宇航用抗辐射光收发器件的技术特性与标准研究

0 引 言

宇航任务特别是星载传输中需要传输大量的高分辨 率的图像、科学探测等数据,同时面临通信距离远、电磁干 扰强等关键难题^[1-3]。目前,传统的通信方式难以满足日 益增长的数据传输需求^[4]。多通道光收发模块作为一种 用于光通信系统的关键设备,可以同时处理多个传感器的 数据传输、多个频段的通信信号或者不同方向的通信链 路,能够提供高速、大容量的数据传输通道,满足数据的实 时传输要求^[5]。光信号的固有特点使光收发模块可以实 现宇航环境中的远距离稳定通信,有效保障了宇航数据传 输的稳定有效。

为抢占空间光通信的战略高点,1992年,美国国家航 空航 天 局 (NASA)率 先 在 宇 宙 飞 船 项 目 “TheSolarAnomalousandMagnetosphericParticleExplorer”中运用光 模块完成光纤数据总线传输。2009年,Spacephotonics公 司为 NASA 提供了高速率光收发模块,并于同年11月应 用于国际空间站。我国高速传输光收发模块产品研发尚 处于起步阶段,且尚未建立光收发模块产品标准参数体系 和考核项目设计方法^[7-8]。

本文针对宇航通信需求,介绍了我国自主研发的面向 宇航应用的高可靠抗辐照12路光收发模块,对产品应用 需求以及产品特性进行总结,并归纳分析了产品标准正向 设计的思路及后续发展建议。

1 宇航用光模块产品需求

在星载传输方面,传统射频通信技术成熟、成本低,在 近地轨道一般性星载传输中有应用,但短板突出。其传输 速率与带宽受限,面对星载大量数据传输效率低;远距离 通信时信号衰减大,如深空任务需高功率维持却仍难保障 通信稳定,且易受电磁干扰致数据错误;射频设备体积和 重量大,占用星载平台资源多。宇航用光模块优势显著, 具备高传输速率与大带宽,多通道并行传输可高效处理星 载数据。光信号低衰减,远距离星载通信稳定准确,抗电 磁干扰能力强,在复杂宇航环境中保障通信可靠与数据完 整。光模块体积小、重量轻,节省星载平台空间与载荷,功 耗相对较低,有利于能源管理与系统长期稳定运 行。可 见,宇航用光模块在星载传输的多方面优于传统射频通 信,更契合现代星载传输高标准需求,对星载通信技术发 展意义重大^[9]。

传统商用光收发模块难以适应宇航特殊要求的抗辐 照、极限温度、振动冲击等应用环境需求。在某工程中,为 实现高带宽(1~10Gb/s)、高集成、低重量、远传输距离、 抗干扰能力强的传输需求,某元器件研制单位设计开发了 一款面向宇航应用的抗辐照12路并行光收发模块。该光 模块应用于星载舱内环境,环境温度一般为-35~70 ℃。 由于用户需求场景不同,光模块引出的光纤部分分为J型 (扁纤)和JYJ型(圆纤)两种形式,J型不可左右弯曲,适 用于用户与连接器近距离安装的使用场景;JYJ型可进行 四向弯曲,适用于用户与连接器远距离安装的使用场景。

2 产品分析

2.1 功能性能分析

本文研究的光模块属于混合电路,有发射、接收、传输、控制等功能,相较于光耦,其内部结构更加精密,技术 集成度更高,在信号处理与传输性能上展现出显著优势, 光模块结构如图1所示。根据功能的不同,产品分为光发 射模块与光接收模块两种。

2.1.1 光发射模块

光发射模块采用12路驱动芯片+12路 VCSEL激光 器的方案,主要由发射驱动芯片、激光器(VCSEL)和控制 电路构成,可实现高速多路并行电 光转换传输功能,工作 原理框图如图2所示。当高速差分数字信号电接口输入 时,驱动芯片将0、1编码的电信号调制到光信号上,激光 器阵列发出的光通过直接耦合的形式进入光纤,通过光纤 传输至接收端,完成信号的电-光转换。

2.1.2 光接收模块

光接收模块采用12路接收驱动芯片+12路 PD 阵列 的方案,主要由接收驱动芯片、探测器(PD)和控制电路组 成,可实现高速多路并行光 电转换传输功能,工作原理框 24 集成电路与嵌入式系统 图如图3所示。当光纤中含有调制信息的光信号通过直 接耦合的形式到达探测器阵列时,探测器阵列将光信号转 换为微弱的电流信号,经过接收驱动芯片的放大、整形、滤 波、限幅,最终输出标准电平的电信号,完成信号的光-电转换。

