光通信模塊的形成與制造畢業(yè)實踐

1、光通信模塊的形成與制造目錄前言 3第 1 章光通信與光通信模塊 41.1 光通信 41.2 光通信模塊 51.3 光通信模塊演進過程 6第二章光通信模塊制造 82.1 光學器件. 82.2 光學器件主要參數(shù) 102.3 光器件及光模塊制造 13到 _參考文獻. 16前言時光飛逝，我們的大學生涯即將結(jié)束。為了盡快適應畢業(yè)后的生活，積累更多的社會經(jīng)驗，經(jīng)過老師們的努力，我們得到了在華工正源光電實習的機會。經(jīng)過3個月的實習，我學到了很多課本上學不到的知識，也積累了很多社會經(jīng)驗，讓我又賺到了人生的一桶金。我之所以提出光通信模塊的形成和制造，很大程度上取決于我在華中正源光電這幾個月所學到的東西。讓我簡單

2、介紹一下HGY光子技術(shù)。華工正源光電科技成立于2001年3月，是 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1365122.htm t _blank 華工科技實業(yè)有限公司的核心子公司，現(xiàn)已建成國內(nèi)最先進的批量有源器件和光模塊生產(chǎn)線。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)生產(chǎn) HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/337815.htm t _blank 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的各類產(chǎn)品。這種新型的光電器件和模塊是目前國光通信器件行業(yè)唯一擁有從芯片外延生長、管芯制造、器件和模塊量產(chǎn)的完整工藝生產(chǎn)

3、線的廠商。公司主營業(yè)務(wù)為光電子、信息安全與防偽，主要從事激光器、激光加工設(shè)備及成套設(shè)備、激光全息一體化防偽標簽及包裝材料、敏感電子元器件、光通信器件及模塊和其他技術(shù)和產(chǎn)品。開發(fā)、生產(chǎn)、銷售，產(chǎn)品市場占有率處于行業(yè)領(lǐng)先地位。在華工正源光電實習的幾個月里，我每天都在和光通信模塊打交道，所以對它們有了一定的了解，下面開始我的話題。光通信及光通信模塊1.1光通信光通信是一種以光波為傳輸介質(zhì)的通信方式。光波和無線電波都是電磁波，但光波的頻率比無線電波高，波長比無線電波短。因此具有傳輸頻率帶寬、通信容量大、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點。光波按波長可分為紅外光、可見光和紫外光。紅外線和紫外線是不可見光，它們可以像

4、可見光一樣傳遞信息。光通信根據(jù)光源的特性可分為激光通信和非激光通信；根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，可分為有線光通信和無線光通信。常用的光通信有：大氣激光通信信息以激光束為載體沿大氣層傳播。無需鋪設(shè)線路，設(shè)備輕巧，易于操作，性能好，傳輸信息量大，可傳輸聲音、數(shù)據(jù)、圖像等信息。大氣激光通信易受氣候和外部環(huán)境的影響，一般用于河流、湖泊、山谷、沙漠地區(qū)和島嶼之間的視距通信。光纖通信它是一種有線通信，其中光波沿光纖傳輸。光源可以是激光器（也稱為半導體激光二極管）或發(fā)光二極管。光纖通信傳輸衰減小、容量大、不受外界干擾、性能好?？捎糜诖笕萘繃栏删€通信和野外通信。藍綠光通訊它是一種利用波長介于藍光和綠光之間的激光在海

5、水中傳輸信息的通信方式，是目前較好的水下通信方式。紅外線通訊它是一種使用紅外線（波長為 300 至 0.76 微米）傳輸信息的通信方法?？蓚鬏斦Z言、文字、數(shù)據(jù)、圖像等信息，適用于沿海島嶼間、近程遙控、飛機部門通信等。其通信容量大、性能強、抗電磁干擾性能好、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格低廉。但在大氣通道中傳輸易受氣候影響，傳輸距離為4000米。紫外線通訊它是一種使用紫外線（波長 0.39 至 60 10 微米）傳輸信息的通信方式。其基本原理與紅外通信類似，屬于非激光通信與紅外通信。由于激光是一種高度定向的相干光，沿光纖傳輸是目前最理想的恒參通道。從發(fā)展的角度看，激光通信，特別是光纖通信將得到廣

