bounding技术将PD焊盘与TIA焊盘通过金线连接；使用COB工艺，会优化高速信号的质量并节省空间，使得模块性能更优。

金手指由38个导电焊盘组成，光模块与交换机单板通信的接口，所有的信号都是通过金手指进行传送的。

光模块内部对DSP芯片，EML驱动器，电源芯片，TIA（跨阻放大器）进行控制的操作通过MCU实现。

所述探测器包括PD芯片和TIA芯片，所述TIA芯片与微控制器电连接，所述PD芯片和TIA芯片使用导电银胶粘接在PCB板上，并使用金线键合技术将PD芯片的输出端与TIA芯片的输入端连接，TIA芯片的输出端与DSP处理器接收侧的输入端电连接。TIA芯片为跨阻放大芯片，将收到的微弱电信号放大，PD芯片将收到的光信号转化为电信号。PD和TIA通过COB工艺封装成探测器。COB工艺：chip on board，将裸芯片直接粘接在印刷电路板上，然后进行金线键合，再用胶水将芯片和金线包封保护的工艺。

进一步地，所述光连接器为LC适配器，与外接光纤对接，使光模块发射或者接收到的光以最小的损耗传输或者接收。

进一步地，DSP处理器为收发合一，且内嵌EML驱动器。DSP处理器采用DSP+Driver合一芯片，其中DSP芯片将电信号进行调整整形，EML Driver为驱动芯片，产生带调制信号的电信号。选用DSP芯片和EML驱动器合一的元件可以减少元件在PCB上的占用面积，为高速差分信号线及电源走线提供更大的面积。MCU选用WLCSP封装的可减少占用面积。

进一步地，EML激光器（EML Box）使用Uncooled EML COC，即激光器中不包含TEC（温度控制器，可将EML COC的温度稳定在52.5℃，从而使激光器的光功率稳定）。EML激光器中设有光电监控二极管，通过激光器中的MPD（光电监控二极管）来监控激光器的光功率，从而根据P-I（光功率-偏流）曲线补偿对因温度变化而变化的光功率。在激光器验证阶段通过大量的测试数据拟合出不同温度条件下的P-I曲线，然后根据MPD监控的光功率来改变激光器偏流，从而稳定输出光功率。光模块的光发射单元采用uncooled EML COC方案，不用额外增加TEC芯片即可实现商温应用环境。对于EML器件的光功率补偿比一般的vcsel器件更加有难度，需要根据EML激光器的EA吸收曲线找到平坦区，并根据光功率与偏流的关系来进行光功率补偿。

EML COC工艺是将EML器件加载到SiN基板上并使用wire bounding技术将EML器件与Driver驱动芯片进行电气连接。SiN基板是一种低损耗、低折射率基材，与PCB板不是同一个，EML激光器通过导电银胶安装在SiN基板上。传统的光模块采用分立式结构，光芯片通过一系列无源耦合器件，与光纤实现对准耦合，完成光路封装，整个封装环节需要较多材料和人工成本，同时封装和测试工序较为复杂，封装过程自动化率较低，测试中需要手工将光模块一个个进行对准耦合测试，时间和成本均较高。利用传统半导体产业非常成熟的硅晶圆加工工艺，在SiN基底上利用蚀刻工艺可以快速加工大规模的波导器件，利用外延生长等加工工艺，可以将无源光器件集成到该基板上。这种方式使得器件体积减小，材料成本，芯片成本，封装成本均得到优化，同时对于批量测试也更加方便。

所述壳体内壁设有散热凸台，所述PCB板与散热凸台接触，散热凸台与PCB板之间使用导热材料填充。使用EML COC工艺对光模块的散热工艺又是另一挑战，经热仿真可以得到壳温为70℃时，使用传统的制作工艺，PCB板上的最高温度达到了105℃，而EML COC器件可承受的最大温度为75℃，所以本专利中采用PCB中埋铜块的工艺提高散热速度，并且光模块的管壳上设计凸台，让EML COC光器件的下方PCB可以与凸台接触，为了增加接触面积，凸台与PCB之间使用硅脂导热凝胶填充。经过上述散热设计后，可以保证光模块可正常工作在商温应用环境。

