光器件封裝詳解

1、-作者xxxx-日期xxxx光器件封裝詳解【精品文檔】產(chǎn)品名稱無產(chǎn)品版本共28頁無有源光器件的結(jié)構(gòu)和封裝分析：日期：擬制：日期：審核：日期：批準(zhǔn)：日期：【精品文檔】目 錄1有源光器件的分類52有源光器件的封裝結(jié)構(gòu)5光發(fā)送器件的封裝結(jié)構(gòu)6同軸型光發(fā)送器件的封裝結(jié)構(gòu)7蝶形光發(fā)送器件的封裝結(jié)構(gòu)7光接收器件的封裝結(jié)構(gòu)8同軸型光接收器件的封裝結(jié)構(gòu)8蝶形光接收器件的封裝結(jié)構(gòu)9光收發(fā)一體模塊的封裝結(jié)構(gòu)919和29大封裝光收發(fā)一體模塊9GBIC（Gigabit Interface Converter）光收發(fā)一體模塊10SFF（Small Form Factor）小封裝光收發(fā)一體模塊11SFP（Small Fo

2、rm Factor Pluggable）小型可插拔式光收發(fā)一體模塊12光收發(fā)模塊的子部件123有源光器件的外殼14機(jī)械及環(huán)境保護(hù)14熱傳遞14電通路15玻璃密封引腳15單層陶瓷15多層陶瓷16同軸連接器16光通路17幾種封裝外殼的制作工藝和電特性實(shí)例18小型雙列直插封裝（MiniDIL）18多層陶瓷蝶形封裝（Multilayer ceramic butterfly type packages）19射頻連接器型封裝204有源光器件的耦合和對準(zhǔn)20耦合方式20直接耦合21透鏡耦合22對準(zhǔn)技術(shù)22同軸型器件的對準(zhǔn)22雙透鏡系統(tǒng)的對準(zhǔn)23直接耦合的對準(zhǔn)235有源光器件的其它組件/子裝配23透鏡23熱電

3、制冷器（TEC）24底座25激光器管芯和背光管組件256有源光器件的封裝材料26膠26焊錫27搪瓷或低溫玻璃27銅焊287附錄：參考資料清單28有源光器件的結(jié)構(gòu)和封裝關(guān)鍵詞：有源光器件、材料、封裝摘 要：本文對光發(fā)送器件、光接收器件以及光收發(fā)一體模塊等有源光器件的封裝類型、材料、結(jié)構(gòu)和電特性等各個方面進(jìn)行了研究，給出了詳細(xì)研究結(jié)果?？s略語清單：無縮略語英文全名中文解釋1 有源光器件的分類一般把能夠?qū)崿F(xiàn)光電（O/E）轉(zhuǎn)換或者電光（E/O）轉(zhuǎn)換的器件叫做有源光電子器件，其種類非常繁多，這里只討論用于通信系統(tǒng)的光電子器件。在光通信系統(tǒng)中，常用的光電子器件可以分為以下幾類：光發(fā)送器件、光接收器件、光發(fā)

4、送模塊、光接收模塊和光收發(fā)一體模塊。光發(fā)送器件一般是在一個管殼內(nèi)部集成了激光二極管、背光檢測管、熱敏電阻、TEC制冷器以及光學(xué)準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)等元部件，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的功能，最少情況可以只包含一個激光二極管。而光發(fā)送模塊則是在光發(fā)送器件的基礎(chǔ)上增加了一些外圍電路，如激光器驅(qū)動電路、自動功率控制電路等，比起光發(fā)送器件來說其集成度更高、使用更方便。光接收器件一般是在一個管殼內(nèi)部集成了光電探測器（APD管或PIN管）、前置放大器以及熱敏電阻等元部件，實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的功能，最少情況可以只包含一個光電探測器管芯。光接收模塊則是在光接收器件的基礎(chǔ)上增加了放大電路、數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)電路等外圍電路，同樣使用起來更加方便。

5、把光發(fā)送模塊和光接收模塊再進(jìn)一步集成到同一個器件內(nèi)部便形成了光收發(fā)一體模塊。它的集成度更高，使用也更加方便，目前廣泛用于數(shù)據(jù)通信和光傳輸?shù)阮I(lǐng)域。2 有源光器件的封裝結(jié)構(gòu)前面提到，有源光器件的種類繁多且其封裝形式也是多種多樣，這樣到目前為止，對于光發(fā)送和接收器件的封裝，業(yè)界還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個廠家使用的封裝形式、管殼外形尺寸等相差較大，但大體上可以分為同軸型和蝶形封裝兩種。而對于光收發(fā)一體模塊，其封裝形式則較為規(guī)范，主要有19和29大封裝、25和210小封裝（SFF）以及支持熱插拔的SFP和GBIC等封裝。圖2.1 光通信系統(tǒng)常用的兩種封裝類型的有源光器件光器件與一般的半導(dǎo)體器件不同，它除了含