两款光模块产品的信号传输速率可达10.3125Gb/s,能 够快速传输大量数据,降低数据传输延迟,提高整个系统的 运行效率;12通道的设计极大增加了数据传输的容量和 并行处理能力,使得在同一时间内可以传输更多的数据, 适用于多用户、多任务的复杂通信环境;工作温度范围为 -50~105 ℃,能够在宇航极端恶劣的温度条件下保证设备的正常运行,宽温度适应性降低了因温度变化导致设备 故障的风险,提高了设备的可靠性和稳定性,减少了维护 成本和停机时间;光模块在发射和接收信号时具有较高的 功率和灵敏度,平均发射光功率为-3~3dBm,接收灵敏 度-11dBm@BER 小于等于1×10-¹²,光信号在传输过 程中衰减较小,确保了信号的传输质量。

2.2 质量可靠性分析

2.2.1 可靠性设计

光收发模块的可靠性设计最终目标是器件寿命达到 15年,为实现这一目标,产品在结构设计、工艺、材料选择 方面均进行了相关设计。

在结构设计上,主要包含金属壳体与光纤两大关键部 分,光纤采用穿舱方式从金属壳体的侧壁导出,光纤与壳 体内部的衔接处通过金属焊料实施密封焊接,在光纤的外 部则利用热缩套实现保护与固定。

在工艺方面,采用金丝键合构建高效且稳定的信号传 输与处理链路,确保光模块能够在复杂的工作环境下精准 完成光信号的收发与处理任务。采用金属蝶形封装,运用 平行缝焊工艺进行密封。

在材料选择方面,金属壳体选用可伐合金,具备卓越 的热膨胀系数匹配特性以及出色的密封性能;光纤选用的是12芯多模 OM3抗辐射带状光纤,具备出色的抗辐射性 能;底板采用高导热钼铜材料,具备优异的热传导性能,保障器件在适宜的温度范围内稳定运行;镀层采用镍和金, 镍金镀层具有极佳的导电性与抗氧化性,可以延长器件的 使用寿命与可靠性周期;热缩套采用硅橡胶材质,可以保 障产品在极端温度环境下性能稳定

2.2.2 可靠性模型

在工作原理上,光收/发模块的内部元器件在电路功 能上是相对独立的,其中任一元器件失效都将造成整个光 模块的失效。因此光收/发模块的可靠性模型是一个串联 模型,如图4所示。

2.2.3 密封特性

(1)壳体与电引脚之间的密封

壳体 内 外 的 电 气 连 接 通 过 高 温 共 烧 陶 瓷 HTCC 实 现,保证高速引脚与壳体间气密密封的同时,满足绝缘电 性能要求。密封示意图如图5所示。

(2)并带光纤气密密封

二氧化硅材质的光纤因无法与金属直接熔接密封,故 需对其表面采用特殊工艺处理以形成过渡粘结金属,进而 借助钎焊与外壳焊接达成气密性。

2.2.4 寿 命

为保障星载装备寿命周期内光模块能稳定工作,需对 光模块的寿命进行考核。由于光模块同时受温度应力及电应力影响,因此选择 Eyring寿命模型,计算光模块稳态 寿命试验的考核要求为105 ℃、1000小时。通过统计多 批次产品的老炼和强化寿命试验前后的测试数据,结合光 模块整体光链路的指标要求及特点,选取接收灵敏度、电 源静态电流、电源动态电流、接收使能引脚输入漏电流作 为光模块寿命试验前后光电参数允许变化量分析指标。

在产品典型应用环境下,壳温为105 ℃时,光发射模 块的工作失效率为:

λ_PS =∑N_iλ_Pi(i=1,2,…,9)=7.154288(10^-6/h)

按照上述计算结果,平均故障间隔时间 MTBF 的理 论值为:

MTBF=1/(7.154288×10^-6/h)=139776.3h

光接收模块的工作失效率为:

λ_PS =∑N_iλ_Pi(i=1,2,…,9)=2.909909(10^-6/h)

按照上述计算结果,平均故障间隔时间 MTBF 的理 论值为:

