Y8T344 光器件封装的“电信号”连接
今天接着写光器件封装中的电连接，在形变这个章节里有聊过，光的难处，说电信号的连接是实打实的物理连接，对形变的要求不高，金属信号线允许一定的弹性形变或者塑性形变。
但是，电信号的难处也很多。各有各的难处。
先遥想当年，1960s时，用微波做信息的载波，还是用光波做信息的载波，开始了PK，微波射频的传输理论和光波的传输理论是一样的，有单模，有多模。为了控制微波的单模，为了控制光波的单模，是咱们产业之路趟过无数泪水的道路。
在光器件封装中，一方面光学要考虑两个层面，一个是载波，另一个是在光波上荷载/调制的信号（电磁）波
而电信号只需考虑信号的电磁波
当信号越来越高速，早些年的1.25Gbps啊，2.5Gbps啊，信号频率大约在~GHZ左右。而现在的单波100G bps，信号的频率大约在~30GHz左右了。从分米波到毫米波，对咱们电信号的传输，提出越来越苛刻的要求。
对电磁波而言，光波和高速的电信号，其实都是麦克斯韦方程式，他们的核心并没有什么区别，无非就是毫米波（高速电信号）和微米波（光载波）的区别，一样的要考虑这些电磁波的模式、干涉、衍射、折射、反射.....
电信号的单模与多模
电信号以前从来没考虑过“多模”是吧，只看到了高频电缆的信号线越来越细。为什么要变细？就是为了避免电磁波的高阶模，也就是所谓的多模。这和光纤是一个道理，单模光纤的纤芯比多模的直径要小。
用于1530nm波段以上的G.654的纤芯，和支持1260nm波长以上的G652的纤芯，看一下直径，652光纤的纤芯比654更细。原因是654光纤纤芯变粗一些，可以降低非线性效应，但是代价就是比1.53μm波长更小的那个1.31μm/1.26μm电磁波在654光纤中是个“多模”，所以就不让654光纤来传输O波段的信号。
同理，高频的电信号，频率越高，波长越短，那么信号线直径较大时，信号回流路径较长时，就不能保证高频信号的“单模”特性，就会激发出高阶模。
射频电缆，通常外边还有一个金属层，这是用来做信号回流的。
因为光的电磁波传输，并不借助正负电荷，所以不考虑这些，但现在光学器件封装，电信号的传输，借助了电荷的变化，这就需要回流。宏观上正电荷和负电荷的一样多的。那么，信号是正电荷，最好给它附近有另一个金属来容纳负电荷，反之亦然，那么为了避免高阶模的产生，这两层金属之间的距离就随着频率的增加而需要缩短。
这就是咱们看到的射频电缆，信号线越来越细，信号和屏蔽层（回流层）的间距也越来越短。
在电信号做平面布局时，经常会有一些等效变形设计，比如GSG的这个分布。在信号signal的周边尽量放置近距离的GND
EML的COC，这些见过的吧，低速不管，高速的GSG分布就需要考虑。
如上图，GND的覆盖不是全封闭的，那还可以等效。
这些都在公众号合集里见过的布局。
之前写过的用硅基V型槽沉积金属后倒扣焊在COC与PCB边缘
这个目的是一样的。在高频电信号周边放置GND当做信号回流面。
之前也写过EML的TOcan封装，高速EML中会看到高频信号过渡板
过渡板的制作，也是GSG，且GND的包裹范围尽量的大，距离尽量的近，目的是保证高频电磁波的单模特性。
这个形状，咱们在EML带TEC的TO管座上，也看到过吧。这就是个高速射频电缆啊。
高速接收端TOcan也经常见这种GSG高频引脚。
单端信号的GSG，在激光器的封装中用的比较多。接收端从PD+TIA出来后，差分信号就比较多了，大多数是GSSG的分布。
同样，在2021合集上册写过的交换机中用到的差分射频高速电缆，里边是4根铜线，GSSG的分布，俩S是差分信号。
接收端，首先看到的是高频信号线变细了
其次，GSSG的分布结构
他们的切面设计
电信号的传输长度控制
在低速光模块，比如现在的GPON ONU，还有很多厂家直接把光学器件的引脚焊在PCB板上，起到电连接的作用。
当然，也仅仅起到连接作用，既无需考虑高频的电信号损耗，也无需考虑高频电信号的“单模”需要的短距离回流路径。
后来的10G、25G、100G的各种光学封装中，就有了柔性板的应用。
柔性板的柔，是一个特点，用于弯曲，来适应光模块内部的空间变化，其次是信号可以实现GSG，或者GSSG的电磁波共面波导设计。