6、有電學(xué)部分外，還有光學(xué)準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)，因此其封裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且通常由一些不同的子部件構(gòu)成。其子部件一般有兩種結(jié)構(gòu)，一種是激光二極管、光電探測器等有源部分都安裝在密閉型的封裝里面，同一封裝里面可以只含有一個有源光器件，也可以與其它的元部件集成在一起。TO-CAN就是最常見的一種，如圖2.2所示，它管帽上有透鏡或玻璃窗，管腳一般采用“金屬玻璃”密封。這種以TO-CAN形式封裝的部件一般用于更高一級的裝配，例如可以加上適當(dāng)?shù)墓饴窚?zhǔn)直機(jī)構(gòu)和外圍驅(qū)動電路構(gòu)成光發(fā)送或接收模塊以及收發(fā)一體模塊。圖2.2 TO-CAN封裝外形和結(jié)構(gòu)圖另一種結(jié)構(gòu)就是將激光器或者探測器管芯直接安裝在一個子裝配上（submount）

7、，然后再粘接到一個更大的基底上面以提供熱沉，上面可能還有熱敏電阻、透鏡等元件，這樣的單元一般稱為光學(xué)子裝配（OSA：optical subassembly）。光學(xué)子裝配一般又分為兩種：發(fā)送光學(xué)子裝配（TOSA）和接收光學(xué)子裝配（ROSA），圖2.3就是一個典型的蝶形封裝用發(fā)送光學(xué)子裝配實(shí)物圖。光學(xué)子裝配通常安裝在TEC制冷器上或者直接安裝在封裝殼體的底座上。圖2.3 光學(xué)子裝配（OSA）2.1 光發(fā)送器件的封裝結(jié)構(gòu)光發(fā)送器件的封裝主要分為兩種類型：同軸型封裝（coaxial type package）和蝶形封裝（butterfly type package）。同軸型封裝一般不帶制冷器，而蝶形封

8、裝根據(jù)需要可以帶制冷器也可以不帶制冷器。2.1.1 同軸型光發(fā)送器件的封裝結(jié)構(gòu)同軸型封裝光發(fā)送器件的典型外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，從圖中可知，同軸型光發(fā)送器件主要由TO-CAN、耦合部分、接口部分等組成。其中TO-CAN是主要部件，它的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和外形，從圖中可見激光器管芯和背光檢測管粘接在熱沉上，通過鍵合的方法與外部實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，并且TO-CAN一定要密閉封裝。耦合部分一般都是透鏡，透鏡可以直接裝在TO-CAN上，也可以不裝在TO-CAN上，而裝在圖2.4中所示的位置。接口部分可以是帶尾纖和連接器的尾纖型，也可以是帶連接器而不帶尾纖的插拔型（根據(jù)具體的應(yīng)用來選擇）。尾纖的固定一般采用環(huán)氧樹脂粘接或者采用

9、激光焊接，另外可以使用單透鏡結(jié)構(gòu)或者直接在光纖端面制作透鏡的方法來提高耦合效率。圖2.4 同軸型激光器外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.1.2 蝶形光發(fā)送器件的封裝結(jié)構(gòu)蝶形封裝因其外形而得名，這種封裝形式一直被光通信系統(tǒng)所采用。根據(jù)應(yīng)用條件不同，蝶形封裝可以帶制冷器也可以不帶。通常在長距光通信系統(tǒng)中，由于對光源的穩(wěn)定性和可靠性要求較高，因此需要對激光器管芯溫度進(jìn)行控制而加制冷器，對于一些可靠性要求較低的數(shù)據(jù)通信或短距應(yīng)用的激光器就可以不加制冷器。圖2.5是蝶形封裝的常見結(jié)構(gòu)，它在一個金屬封裝的管殼內(nèi)集成了半導(dǎo)體激光器、集成調(diào)制器、背光檢測管、制冷器、熱敏電阻等部件，然后通過一定的光學(xué)系統(tǒng)將激光器發(fā)出的光信號