MTBF=1/(2.909909×10^-6/h)=343653.3h

经过一系列可靠性设计,两款光模块产品的使用寿命 均超过15年,可靠性较高。

2.3 应用环境适应性分析

2.3.1 抗辐照特性

在空间环境中,光模块面临着强辐射等极为严苛的应 用环境,这对光模块的性能提出了较高要求。针对光模块 内部驱动寄存器翻转问题,采用专用的抗辐照 ASIC控制 器进行加固设计。

通过一系列抗辐照加固设计,光模块的抗总剂量能力 达到 TID≥100krad(Si),单 粒 子 闩 锁 阈 值 达 到 SEL≥ 75 MeV·cm²/mg,且位 移 损 伤 试 验 的 辐 照 剂 量 不 小 于 5×10 11/cm²。产品具有良好的抗辐照性能,能够满足在 宇航强辐射环境下的应用要求。

2.3.2 温度适应性

光模块应用于星载舱内环境,环境温度一般为-35~ 70 ℃。光 模 块 在 TC =105 ℃ 时,内 部 芯 片 温 度 可 到 达 110 ℃,同时光模块内部所用粘接胶的温度也超过110 ℃。 为保证所用粘接胶的可靠性,将光模块工作温度上限定为 TC=105 ℃。军品元器件低温下限一般为-55 ℃,为保证 产品低温可靠性,将光模块的工作温度下限设置为-50℃。

2.3.3 机械应力适应性

在航天器发射升空、空间飞行器对接等过程中,要能 经受住强烈的冲击与振动考验。对于J型(扁纤)尾纤,在 机械特性方面,其厚度公差需控制在±0.03mm 以内,宽 度公差在±0.1mm 以内,以确保其在连接时的紧密性和稳 定性;对于JYJ型(圆纤)尾纤,其外径公差控制在±0.02mm 以内,其拉伸强度应能承受至少15N 的拉力而不断裂,以 适应在宇航环境中可能遇到的机械应力。

3 标准制定研究

3.1 产品类别界定与总规范选择

本产品属于新型半导体光电模块,从标准体系层面考 量,采用半导体光电模块的通用规范作为标准编制总规 范。考虑到产品的宇航应用背景,在产品详细规范编制过 程中参考 宇 航 用 半 导 体 集 成 电 路 通 用 规 范 的 部 分 考 核 要求。

3.2 指标体系设计 光发射模块和光接收模块分别可实现高速多路并行 电 光转换和光 电转换传输功能,结合光模块使用场景, 两款产品还具备监测、告警、控制等功能,其指标体系建立 情况如表1所列。

由表1可知,参数指标主要分为3类:发射/接收光电 特性参数,监测、告警、控制等功能参数,电源、功能、差分 等引脚的电特性参数。

(1)光电特性参数

① 发射光电特性参数包括平均发射光功率、消光比、 抖动、上升/下降时间等。实现光模块的高速多路并行电 光转换传输功能,能基本判断器件功能和性能是否合格, 且初步指导用户应用。

② 接收光电特性参数包括抖动、上升/下降时间、接 收灵敏度等。实现光模块的高速多路并行光-电转换传 输功能,能基本判断器件功能和性能是否合格,且初步指 导用户应用。

(2)功能参数

功能参数包括功能引脚的输入、输出高低电平和使能 电压阈值等,实现光模块在使用场景中的监测、告警、控制 等功能,对光模块的试验状态进行控制和反馈。

(3)电特性参数

电特性参数包括输入漏电流、输入/输出电平等参数, 对光模块本身的电性能进行表征。

3.3 考核要求设计

3.3.1 筛 选

筛选的目的是剔除早期失效,释放应力,使产品趋于 稳定。目前光收发模块主要存在以下几种失效模式:

① 外观不合格。光收发模块的光纤接口断面精密, 在工业环境中,生产过程中产生的污染以及划痕会对光传 输产生显著影响,降低传输效率。

② 电参数退化。若光模块散热系统不完善,在高温 应力下,芯片内部电子迁移速率加快,增加了电子与晶格 原子的碰撞概率,使得芯片的电阻增大,导致产品电参数 退化,影响光收发效率。

③ 光学性能退化。光功率衰减是常见的情况。随着 时间推移,有源区材料老化,使得光功率降低,影响信号传 输距离和强度。

④ 封装失效。光纤与光器件的耦合处出现松动或偏 移,会增大插入损耗,影响光信号的耦合效率。

针对上述失效,设置了相应的筛选试验项目。针对外 观不合格,设置外部目检,确认产品的外观、标志等没有问 题;针对电参数退化,设置温度循环和老炼试验,使得散热 系统不完善的产品在高温作用下芯片电阻增大,发生化学 键断裂,从而剔除早期失效;针对光学性能退化,设置老炼 后光电参数测试;针对封装失效,设置密封试验等。

