CN110048778B - 一种基于bga封装的高速多通道并行光收发模块及测试装置 - Google Patents

一种基于bga封装的高速多通道并行光收发模块及测试装置 Download PDF

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Abstract

一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块及测试装置，该模块包括光源组件、光源驱动芯片、光接收组件、限幅放大器、处理器、PCB板、金线、FA‑MT光路组件和外部光纤，所述光接收组件包括光电探测器和前置放大电路。其中：光源组件与光源驱动芯片通过金线连接，实现电信号转换为光信号；光接收组件与限幅放大器通过金线连接，实现光信号转换为电信号；光源组件和光接收组件通过外部光纤与外部设备连接。该模块结合了COB技术、光路耦合技术、温度补偿和高速信号仿真等技术，解决了数字光模块在速率、体积和并行传输等方面的问题。

Description

一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块及测试装置
技术领域
本发明涉及一种光模块，尤其涉及一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块，属于光纤通信领域。
背景技术
光通信模块(Optical transceiver)是在光纤通信系统中，实现光信号和电信号相互转换(O/E，E/O)且具有标准光接口的装置，是光纤通信系统中重要的器件之一。军事上广泛用于机载电子载荷、雷达、卫星通信、遥测遥控系统等，同时也是支撑云计算、宽带网络、数字医疗、物联网等下游产业的关键单元。
现代通信中，对通信设备的体积要求越来越小、接口密度越来越高，传统的激光器和探测器分离的光转换模块已经难以适应现代通信设备的要求。
发明内容
本发明实施例提供一种光模块，提供一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块，是一种小封装、低成本、低功耗、高稳定性、满足高速率需求的光通信模块。
本发明的技术解决方案是：
一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块，包括：光源组件、光源驱动芯片、光接收组件、限幅放大器、处理器、PCB板、金线、FA-MT光路组件以及外部光纤；
光源驱动芯片在处理器的控制下，通过驱动光源组件将外部接收到的射频信号转变为光信号，通过FA-MT光路组件与外部光纤连接，将光信号发射出去；
光接收组件包括光电探测器和前置放大电路；通过外部光纤输入进来的光信号先通过光电探测器转变为电信号，再经过前置放大电路进行信号放大后送入限幅放大器，限幅放大器在处理器的控制下将信号限幅放大后输出射频信号；
光源组件、光源驱动芯片、光接收组件、限幅放大器、和处理器均设置在PCB板上，其中，光源组件、光源驱动芯片、光接收组件和限幅放大器均为粘接在PCB板上的裸芯片，光源组件与光源驱动芯片通过金线键合连接，光接收组件与限幅放大器通过金线键合连接。
所述FA-MT光路组件包括FA接口、FA光纤和MT接口，FA-MT光路组件的两端分别为FA接口与MT接口，通过FA光纤连接为一体，光信号通过FA接口后弯折度送入FA光纤。
所述FA接口包括V槽、盖板、透镜及FA光纤的裸光纤，裸光纤和透镜设置在V槽内，盖板压在V槽外部，入射光通过透镜后弯折度进入裸光纤后传出。
FA光纤和外部光纤均为多模带状光纤。
还包括光源控制电路，光源控制电路包括自动功率控制电路和自动温度控制电路，采用单闭环控制法调节光源组件的调制电流和偏置电流。
所述金丝的直径为18～100um。
所述光源组件为波长850nm的面发射激光器VCSEL阵列芯片，所述光接收组件为波长为850nm的探测器阵列芯片。
光收发模块共有24路光收发通道，每个通道信号传输速率为10Gbps，支持传输120Gbps的信号。
一种所述的光收发模块的测试装置，包括：上盖、密封块、PCB支撑架、双极压块、测试PCB板以及供电电路；
测试PCB板上设置有外围接口，外围接口包括射频连接头、IC总线接口和USB通信接口；