10、耦合至光纖。一般光路上有兩個透鏡，第一透鏡用于準(zhǔn)直，第二透鏡進(jìn)行聚焦，當(dāng)然也可以使用錐形光纖或者在尾部制作了透鏡的光纖進(jìn)行耦合。光纖的耦合可以在殼體外部完成也可以采用伸入殼體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。圖2.5 帶制冷器的蝶形封裝光發(fā)送器件外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖 兩種不同耦合方式的蝶形封裝光發(fā)送器件結(jié)構(gòu)圖2.2 光接收器件的封裝結(jié)構(gòu)與光發(fā)送器件一樣，光接收器件的封裝類型也主要是同軸型和蝶形兩種。2.2.1 同軸型光接收器件的封裝結(jié)構(gòu)同軸型封裝光接收器件的典型外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.7所示，從圖中可知，同軸型光接收器件主要由TO-CAN、耦合部分、接口部分等組成。TO-CAN是主要部件，里面集成了探測器（PIN或者A

11、PD）圖2.7 同軸型光接收器件外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和前置放大器，通過鍵合的方法與外部實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，并且一定要密閉封裝。然后它和金屬外殼、透鏡、尾纖等組件通過焊接或粘接的方法固定在一起。耦合部分一般都是透鏡，透鏡可以直接裝在TO-CAN上，也可以不裝在TO-CAN上。接口部分可以是帶尾纖和連接器的尾纖型，也可以是帶連接器而不帶尾纖的插拔型（根據(jù)具體的應(yīng)用來選擇）。尾纖的固定一般采用環(huán)氧樹脂粘接或者采用激光焊接，另外可以使用單透鏡結(jié)構(gòu)或者直接在光纖端面制作透鏡的方法來提高耦合效率。2.2.2 蝶形光接收器件的封裝結(jié)構(gòu)蝶形封裝光接收器件的典型外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.8所示，它主要有兩種結(jié)構(gòu)。一種是使用同軸型

12、封裝的探測器加上相應(yīng)的放大電路等構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)對管殼的密封性要求不高；另外一種就是將探測器以及放大電路等組件做在同一個殼體中實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)要求管殼是全密閉封裝。圖2.8 蝶形封裝光接收器件外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3 光收發(fā)一體模塊的封裝結(jié)構(gòu)光收發(fā)一體模塊就是將光發(fā)送和光接收兩部分集成在同一個封裝內(nèi)部構(gòu)成的一種新型光電子器件，它具有體積小、成本低、可靠性高以及較好的性能等優(yōu)點(diǎn)。它一般由發(fā)送和接收兩部分構(gòu)成，發(fā)送部分輸入一定碼率的電信號（155M、622M、等）經(jīng)內(nèi)部驅(qū)動芯片處理后，驅(qū)動半導(dǎo)體激光器（LD）或發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號，并且其內(nèi)部帶有光功率自動控制電路，使輸出的光功

13、率保持穩(wěn)定。在接收部分，一定碼率的光信號輸入模塊后由光探測二極管轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)前置放大器處理后輸出相應(yīng)碼率的電信號，輸出的電信號一般為PECL電平，同時在輸入光功率小于一定值后會輸出一個無光告警信號。光收發(fā)一體模塊封裝有著比較規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，目前主要有以下一些形式：19 footprint、29 footprint、GBIC（Gigabit Interface Converter）Transceiver、SFF（Small Form Factor）以及SFP（Small Form Factor Pluggable）。其中1X9和2X9兩種封裝為大封裝，小封裝的有2X5和2X10 SFF兩種。

14、光接口有SC、MTRJ、LC等形式。2.3.1 19和29大封裝光收發(fā)一體模塊 大封裝的有1X9和2X9兩種封裝，2X9的前一排9個管腳與1X9的完全兼容，另外9個管腳有激光器功率和偏置監(jiān)控以及時鐘恢復(fù)等功能（2X9封裝雖然帶偏置和功率監(jiān)控以及時鐘恢復(fù)，但由于無國際標(biāo)準(zhǔn)支持，為非主流產(chǎn)品，使用較少，生產(chǎn)廠家也少，且目前部分廠家已停產(chǎn)）。光接口一般采用無尾纖SC接頭，但也有少量廠家生產(chǎn)ST接口和帶尾纖的FC、SC接頭。模塊內(nèi)部主要由兩大部分組成：發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分由同軸型激光器（它的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和封裝參見2.1.1節(jié)）、驅(qū)動電路、控制電路等幾部分構(gòu)成，有些模塊還具有發(fā)送使能、檢測輸出以及自