所述PCB板局部埋设有散热块，使发热元件直接贴装在散热块上，散热块的导热率高于PCB板材的导热率，热量通过散热块传导出去。散热块采用铜块，本实施例采用PCB中埋铜块工艺：铜的导热率高于PCB板材，所以可以提高散热速度。在PCB局部发热元器件较大的地方埋铜块，可以使发热元件直接贴装在铜块上，热量通过铜块传导出去。常用的散热方法有：金属基板制作电路板、电路板上焊接金属基板；然而这两种工艺对金属材料的消耗大，而且制作工艺复杂、成本高、体积大等缺点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种单通道传输速率为100Gbps的光模块，包括壳体、PCB板和光连接器，PCB板设置于壳体内，PCB板的端部设置有金手指，金手指为光模块与交换机单板通信的电接口，所述光连接器设置于壳体的端部，用于与外接光纤对接，所述光连接器与金手指分别位于壳体的两端，其特征在于：所述PCB板上设有电源模块、微控制器、DSP处理器、EML驱动器和探测器，所述电源模块用于给整个光模块供电，所述微控制器分别与DSP处理器、EML驱动器电连接，所述探测器用于接收与第一光连接器对接的光纤发送的带调制的光信号，并将接收到的带调制的光信号转换成电信号，所述探测器的输出端与接收侧DSP处理器的输入端电连接，接收侧DSP处理器的输出端与金手指电连接，发射侧DSP处理器的输出端与金手指电连接，发射侧DSP处理器的输出端与EML驱动器的输入端电连接，所述EML驱动器的输出端与EML激光器电连接，用于控制EML激光器输出带调制的光信号，并传输给与第二光连接器对接的光纤；所述微控制器与金手指之间电连接；所述PCB板局部埋设有散热块，使发热元件直接贴装在散热块上，散热块的导热率高于PCB板材的导热率，热量通过散热块传导出去，所述壳体内壁设有散热凸台，所述PCB板与散热凸台接触，散热凸台与PCB板之间使用导热材料填充。

2.根据权利要求1所述的单通道传输速率为100Gbps的光模块，其特征在于：所述散热块为铜块。

3.根据权利要求1所述的单通道传输速率为100Gbps的光模块，其特征在于：散热凸台与PCB板之间填充的导热材料为硅脂导热凝胶。

4.根据权利要求1所述的单通道传输速率为100Gbps的光模块，其特征在于：所述探测器包括PD芯片和TIA芯片，所述TIA芯片与微控制器电连接，所述PD芯片和TIA芯片使用导电银胶粘接在PCB板上，并使用金线键合技术将PD芯片的输出端与TIA芯片的输入端连接，TIA芯片的输出端与DSP处理器接收侧的输入端电连接。

5.根据权利要求1所述的单通道传输速率为100Gbps的光模块，其特征在于：所述光连接器为LC适配器。

6.根据权利要求1所述的单通道传输速率为100Gbps的光模块，其特征在于：DSP处理器为收发合一，且内嵌EML驱动器。

7.根据权利要求1所述的单通道传输速率为100Gbps的光模块，其特征在于：微控制器选用WLCSP封装。

8.根据权利要求1所述的单通道传输速率为100Gbps的光模块，其特征在于：所述EML激光器加载到SiN基板上并使用金线键合技术将EML激光器与EML驱动器进行电气连接。

9.根据权利要求1所述的单通道传输速率为100Gbps的光模块，其特征在于：EML激光器中不包含TEC；EML激光器中设有光电监控二极管，所述光电监控二极管用于监控EML激光器的光功率，EML激光器根据不同温度条件下的光功率-偏流曲线改变激光器偏流，稳定输出光功率。

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