6、泛應用。下圖顯示了光如何在光纖中傳播。圖 1.1 光在光纖中的傳播1.2 光通信模塊光通信模塊由光電子器件、功能電路和光接口組成。光電器件包括發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分是：輸入一定碼率的電信號，經(jīng)過該部分的驅(qū)動芯片處理，驅(qū)動半導體激光器（LD）或發(fā)光二極管（LED）發(fā)射相應碼率的調(diào)制光信號，其部分具有自動光功率控制電路，使輸出光信號功率保持穩(wěn)定。接收部分是：具有一定碼率的光信號輸入模塊后，由光檢測器轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)過前置放大器后，輸出相應碼率的電信號。圖1.2 光通信模塊系統(tǒng)工作示意圖致端的電終端將待致的信息以二進制編碼電信號的形式致給光致器。光發(fā)射器驅(qū)動光源裝置LD，LD發(fā)射攜帶信息的光波。

7、即當數(shù)字信號為“1”時，光源裝置發(fā)出“標記”光脈沖；當數(shù)字信號為“0”時，光源設(shè)備致一個“空”（不亮或弱光）。光波經(jīng)過低損耗光纖傳輸后到達接收端。在接收端，光接收器從光波中檢測出數(shù)字信號并將其致到電終端，電終端對傳輸?shù)男畔⑦M行處理。這樣，一個通信的整個過程就完成了。光通信模塊的主要應用領(lǐng)域有以太網(wǎng)、SDH/SONET、IPTV、數(shù)據(jù)通信、視頻監(jiān)控、安防、存儲區(qū)域網(wǎng)（SAN）和（FTTX）等，用于路由器、交換機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、等在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。連接以增加遠程網(wǎng)絡(luò)的容量和傳輸距離。光通信模塊的種類很多，根據(jù)不同的分類方法： 按速率分：100Base（100M）、1000Base（千兆）、10GE、15

8、5M、622M、2.5G、10G、40G用于SDH應用。 按傳輸距離分：300M、2KM、10KM、40KM、80KM等；按發(fā)射波長分：850nm、1310nm、1550nm等；按使用方式劃分：不是插拔，而是插拔；按封裝：19、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP等。1.3 光通信模塊的演進光通信模塊產(chǎn)品包括多種封裝，包括常見的1X9、GBIC、SFP。 1X9封裝光模塊產(chǎn)品于1999年首次生產(chǎn)，采用SC光頭，為固定光模塊產(chǎn)品。通常直接固定在通信設(shè)備的電路板上，作為固定的光通信模塊使用。之后，1X9封裝的光模塊產(chǎn)品逐漸向小型化、可插拔的方向發(fā)展。光通信模塊產(chǎn)品開始從兩個方面發(fā)展。一種

9、是可插拔光通信模塊，成為GBIC。另一種是小型化，使用IC頭，直接固化在電路板上，變成SFF 2X5，或SFF 2X10。 GBIC和SFF光通信模塊產(chǎn)品都得到了廣泛的應用。GBIC模塊已廣泛應用于交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中。與1X9封裝模塊相比，GBIC模塊優(yōu)勢明顯。由于其可支持和可插拔的特性，GBIC 產(chǎn)品被用作獨立的模塊。用戶可以方便地更新和維護光通信模塊，故障穩(wěn)定。但是隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，GBIC模塊的缺點也逐漸顯現(xiàn)出來。主要缺點是業(yè)務(wù)板尺寸過大，導致業(yè)務(wù)板上光口密度低，板上無法容納足夠數(shù)量的GBIC，無法適應快速組網(wǎng)的趨勢發(fā)展。SFF模塊是光通信模塊產(chǎn)品演進的另一個分支，目前廣泛應用