15、動溫度補(bǔ)償?shù)龋唤邮詹糠种饕蒔IN-FET前放組件（它的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和封裝參見2.2.1節(jié)）和主放電路兩部分組成，并具有無光告警；模塊內(nèi)部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，圖中左邊是大封裝模塊的典型外形圖，右邊是兩個不同廠家模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（19封裝和29封裝模塊的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)一樣）。圖2.9 19 SC收發(fā)一體模塊外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3.2 GBIC（Gigabit Interface Converter）光收發(fā)一體模塊由于部分系統(tǒng)需要在運(yùn)行中更換光模塊，為了不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，出現(xiàn)了不需關(guān)掉系統(tǒng)電源而直接插拔的光模塊。目前支持熱插拔的光模塊主要有GBIC（Gigabit Interface Conv

16、erter）和SFP（Small Form Factor Plugable）兩種是GBIC光收發(fā)一體模塊的典型外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，從圖中可知，GBIC模塊和1X9以及2X9大封裝的模塊在光接口類型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形尺寸等方面都相同。GBIC模塊的光接口類型也是SC型，外形也是大尺寸，內(nèi)部也是包含發(fā)送和接收兩部分。它們不同之處在于GBIC模塊的電接口采用的是卡邊沿型電連接器（20-pin SCA 連接器），以滿足模塊熱插拔時的上下電順序，另外，模塊內(nèi)部還有一個EEPROM用來保存模塊的信息。圖2.10 GBIC收發(fā)一體模塊外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3.3 SFF（Small Form Factor）小封裝

17、光收發(fā)一體模塊 SFF小封裝光收發(fā)一體模塊外形尺寸只有19大封裝的一半，有2X5和2X10兩種封裝形式。2X10的器件前面2X5個管腳與2X5封裝的器件完全兼容，其余2X5個管腳有激光器功率和偏置監(jiān)控等功能。小封裝光收發(fā)模塊的光接口形式有多種，如MTRJ、LC、MU、VF45、E3000等。我司主要使用的有MTRJ和LC光接口。10封裝LC型光接口收發(fā)一體模塊典型外形和內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可知它由接收光學(xué)子裝配（結(jié)構(gòu)參見同軸型光接收器）、發(fā)送光學(xué)子裝配（結(jié)構(gòu)參見同軸型光發(fā)送器）、光接口、內(nèi)部電路板、導(dǎo)熱架和外殼等部分組成。MTRJ光接口的2。1 SFF型210封裝LC光接口收發(fā)一體模塊外形和

18、內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖圖2.12 SFF型25封裝MTRJ光接口收發(fā)一體模塊外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3.4 SFP（Small Form Factor Pluggable）小型可插拔式光收發(fā)一體模塊 SFP為支持熱插拔的小型光收發(fā)一體模塊，光接口類型主要有LC和MTRJ兩種，其體積是19大封裝的一半，因此單板上可以獲得更高的集成度。SFP收發(fā)一體模塊采用的是卡邊沿型電連接器以滿足模塊熱插拔時的上下電順序。另外，模塊內(nèi)部還有一個EEPROM用來保存模塊的信息。圖2.13是SFP型封裝LC型光接口收發(fā)一體模塊外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖2.13 SFP封裝LC型光接口收發(fā)一體模塊外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3.5 光收發(fā)模

19、塊的子部件光收發(fā)一體模塊從結(jié)構(gòu)上來看主要由光學(xué)子裝配（OSA）、電路板和外殼等構(gòu)成，下面對這些子部件進(jìn)行詳細(xì)講述。（1）光學(xué)子裝配（OSA）光學(xué)子裝配（OSA）包括發(fā)送光學(xué)子裝配（TOSA）和接收光學(xué)子裝配（ROSA），是收發(fā)一體模塊的主要部件。它主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、光路以及TO-CAN封裝的有源部分（激光器、探測器及放大電路等）構(gòu)成。圖 兩種接收光學(xué)子裝配的結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖圖 兩種發(fā)送光學(xué)子裝配的結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖由于探測器的光敏面較大，對光路的對準(zhǔn)精度要求不高，所以接收光學(xué)子裝配（ROSA）的結(jié)構(gòu)要簡單些，一般為TO-CAN直接套接在一個金屬套筒（或塑料套筒）中構(gòu)成，而且一些廠家在光接口內(nèi)部不使用陶瓷套