这个结构考虑的高频特性的电磁波导，但是，没有考虑损耗。在电信号连接过程中，信号会存在传输线损耗与介电损耗（绝缘介质的损耗）。
传输线的损耗，频率越高，损耗越大，这是因为高速信号存在一个交变电场，这个电场会感应出磁场，磁场又会感应出一个电场。
信号本身的 电场与电磁电感应的那个电场，在导体的中间是矢量相反的，二者会正负相消，所以越是高频，越是存在信号趋于表面的现象，俗称趋肤效应。由此导致损耗增加。
其次是绝缘介质的损耗，与介电常数和频率相关，介质中存在感应电荷，这些电荷一会儿正一会儿负，不断变化，内部分子产生热量，消耗了咱们原本就不多的电信号能量。
要考虑电信号的高频损耗，有两个选择
第一，把信号幅度再次提高，来适应损耗较高的高速场景。
第二，把信号线缩短，咱刚才说的是损耗较高，是同样长度下的损耗，用的单位是dB/cm，缩短传输线距离，则总损耗降低。
刚才说把光器件直连，改成柔性板，长度并没有减少，COP、Flip chip、COW等工艺，是把信号线缩短了。
COP的工艺，光信号和电芯片DRV、TIA等距离很近。彻底把柔性板去掉了。目的是降低高频传输时的电信号的损耗。
见过EML的COP，之前也见过这个，2021合集里的，DML的COP
光学的部分
光芯片与电芯片的连接，既没有TO这些外封装导致的长信号线，也没有柔性板导致的长信号线。
EML，在ECOC2022 的PPT汇总中，写过华为等公司单波200G EML采取的台阶基板，OFC2022的PPT汇总里，写过Lumentum的EML COC技术。这些的目的，也是为了降低金丝长度，这一小段没办法做好第一项提及的电磁波的回流，只好尽量降低长度，从而降低高频趋肤效应导致的损耗。
金丝键合，降低长度降低拱高，是常见思路。
平板陶瓷基板，EML信号有一个厚度，大约100μm，这会导致金丝的长度较长。
台阶基板，可以把金丝长度降低到100-200μm之间，对高速光学芯片封装更有利。
Flip Chip，就是翻个面的意思，彻底取消金丝，采用焊接方式，这个距离就更短了。
当然，做器件封装，不仅仅考虑一个事情，短是短了，可金属熔融焊接时的高温，液体金属，气体氛围，高低温剧烈变化的内应力....，都极易污染或损坏我们的光学腔。
信号完整性还包括反射
都是电磁波，在光学里在电学里，道理一样的，当光路传播路径中遇到折射率突变时，光这个电磁波前向传输损耗增加，反射量增加。反射的光叠加在原有信号上，出现RIN增大的现象，其实就是噪声增大了。
电学也是一样的，遇到阻抗突变，前向传输的电信号损耗增大，反射量导致的信号噪声也变大了。同时劣化了咱们的信号质量。所以要控制反射，就得控制阻抗的不连续性越小越好。
阻抗不连续的点在整个的连接路径中无处不在，比如键合金丝的那个凸点，就是典型的阻抗突变点，用楔形焊接可以缓解一下突变的程度。
比如咱们的柔性板焊接点，也是典型的阻抗突变点。BOX、柔性板与PCB的焊点存在不连续。
TOcan与柔性板的焊点，也一样存在不连续阻抗。
TO的引脚本身，可能就存在设计上的结构突变，导致阻抗不连续。
阻抗不连续，虽然很让人烦躁，但是呢，阻抗是可以补偿的，反过来乐观一点，这也是个好事情。
阻抗的公式中，电容和电感可以互为补偿，但是我们光器件封装用金丝做线路键合工艺比较多，这会寄生一个电感，通常就表述成用电容来补偿电感。
电容和电感，就是水多了加面，面多了加水，总能找到一个平衡点。比如刚才说的TO引脚，
就可以综合考虑寄生电容与寄生电感的相互作用，来缓解阻抗不连续导致的反射。
在BOX的焊接中，可以利用平面布线，来做一个电容
PCB过孔的寄生电感，也可以利用PCB的铜箔，在底部做一个电容，这些在合集里都写过的。
高速PD和TIA做金丝键合时，旁边那个电容，就可以用来做金丝寄生电感的补偿作用。
小结一下，就三点
高频电信号，电磁波波长降低导致整体设计按比例收缩，比如高频导线更细，回流路径更短。
高频电信号，导体的传输线损耗增大，介电损耗增大，需要降低传输线长度。
高频电信号，阻抗不连续给信号质量带来极大的影响，需要考虑阻抗连续性设计，或补偿。