10、于EPON系統(tǒng)。 EPON系統(tǒng)ONU側(cè)統(tǒng)一使用SFF模塊。在ONU側(cè)使用SFF模塊的主要原因是EPON系統(tǒng)的ONU產(chǎn)品通常放置在用戶側(cè)，需要固定而不是插拔。隨著EPON技術(shù)的快速發(fā)展，SFF的市場正在逐步擴大。SFP模塊是最新的光通信模塊，也是目前應用最廣泛的光通信模塊產(chǎn)品。 SFP模塊繼承了GBIC的可插拔特性，同時也借鑒了SFF小型化的優(yōu)勢。采用LC頭，其體積僅為GBIC模塊的1/3，大大增加了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的端口密度，適應了網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的趨勢，因此得到了最廣泛的應用。目前的設(shè)備制造商，無一例外地放棄GBIC產(chǎn)品，只使用SFP光模塊產(chǎn)品。由于采用統(tǒng)一的標準，各廠商的SFP產(chǎn)品是兼容的，SFP產(chǎn)品

11、可以作為單獨的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備購買。隨著技術(shù)的不斷進步，為了適應更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，SFP+、XFP等10Gb/s高速光通信模塊逐漸在實踐中得到應用并不斷普及。有的公司甚至開發(fā)了40Gb/s的產(chǎn)品，比如XENPAK等類型的模塊，體積會越來越小，傳輸速率會越來越快。光通信模塊制造2.1 光學器件光學器件的類型光器件是光通信模塊的核心部件，其種類很多：TOSA：發(fā)光器件，作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。ROSA：光接收設(shè)備，功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。BOSA：通過一根光纖一次發(fā)射和一次接收光。單纖三通：通過一根光纖實現(xiàn)一發(fā)兩收。按激光器分為：LED、LD（FP、DFB）；半導體激光器（LD）：適用于長距離、

12、大容量的光纖通信系統(tǒng)。特別是單縱模半導體激光器廣泛應用于高速、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。分布式反饋半導體激光器（DFB-LD）：主要與單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于1.55m大容量的新型光纖系統(tǒng)。FP腔激光器（FP-LD）：FP腔激光器在結(jié)構(gòu)上分為三種（1）同質(zhì)結(jié)半導體激光器。 (2) 單異質(zhì)半導體激光器。 (3)雙異質(zhì)半導體激光器。發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼率的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或模擬光纖通信系統(tǒng)。制造工藝簡單，成本低，可靠性好。按檢測器分有PIN和APD兩種；光電二極管（PIN）由于沒有倍增效應，響應度低，但成本低，使用方便。目前主要用于155M/622M/1.25G

13、bps系統(tǒng)。雪崩光電二極管（APD）具有倍增效應，響應速度快，但成本高，使用復雜。目前多用于2.5Gb/s及更高的設(shè)備。按接口分為：SC、FC、ST、LC等；SC接口：NTT公司提出，矩形結(jié)構(gòu)；FC接口：NTT公司提出，螺絲連接；ST接口：AT&T公司提出，卡口鎖定；LC接口：用于小型化模塊，矩形結(jié)構(gòu)。光學設(shè)備的工作原理SFP模塊包含兩種光器件，一種是光發(fā)射器件（TOSA），另一種是光接收器件（ROSA）。當電信號通過激光驅(qū)動芯片傳輸?shù)?TOSA 時，TOSA 將其轉(zhuǎn)換為光信號并傳輸。當光信號通過ROSA轉(zhuǎn)換為電信號時，電信號通過限幅放大芯片傳輸，從而完成光電轉(zhuǎn)換過程。 .比如在A市，數(shù)據(jù)信號

14、從電腦發(fā)出，語音信號從手機發(fā)出，語音信號經(jīng)過基站中的SFP模塊后轉(zhuǎn)換成光信號，數(shù)據(jù)信號也通過交換機等轉(zhuǎn)換成光信號，最終到達B市。在B市，光信號恢復為電信號，部分信號傳輸?shù)交荆具M行轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)化為電磁波并將其致到手機。圖 2.1 發(fā)光裝置的工作原理圖 2.2 光接收裝置的工作原理2.2 光學器件主要參數(shù)光輸出功率：光信號的平均功率。測量方法是將模塊的光發(fā)射口和光功率計用標準跳線連接，直接從光功率計讀取，單位通常以dBm表示。消光比：即信號中1和0部分的光功率之比?？捎上率接嬎悖篍R=101ogP1/P0，其中ER代表消光比，單位為dB，P1和P0分別為邏輯1和0的光功率。信號抖動（jit