20、筒；在固定方式上一般直接采用簡單的粘膠進(jìn)行固定，同時也有用激光點(diǎn)焊等其它固定方法。而發(fā)送光學(xué)子裝配（TOSA）由于對準(zhǔn)精度要求較高，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般為金屬結(jié)構(gòu)且光接口多使用陶瓷套筒，固定方法多采用激光點(diǎn)焊進(jìn)行固定。另外，采用何種光路結(jié)構(gòu)還與器件的類別有關(guān)，一般單模激光器要求對準(zhǔn)精度較高，因此多采用金屬結(jié)構(gòu)且光接口多用陶瓷套筒，而多模激光器由于對準(zhǔn)精度要求不高而采用塑料結(jié)構(gòu)。（2）電路板光收發(fā)一體模塊內(nèi)部使用的電路板主要有FR-4材料的PCB板、柔性板或者在陶瓷基板上制作的電路板三種。其中FR-4材料的PCB板使用最多，陶瓷基板雖然高頻特性較好但價格較貴，而柔性板的加工難度要求較高，且不能多次

21、彎折，所以這兩種使用較少。圖 光收發(fā)一體模塊內(nèi)部常見的幾種電路板在電路設(shè)計上，光收發(fā)一體模塊主要采用專用集成電路構(gòu)成，也有直接在PCB板上綁定芯片的形式（COB：chip on board）。COB的生產(chǎn)過程是將集成電路芯片用含銀的環(huán)氧樹脂膠直接粘接在電路板上，并經(jīng)過引線鍵合（wire bonding），再加上適當(dāng)抗垂流性的環(huán)氧樹脂或硅烷樹脂（silicone）將COB區(qū)域密封，這樣可以省掉集成電路的封裝成本，但使用這種封裝的模塊生產(chǎn)工藝復(fù)雜，且可靠性不高。圖 光收發(fā)一體模塊內(nèi)部所用的電路芯片3 有源光器件的外殼有源光器件的外殼主要實(shí)現(xiàn)以下一些功能：a 機(jī)械以及環(huán)境保護(hù)b 熱傳遞c 保證光路的

22、穩(wěn)定性d 提供光通路和電通路3.1 機(jī)械及環(huán)境保護(hù)用于傳輸系統(tǒng)的元器件要求具有較高的可靠性，特別是對于光器件要求就更高。所以，傳輸用光電子器件一般采用密閉封裝。典型的管殼由基底（base）、密封環(huán)（seal-ring）、電通路以及尾纖導(dǎo)管（fiber pipe）等部分構(gòu)成，這些部分為內(nèi)部芯片和電路提供了機(jī)械和環(huán)境保護(hù)，并且要求這些部件的熱膨脹系數(shù)相匹配，以便保證整個工作溫度范圍內(nèi)殼體密封性能的可靠性。而對于一些數(shù)據(jù)通信用的光電子器件，由于可靠性要求沒有傳輸系統(tǒng)高，有時候基于成本的考慮可以采用非密閉封裝，而且殼體可以使用鑄模塑料。3.2 熱傳遞對于一些發(fā)熱量較大或者需要工作溫度穩(wěn)定的有源光器件，

23、管殼內(nèi)通常還會包含一個TEC制冷器（Thermo-Electric Cooler），這種情況下，管殼的基底一般采用銅鎢合金（copper-tungsten）構(gòu)成，以便起到良好的熱傳遞功能。3.3 電通路為了實(shí)現(xiàn)封裝的可靠密封，管殼上電通路所使用的電介質(zhì)一般為非有機(jī)材料玻璃或者陶瓷。而可伐合金（Kovar）的熱膨脹系數(shù)與陶瓷接近，所以密封環(huán)和尾纖導(dǎo)管一般采用可伐合金，但可伐合金的導(dǎo)熱性能并不理想，所以在不是特別需要低熱阻的情況下，可伐合金才可以用來做基底。有時，管殼也用多層陶瓷來制作。根據(jù)電信號速率的不同，電通路主要有以下結(jié)構(gòu)：a 玻璃密封管腳b 單層陶瓷c 多層陶瓷d 同軸連接器3.3.1 玻

24、璃密封引腳玻璃密封引腳是直接利用玻璃介質(zhì)將電引腳密封于管殼上的過孔內(nèi)（所示），內(nèi)部元件與管腳間電信號的互聯(lián)一般通過鍵合實(shí)現(xiàn)。該方法成本較低，但僅適用于信號速率低于500-800Mb/s的場合，我司的單收/單發(fā)模塊常采用（速率一般都在622Mb/s以下）這種玻璃密封引腳。圖3.1 玻璃密封引腳3.3.2 單層陶瓷單層陶瓷引線與玻璃密封管腳相類似，只不過介質(zhì)使用的是陶瓷，如圖3.2所示。由于陶瓷材料有更好的電性能，因此這種方式的信號速率可以達(dá)到2Gb/s。圖3.2 單層陶瓷3.3.3 多層陶瓷多層陶瓷引線是在陶瓷層上通過金屬化的方法生成走線以實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)外的互聯(lián)，如圖3.3所示。該方法如果使用差分的