光收发模块固定在PCB支撑架上，通过上盖和密封块配合，将光收发模块密封，FA光纤和MT接口伸出PCB支撑架外部；双极压块设置在PCB支撑架下部，供电电路通过双极压块对光收发模块供电，测试PCB板通过双极压块与光收发模块进行通信，测试PCB板通过射频连接头与外部射频测试设备连接，通过IC总线接口和USB通信接口实现上位机通信。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明致力于研制出一种更小封装、低功耗、高稳定性、满足高速率需求的多路并行光通信模块，上述光源驱动芯片与光收发模块的测试装置上的射频连接头、光源驱动芯片与光源组件、限幅放大器与光收发模块的测试装置上的射频连接头、限幅放大器与光接收组件等信号通道均采用信号完整性和电源完整性技术和仿真技术，实现高速数字电路的设计，光源组件和光接收组件采用光有源耦合和无源耦合技术分别与外部光纤实现信号传输。
(2)本发明实施例的光源驱动芯片采用自动光功率控制技术和全温阵列光源的温度补偿技术，实现宽温度范围数字光模块的稳定工作：通过对光收发模块进行温度试验，测量不同温度下的性能指标发现，当环境温度改变10℃以上时，光收发模块的光眼图会发生恶化，消光比变化较大。此时控制模块内部温度传感器的温度反馈值自行调整调制电流，从而确保光收发模块各项指标符合要求。
(3)本发明实施例的光源组件、光源驱动芯片、光接收组件和限幅放大器采用COB(chip on board)技术方案及微组装技术实现设计及组装生产，将未封装的半导体裸芯片用胶直接安装在PCB基板上，使用热超声键合把18～100um的金丝键合或点焊到裸芯片与基板的相应焊盘位置上，进而实现芯片组件之间的电气互联。
(4)本发明实施例设计了一款多芯光路耦合装置，为了实现多路光发射与接收，设计了一款45°24chsFA-24chsMT，通过45°角镜面方法实现了模块内部光信号的90°弯折对准。FA-MT光路组件主要由3部分构成:FA接口、FA光纤和MT接口，其中FA接口部分包括V型槽、盖板、透镜及FA光纤的裸光纤，入射光通过45度透镜后弯折90度进入外部光纤后传出，通过MT接口与外部光纤连接。
(5)本发明实施例采用有源光耦合技术和无源光耦合技术相结合的方式，实现了数字光模块的低损耗耦合对准。首先给模块供电使上述光源组件发光，在有源的情况下找到最佳焦距位，实现有源光耦合；然后配套的还需要设计相应的夹具固定FA-MT光路组件与PCB板，实现无源耦合对准。实现多个信道的光器件之间耦合，除了需要解决光束模式匹配和回馈光的影响等问题还需要考虑信道之间的串扰，各信道耦合效率的差异以及各信道输出光功率的一致性与单信道的光发射模块相比等问题。
(6)本发明实施例信号传输速率可达120Gbps，可以多通道同时传输数据，每通道速率为10Gbps。
(7)本发明实施例的光模块测试装置涉及的外围接口包括射频连接头SMA、I2C总线接口和USB通信接口，通过I2C总线可以实现在线调试程序。
附图说明
图1为本发明的光收发模块原理示意图。
图2为本发明的FA-MT光路组件光路耦合示意图。
图3为本发明的FA-MT光路组件结构示意图。
图4为本发明光收发模块及其测试装置结构分解图。
图5为本发明光收发模块及其测试装置结构示意图(俯视图)。
图6为本发明光收发模块及其测试装置结构示意图(仰视图)。
图7为本发明光收发模块主要组件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1和图2所示为本发明提供的一种光收发模块原理示意图，由图可知本发明包括：光源组件1、光源驱动芯片2、光接收组件4、限幅放大器5、处理器6、PCB板7、金线8、FA-MT光路组件9以及外部光纤10；
光源驱动芯片2在处理器6的控制下，通过驱动光源组件1将外部接收到的射频输入信号3转变为光信号，通过FA-MT光路组件9与外部光纤10连接，将光信号发射出去；
光接收组件4包括光电探测器和前置放大电路；通过外部光纤10输入进来的光信号先通过光电探测器转变为电信号，再经过前置放大电路进行信号放大后送入限幅放大器5，限幅放大器5在处理器6的控制下将信号限幅放大后输出射频输出信号11；
具体为：