15、ter）：指數(shù)字信號中的短期時序偏移現(xiàn)象。一般的測量方法是取眼圖中上升沿和下降沿交點的時間分布。最常見的是峰峰值抖動（peak-to-peak jitter），它代表最大時間偏移范圍，和均方根抖動（RMS jitter），它被定義為標準偏差分配。抖動按時間 (ps/ns) 測量。靈敏度：指接收器在某些誤碼條件下所能接受的最小接收光功率，通常以dBm為單位。如果接收功率低于此值，則認為信號存在嚴重誤碼，不適合使用。標清信號（LOSA/LOSD）：是接收機輸出的電信號，其電平反映了接收機接收到的光信號強度是否足夠。它由光功率計直接讀取，通常以 dBm 為單位。這個參數(shù)的大小有一個適當?shù)恼{(diào)節(jié)限制。光

16、接收過載點（最大輸入功率）：又稱飽和光功率，是保證特定誤碼率所需的最大接收光功率，單位為dBm。圖 2.3 眼圖圖 2.4 頻譜圖圖 2.5 光模塊測試系統(tǒng)框圖要獲得上述參數(shù)，需要很多工具和設(shè)備：示波器、光譜儀、信號發(fā)生器、計算機、電源、誤碼計、光功率計、光衰減計、測試板、分光器等。2.3 光器件和光模塊制造發(fā)光器件（TOSA）由激光器TO、管體、插針、套筒和適配器組成。光接收裝置（ROSA）由探測器TO、管體、套筒和適配器組成。圓形晶圓經(jīng)過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）生成外延片，通過光刻、刻蝕和濺射在外延片上形成功能圖案和電極。解理后，經(jīng)過兩次測試，選出合格的激光模具。激光模具安裝在激

17、光 TO 底座上。鍵合后，芯片和引腳用金線連接。經(jīng)過PIV測試，通過封蓋、老化測試、質(zhì)量檢測，成為合格的激光TO。之后，經(jīng)過密封焊接、耦合、激光焊接、初始測試、溫度循環(huán)和最終測試，成為一個完整的TOSA。 ROSA 比 TOSA 更容易制作。探測器芯片用TIA和電容器安裝在探測器TO底座上，并用金線焊接。經(jīng)過封蓋和老化測試，探測器TO與塑料適配器耦合并粘合，然后進行溫度循環(huán)，經(jīng)過多次測試成為完整的ROSA。圖 2.6 TOSA 的生產(chǎn)流程圖圖 2.7 ROSA 的生產(chǎn)流程圖圖 2.8 BOSA 的生產(chǎn)流程圖圖 2.9 光模塊生產(chǎn)流程圖從圖2.6到圖2.9可以看出，光通信模塊的生產(chǎn)制造非常繁瑣。將成型的激光器和成型的探測器焊接到已經(jīng)安裝了驅(qū)動芯片和相應電子元件的PCB上，然后將其安裝在PCB上。上座使用圖2.5所示的測試系統(tǒng)，檢查模塊的相關(guān)參數(shù)是否符合標準。不符合標準的模塊將送修，符合標準的模塊可以裝上套管，然后進行最后的發(fā)射測試，接收的最終測試，工作電流和極限測試，以及光口插拔測試。封裝、讀寫程序等多道工序，一個完整的光通信模塊正式完成，部分光模塊還需要做頻譜、光纖傳輸、飽和光功率等測試。總之，一個光通信模塊需要很多技術(shù)人員和工程師的配合才能完成。至在這次畢業(yè)實習的過程中，唐穎老師從選題、構(gòu)思到最終起草，都給予了我認真的指導和指導，讓我最終完成了畢業(yè)論文。在學習上，老