25、形式可以獲得高達(dá)10Gb/s的信號速率。圖3.3 多層陶瓷3.3.4 同軸連接器前面提到的幾種引腳設(shè)計，對于器件的安裝來說都是直接將器件焊接在PCB板上，而一般的PCB材料對于超過3-5Gb/s左右的信號和3.6所示。我司所使用的10Gb/s以上速率的有源光器件也是采用這種方式。 圖3.4 同軸連接頭圖3.5 器件引腳到內(nèi)部部件間的互聯(lián) 圖3.6 器件引腳的結(jié)構(gòu)圖以及電參數(shù)的測試實(shí)例3.4 光通路-激光器發(fā)出的光信號要進(jìn)入光纖以及從光纖傳來的光信號要進(jìn)入光探測器都得經(jīng)過一定的光通路，光通路的結(jié)構(gòu)一般有兩種，如圖3.6所示。從圖中可知，b結(jié)構(gòu)是將光纖直接延伸到管殼內(nèi)部圖3.6 兩種光通路結(jié)構(gòu)進(jìn)行

26、耦合，此時就需要對光纖進(jìn)行金屬化，然后通過焊錫與外殼上的金屬套管密封起來，最后光纖尾部通過粘膠來固定，以增強(qiáng)其機(jī)械性能。由于光纖和套管間有很多的空隙，所以焊錫用量較大，有時為了減小焊錫的用量，先將光纖焊接到一個小的金屬套管上，然后再焊接到管殼的套管中，但這樣會有兩次焊接操作并需要不同熔點(diǎn)的焊料，增加了工藝的復(fù)雜度，不利于自動化生產(chǎn)。但如果采用直接耦合方式，則不得不采用這樣的結(jié)構(gòu)。當(dāng)光路中使用透鏡耦合時，則可以通過使用集成了透鏡或隔離器的管殼來實(shí)現(xiàn)光路的耦合，如圖3.6中的a結(jié)構(gòu)，這樣就不存在光纖的金屬化和密封焊接等問題，這種結(jié)構(gòu)的耦合對準(zhǔn)在外部的第二透鏡處完成?？偟膩碚f，兩種光路結(jié)構(gòu)除了生產(chǎn)過

27、程不同外（a結(jié)構(gòu)更易于生產(chǎn)），在可靠性方面也都有各自的問題。采用透鏡耦合方式，從激光器到光纖間的距離較長，整個光路上元件的微小位移都會引起耦合下降。如底座、殼體以及器件尾部耦合部分受到機(jī)械應(yīng)力的作用都會引起光路發(fā)生位移，從而使得耦合效率下降，這也是該類器件的常見失效模式。而對于直接耦合方式，由于尾纖對準(zhǔn)激光器，而且通常與激光器位于同一個模塊上，因此殼體以及器件尾部受力對耦合光路的影響不大，但器件內(nèi)部光纖夾子的固定會影響到光路的耦合（有激光點(diǎn)焊和焊料固定兩種方式），焊接質(zhì)量不好，應(yīng)力的緩慢釋放都會導(dǎo)致光路位移，從而使得耦合效率下降。3.5 幾種封裝外殼的制作工藝和電特性實(shí)例3.5.1 小型雙列直

28、插封裝（MiniDIL）小型雙列直插封裝適用于無制冷激光器、探測器和小功率泵浦激光器，具有高可靠性和低成本的特點(diǎn)，可根據(jù)需要設(shè)計成25ohm或50ohm匹配，并可集成透鏡。圖3.7是小型雙列直插封裝的外形尺寸圖，圖3.8是小型雙列直插封裝制作流程圖。圖3.7 小型雙列直插封裝管殼外形尺寸圖圖3.8 小型雙列直插封裝管殼制作流程圖3.5.2 多層陶瓷蝶形封裝（Multilayer ceramic butterfly type packages）多層陶瓷蝶形封裝是光通信系統(tǒng)中激光器和泵浦激光器常用的一種封裝結(jié)構(gòu)，其主要應(yīng)用范圍是OC192（STM-64）、OC48（STM-16）、DWDM等高速率