3.3.2 鉴定检验及质量一致性检验

通过严格的鉴定检验,能够全面、深入地评估产品是 否真正满足宇航应用的高标准设计要求,是否具备在复杂 恶劣宇航环境中可靠运行的能力,监控产品在批量生产过 程中的质量稳定性,有效保障宇航任务的连续性与安全 性。鉴定检验的目的是证明产品可能达到的能力,因此试 验项目最全,试验应力最大。

以半导体光电模块通用规范为基础,参考宇航用半导 体集成电路通用规范中抗辐照等特殊要求,针对光模块不 同失效模式,分组设计考核重点,采用“确认检验 激发缺 陷 检验缺陷”三步走的方式,设置考核项目。

A 组检验为光电性能测试,包括三温下的静态测试、 动态测试和功能测试。

B组检验为 外 形、结 构 相 关 的 考 核,包 括 外 形、可 焊 性、键合强度,以及静电放电敏感性的考核。

C组检验重点考核寿命可靠性,采用微电子器件试验 方法1005,在T=105 ℃的条件下,开展1000小时稳态 寿命试验,试验后开展内部水汽含量测试和内部结构测 试,检验寿命后产品的失效情况。

D组检验针对材料、工艺进行相应的考核,开展力、热 等环境适应性试验,包括温度循环、机械冲击、随机振动、 引线牢固性等。D 组检验为周期性考核,结合总规范、宇 航应用环境要求以及用户供货周期,将 D 组检验周期定 为6个月。

E组为抗辐照能力考核,开展稳态总剂量、单粒子和 位移损伤试验。

3.3.3 使用方验收

使用方验收依据总规范和用户需求开展,除了对产品 的常规性能指标进行复核外,还重点关注产品包装完整 性、附带文件的准确性与完整性等,除此之外,还应重视 DPA 试验,应在使用方认可的实验机构进行,或在有使用 方验收人员参加的情况下开展。

4 结 论

新型光模块在宇航应用中具有广阔的前景,小型化、 集成化和智能化为未来研究趋势,将为宇航通信提供有力 支持。本文以宇航用抗辐照12通道光收发模块为例,深 入剖析了产品的功能性能、质量可靠性和环境适应性,并 结合宇航用户需求,分析了标准设计思路,为后续光模块 设计、评价及标准编制提供可借鉴的范例。

参考文献

[1]王亚男,张洪伟,王文炎,等.一种蝶形封装多路光收发模块 可靠性评价与应用研究[J].电子与封装,2024,24(8):29 35.DOI:10.16257/j.cnki.1681 1070.2024.0092.

[2]胡亮,王波.基于 CWDM 的 10Gb/sSFP+光模块设计[J]. 27 集成电路与嵌入式系统 通信技术,2020,53(8):2064 2069.

[3]杨松,李佼洋,蔡志岗.100GSR4 并行光模块光电子集成封 装的研究[J].现代电子技术,2019,42(3):152 156.

[4]杨鹏毅,汪梦瑶,姚宗影,等.一种并行多路数字光模块的设 计与实现[J].激光与红外,2023,53(8):1240 1244.

[5]ARIMOTO YOSHINORI,TOYOSHIME MORIO,TOYODA MASAHIRO.PreliminaryResultonLaserCommunicationExperimentUsingengineeringtestsatellite VI(ETS VI)[R].Free SpaceLaserCommunication Technologies VII.Bellingham:SPIE,1995.

[6]马晶,李密,谭立英,等.卫星光通信中空间辐射对 EDFA 性 能的影响分析[J].宇航学报,2009,30(1):250 254.

[7]姜会林,佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京:国防 工业出版社,2010. JIANG H L,TONGSF.SpaceLaserCommunicationTechnologyandSystems[M].Beijing:NationalDefenseIndustry Press,2010(inChinese).

[8]王佳,俞信.自由空间光通信技术的研究现状和发展方向综 述[J].光学技术,2005,31(2):259 262.

[9]何晓垒,张凤军,唐骁.小型化抗辐照 DWDM 光收发模块研 究[J].光通信技术,2017,41(7):29 32.DOI:10.13921/j. cnki.issn1002 5561.2017.07.008.

2025年第1期第4篇