光源组件1、光源驱动芯片2、光接收组件4、限幅放大器5、和处理器6均设置在PCB板7上，本发明实施例摒弃原有的分离器件设计方案，采用集成度更高的COB(chip onboard)技术实现光源组件1、光源驱动芯片2、光接收组件4、限幅放大电器TIA的互联，即将未经封装的IC裸片芯片直接组合到PCB上的技术。采用裸片的形式，由于去掉了大部分或全部的封装，即去掉了大部分或全部的寄生器件，可以改善IC信号性能。与其他封装技术相比，COB技术价格低廉、节约空间、工艺成熟。具体为采用红胶或黑胶将裸片固定在PCB板上，通过高精度贴装的方式，实现同聚合物反射镜的混合集成。
如图1和2所示，本发明实施例采用金丝键合技术通过金线实现裸片的电气互联：光源组件1与光源驱动芯片2通过金线8键合连接，光接收组件4与限幅放大器5通过金线8键合连接。
如图3，FA-MT光路组件9包括FA接口30、FA光纤110和MT接口26，FA-MT光路组件9的两端分别为FA接口30与MT接口26，通过FA光纤110连接为一体，光信号通过FA接口30后弯折90度送入FA光纤110。采用光路弯折方式实现光源组件、光接收组件同多模光纤的耦合，可以避免电路弯折引入较大电信号损耗，实现单通道10G信号传输。具体位置关系如图2所示。
FA接口30包括V槽25、盖板23、透镜及FA光纤110的裸光纤，裸光纤和透镜设置在V槽25内，盖板23压在V槽25外部，通过45°角镜面方法实现了模块内部光信号的90°弯折对准，即入射光通过透镜后弯折90度进入裸光纤后传出，通过MT接口与外部光纤连接。
优选的，本发明的FA光纤110和外部光纤10均为多模带状光纤。
还包括光源控制电路，光源控制电路包括自动功率控制电路和自动温度控制电路，采用单闭环控制法调节光源组件1的调制电流和偏置电流。
优选的，本发明的金丝8的直径为18～100um。
所述光源组件1为波长850nm的面发射激光器VCSEL阵列芯片，所述光接收组件4为波长为850nm的探测器阵列芯片。
光器件和芯片的高密度安装实现了小型化设计，但其会导致温度升高，对光模块的性能影响很大，本发明实施例的光源驱动芯片采用自动光功率控制技术和全温阵列光源的温度补偿技术，保证光功率变化被控制在较小的范围内。自动控制电路监测激光器背光电流，通过调节激光器的偏置电流来保持背光电流的稳定。
光收发模块共有24路光收发通道，每个通道信号传输速率为10Gbps，支持传输120Gbps的信号。
光收发模块的测试装置包括：上盖22、密封块24、PCB支撑架28、双极压块29、测试pcb板以及供电电路；将所述光收发模块、上盖22、密封块24、PCB支撑架28以及双极压块29等装配在一起，双极压块29的作用是实现光收发模块与测试PCB的电气连接，封装形式为BGA。
测试pcb板上设置有外围接口，外围接口包括射频连接头、I2C总线接口和USB通信接口；
光收发模块固定在PCB支撑架28上，通过上盖22和密封块24配合，将光收发模块密封，FA光纤110和MT接口26伸出PCB支撑架28外部；双极压块29设置在PCB支撑架28下部，供电电路通过双极压块29对光收发模块供电，测试pcb板通过双极压块29与光收发模块进行通信，测试pcb板通过射频连接头与外部射频测试设备连接，通过I2C总线接口和USB通信接口实现上位机通信。可以在线调试程序，大大提高了调试效率。
本实施例以图4所示的视图角度只是为了明确表明各组件之间的相对位置及连接关系，并不局限于此。
如图5和图6分别为本发明实施例的俯视图和仰视图，本发明实施例说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
所述PCB板7上各组件的位置关系如图7所示。
本发明实施例光模块及其测试装置的标准接口型号为SF2921-6920。
本发明实施例光模块正常工作的温度范围为：-40℃～85℃。
本发明实施例采用有源光耦合技术和无源光耦合技术相结合的方式，实现了数字光模块的低损耗耦合对准。首先给模块供电使上述光源组件发光，在有源的情况下找到最佳焦距位，实现有源光耦合；配套的还设计相应的夹具固定FA-MT光路组件与PCB板，实现无源耦合对准。实现多个信道的光器件之间耦合，除了解决光束模式匹配和回馈光的影响等问题还考虑了信道之间的串扰、各信道耦合效率的差异以及各信道输出光功率的一致性与单信道的光发射模块相比等问题。