29、激光器、泵浦激光器、可調(diào)激光器以及激光調(diào)制器等，其可靠性較高并且易于滿足客戶的各種需求，而且陶瓷電通路還可采用射頻連接器，所以該封裝的應(yīng)用范圍很廣。圖3.9是多層陶瓷蝶形封裝的外形尺寸和頻率特性，圖3.10是多層陶瓷蝶形封裝制作流程圖。圖3.9 多層陶瓷封裝外形尺寸和頻率特性圖3.10 多層陶瓷蝶形封裝管殼制作流程圖3.5.3 射頻連接器型封裝射頻連接器型封裝一般應(yīng)用于10G以上速率，使用射頻連接器可獲得較好的電性能，如圖3.11所示。圖中給出了射頻連接器型的常見封裝和不同類型的電性能。圖3.11 射頻連接器型封裝管殼外形及頻率特性4 有源光器件的耦合和對準(zhǔn)4.1 耦合方式激光器發(fā)出的光信號進(jìn)

30、入光纖的途徑主要有兩種方式：直接耦合、透鏡耦合，其中透鏡耦合又分為單透鏡耦合和多透鏡耦合，如圖4.1所示。利用透鏡耦合可以獲得比直接耦合更高的耦合效率。而采用雙透鏡耦合，其主要優(yōu)勢就是可以分散公差，使得光路上的元件可以有更大的位移空間。圖4.1 激光器到光纖的耦合方式4.1.1 直接耦合圖4.2是直接耦合的兩種方式，直接耦合可以使用劈形（cleaved）光纖或者錐形（tapered）光纖來實(shí)現(xiàn)。劈形光纖由裸纖直接劈開獲得，光纖端面為平面，價格較便宜，但由于端面為平面所以反射較大，并且與激光器耦合時插入損耗也較大（一般為9-12dB）。圖4.2 直接耦合的兩種方式錐形光纖是在光纖的末梢結(jié)合了一個

31、透鏡，主要可以通過下面兩種方法形成：1熔化并將光纖末端拉制成錐形，這一方法將使纖芯和包層均被錐形化。通常使用電弧或者將光纖伸入熔化的玻璃中去對光纖進(jìn)行加熱。通過控制工藝過程可以控制透鏡的對稱性。該方法可獲得大約2-3dB的插入損耗。2腐蝕或者打磨，該方法在光纖端面形成透鏡的同時保持纖芯的直徑不發(fā)生變化。而且可以獲得其它一些剖面外形（譬如拋物面）而不僅僅是球面。這種方法能夠獲得更好的耦合效率，在與激光器耦合時插入損耗可以低至0.2-0.4dB左右。對于直接耦合，光纖末端一般安裝在靠近激光器的地方。因此，光纖必須延伸進(jìn)封裝內(nèi)部，此時，如果器件要求密閉封裝，還要對光纖進(jìn)行金屬化以便與管殼進(jìn)行密封處理

32、。此外，在直接耦合中影響光源到光纖耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑（NA）。另外，光源的發(fā)光面尺寸、光纖端面尺寸、形狀以及兩者間的距離等也都會影響耦合效率。4.1.2 透鏡耦合圖4.3是透鏡耦合的幾種方式，透鏡耦合可以是單透鏡也可以是多透鏡。當(dāng)使用單透鏡時，激光器到光纖端面的距離由透鏡前后兩面的半徑?jīng)Q定。在使用多透鏡的情況下，光束通過第一個透鏡變成平行光，然后通過第二個透鏡聚焦。在需要對反射進(jìn)行嚴(yán)格控制的時候可以將隔離器放置在光束平行后的任何一個位置（即兩個透鏡間的任何位置）。此外，透鏡耦合可以將其中一個透鏡安裝在管殼上，這樣光纖就不必伸入管殼內(nèi)部，也就不必對光纖進(jìn)行金屬化。圖

33、4.3 透鏡耦合的幾種方式4.2 對準(zhǔn)技術(shù)對準(zhǔn)技術(shù)一般分為“有源對準(zhǔn)”（active alignment）和“無源對準(zhǔn)”（passive alignment）。在有源對準(zhǔn)技術(shù)中，激光器或者探測器通過外加偏壓或電流使器件處于工作狀態(tài)下進(jìn)行光軸等的對準(zhǔn)。對于無源對準(zhǔn)，有源光器件不需要工作，而是通過某些標(biāo)記來進(jìn)行對準(zhǔn)。相比之下，無源對準(zhǔn)是一種較新的對準(zhǔn)技術(shù)，具有容易實(shí)現(xiàn)自動化、減少組裝設(shè)備和工序等優(yōu)點(diǎn)。下面是業(yè)界使用的一些對準(zhǔn)技術(shù)的例子。4.2.1 同軸型器件的對準(zhǔn)圖4.4 同軸型器件的對準(zhǔn)及裝配流程圖4.2.2 雙透鏡系統(tǒng)的對準(zhǔn)圖4.5 蝶形封裝雙透鏡系統(tǒng)的對準(zhǔn)及裝配圖4.2.3 直接耦合的對準(zhǔn)圖

34、4.6 直接耦合的對準(zhǔn)及裝配圖5 有源光器件的其它組件/子裝配5.1 透鏡圖5.1給出了有源光器件內(nèi)部常用的幾種透鏡組件，給出了有源光器件管殼上常用的幾種集成透鏡組件。圖5.1 光模塊內(nèi)部使用的透鏡組件圖5.2 幾種集成在管殼上的透鏡5.2 熱電制冷器（TEC）圖5.3 TEC原理及實(shí)物圖熱電制冷又稱溫差電制冷，它是利用熱電效應(yīng)（即帕爾貼效應(yīng)）的一種制冷方法，這種方法的制冷效果主要取決于兩種材料的熱電勢。半導(dǎo)體材料具有較高的熱電勢，所以可以用來做成小型熱電制冷器，如圖5.3所示，當(dāng)通以正向電流時，熱量由上表面流到下表面實(shí)現(xiàn)制冷的功能；反之，當(dāng)通以反向電流時，熱量由下表面流到上表面實(shí)現(xiàn)制熱的功能

35、。在光發(fā)送器件里面，常用這種小型的制冷器來控制激光器管芯的溫度，使其溫度保持一個恒定的值，以保持激光器性能（功率、光譜等）的穩(wěn)定。5.3 底座對于單模尾纖的光發(fā)送器件，光信號耦合進(jìn)光纖的直徑約6m，一旦耦合光路固定好后便不允許有任何位移，例如在徑向發(fā)生1m的位移將會導(dǎo)致光功率下降到原來的約70（減小約1.5db）。而在管殼內(nèi)部，激光器以及一些光學(xué)組件都固定在底座上，因此要求底座有較好的機(jī)械強(qiáng)度和共面性，稍厚一些的底座其機(jī)械性能自然更好，當(dāng)然也利于散熱。同時，在生產(chǎn)裝配過程中要注意熱沉的共面性以及安裝定位螺絲的順序和扭矩。5.4 激光器管芯和背光管組件在一個有源光器件內(nèi)部包含了各個子組件，由這些

36、子組件按照一定的裝配順序組裝成為一個完整的器件。通常，激光器管芯和背光檢測管也都是以一個組件的形式出現(xiàn)的。圖5.4是一些激光器管芯組件和背光管組件的結(jié)構(gòu)和材料特性圖。對于激光器管芯組件來說，一般還集成了匹配電阻，有時候熱敏電阻也做在同一個組件上以便準(zhǔn)確地探測激光器管芯的溫度。而背光管一般只有一個簡單的PIN探測器在上面，用來檢測光功率大小。組裝時一般都是通過焊料與其他部分焊接在一起。圖5.4 一些激光器管芯和背光管組件的結(jié)構(gòu)和材料特性6 有源光器件的封裝材料對于光電子器件中所用的材料，主要關(guān)心的是在同一器件內(nèi)部的不同材料間是否會相互影響，如果會相互影響，就不能使用。不相容的材料通常會由于熱膨脹系數(shù)不一致、形成金屬間化合物、粘接不牢、離子污染、腐蝕或氧化、產(chǎn)生氣體污染和腐蝕組件等原因而導(dǎo)器件失效。下面是一些有源光器件封裝過程中常用的材料和粘接方法：1、 環(huán)氧膠（可采用紫外或者高溫固化）；2、 焊錫；3、 搪瓷或低溫玻璃；4、 激光焊接；5、 機(jī)械螺絲；6、 銅焊。與玻璃折射率相匹配的透明紫外膠（折射率1.481）在室溫或紫外線的照射下能迅速固化，而且固化過程可以暴露在空氣中進(jìn)行。玻璃、陶瓷以及其他各種襯底材料可以獲得較高的鍵合強(qiáng)度。即使暴露在高溫高濕等不利環(huán)境下，鍵合強(qiáng)度的長期耐久性依然很好。對于1