Claims (5)

1.一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块，其特征在于包括：光源组件(1)、光源驱动芯片(2)、光接收组件(4)、限幅放大器(5)、处理器(6)、PCB板(7)、金线(8)、FA-MT光路组件(9)以及外部光纤(10)；
光源驱动芯片(2)在处理器(6)的控制下，通过驱动光源组件(1)将外部接收到的射频输入信号(3)转变为光信号，通过FA-MT光路组件(9)与外部光纤(10)连接，将光信号发射出去；
光接收组件(4)包括光电探测器和前置放大电路；通过外部光纤(10)输入进来的光信号先通过光电探测器转变为电信号，再经过前置放大电路进行信号放大后送入限幅放大器(5)，限幅放大器(5)在处理器(6)的控制下将信号限幅放大后输出射频输出信号(11)；
光源组件(1)、光源驱动芯片(2)、光接收组件(4)、限幅放大器(5)、和处理器(6)均设置在PCB板(7)上，其中，光源组件(1)、光源驱动芯片(2)、光接收组件(4)和限幅放大器(5)均为粘接在PCB板(7)上的裸芯片，光源组件(1)与光源驱动芯片(2)通过金线(8)键合连接，光接收组件(4)与限幅放大器(5)通过金线(8)键合连接；
所述FA-MT光路组件(9)包括FA接口(30)、FA光纤(110)和MT接口(26)，FA-MT光路组件(9)的两端分别为FA接口(30)与MT接口(26)，通过FA光纤(110)连接为一体，光信号通过FA接口(30)后弯折90度送入FA光纤(110)；
所述FA接口(30)包括V槽(25)、盖板(23)、透镜及FA光纤(110)的裸光纤，裸光纤和透镜设置在V槽(25)内，盖板(23)压在V槽(25)外部，入射光通过透镜后弯折90度进入裸光纤后传出；
还包括光源控制电路，光源控制电路包括自动功率控制电路和自动温度控制电路，采用单闭环控制法调节光源组件(1)的调制电流和偏置电流；
光收发模块的测试装置包括：上盖(22)、密封块(24)、PCB支撑架(28)、双极压块(29)、测试pcb板以及供电电路；将所述光收发模块、上盖(22)、密封块(24)、PCB支撑架(28)以及双极压块(29)装配在一起，双极压块(29)实现光收发模块与测试pcb板的电气连接，封装形式为BGA；
测试pcb板上设置有外围接口，外围接口包括射频连接头、I2C总线接口和USB通信接口；
光收发模块固定在PCB支撑架(28)上，通过上盖(22)和密封块(24)配合，将光收发模块密封，FA光纤(110)和MT接口(26)伸出PCB支撑架(28)外部；双极压块(29)设置在PCB支撑架(28)下部，供电电路通过双极压块(29)对光收发模块供电，测试pcb板通过双极压块(29)与光收发模块进行通信，测试pcb板通过射频连接头与外部射频测试设备连接，通过I2C总线接口和USB通信接口实现上位机通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块，其特征在于：FA光纤(110)和外部光纤(10)均为多模带状光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块，其特征在于：所述金线(8)的直径为18～100um。
4.根据权利要求1所述的一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块，其特征在于：所述光源组件(1)为波长850nm的面发射激光器VCSEL阵列芯片，所述光接收组件(4)为波长为850nm的探测器阵列芯片。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于BGA封装的高速多通道并行光收发模块，其特征在于：光收发模块共有24路光收发通道，每个通道信号传输速率为10Gbps，支持传输120Gbps的信号。
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