卓立汉光产品在光通信行业中的应用——光有源器件篇

关键词：光通信、光有源器件、封装、耦合、卓立汉光产品
摘  要：本文对光有源器件的分类、封装类型、结构和电性能做出简要介绍，并对对光有源器件生产过程中，卓立汉光可提供的工装方案、设备改进等方面做说明。
引  子：
         光通信器件分为光有源器件和光无源器件，本文就光有源器件的分类、封装类型、结构和电性能做出简要介绍，并对对光有源器件生产过程中，卓立汉光可提供的工装方案、设备改进等方面做说明。
         光无源器件的相关文章，请参照：卓立汉光产品在光通信行业中的应用——光无源器件篇。

1、有源光器件的分类
        在光通信系统中，一般把能够实现光电（O/E）转换或者电光（E/O）转换的器件叫做有源光电子器件，其种类非常繁多。根据不同的用途和封装形式，常用的 光电子器件可以分为以下几类：光发送器件(LED、FP/DFB/DBR-LD、VCSEL-LD、EML)；光接收器件(PIN-PD、APD- PD)；光发送模块、光接收模块和光收发一体模块。
        光发送器件一般是在封装管壳内部集成了激光二极管(LD Chip)、背光检测管(PIN Chip)、热敏电阻、TEC致冷器以及光学准直机构等元件。而实现电/光转换的功能，至少包含一个激光二极管。光发送模块则是在光发送器件的基础上增加 了一些外围电路，如激光器驱动电路、自动功率控制电路等，比发光器件集成度更高，使用更方便。
        光接收器件一般是在封装管壳内集成了探测器芯片(PIN Chip或APD Chip)、前置放大器(TIA)以及热敏电阻等元件。实现光/电转换的功能，至少包含一个光探测器芯片。光接收模块则是在光接收器件的基础上增加了放大 电路、数据时钟恢复电路等外围电路，使用起来同样更加方便。
        把光发送模块和光接收模块再进一步集成到同一个器件内便形成了光收发一体模块。它的集成度更高、使用也更加方便，目前广泛应用于数据通信和光传输等领域。

2、有源光器件的封装结构
       前面提到，有源光器件的种类繁多且其封装形式也是多种多样，这样到目前为止，尽管各个厂家使用的封装形式、管壳外形尺寸等相差较大，但大体上可以分为同轴 型（TO-CAN、带尾纤的封装）和蝶形封装，如图2.1所示。而对于光收发一体模块，其封装形式则较为规范，主要有1×9、小封装（SFF）以及支持热 插拔的SFP、SFP+、XFP、 GBIC等封装。

                                                                    

                                                                                              图2.1  光通信系统常用的两种封装类型的有源光器件
2.1光发送器件的封装结构
        光发送器件的封装主要分为两种类型：同轴型封装（coaxial type package）和蝶形封装（butterfly type package）。同轴型封装一般不带制冷器，而蝶形封装根据需要可以带制冷器也可以不带制冷器。
2.11TO-CAN类型光发送器件的封装结构
        常见的光发送器件的封装结构为同轴TO-CAN的封装形式。其子部件一般有两种结构，一种是激光二极管、光电探测器等有源部分都安装在密封的底座里面，同 一封装里面可以只含有一个有源光器件，也可以与其它的元部件集成在一起。FP/DFB/DBR-LD TO-CAN就是*常见的一种，如图2.2所示；VCSEL-LD TO-CAN也是*常见的一种，有类似的封装结构。它管帽上有透镜或玻璃窗，管脚一般采用“金属－玻璃”密封。这种以TO-CAN形式封装的部件一般用于 更高一级的装配，例如可以加上适当的光路准直机构和外围驱动电路构成光发送或接收模块以及收发一体模块。
                                          
                                                                                             图2.2  FP/DFB/DBR-LD TO-CAN封装外形和结构图

2.12 带尾纤的同轴型光发送器件的封装结构
        带尾纤同轴型封装光发送器件的典型外形和内部结构如图2.3所示，从图中可知，同轴型光发送器件主要由TO-CAN、耦合部分、接口部分等组成。其中 TO-CAN是主要部件，它的详细结构和外形如图2.2所示，从图中可见激光器管芯和背光检测管粘接在热沉上，通过键合的方法与外部实现互联，并且TO- CAN一定要密闭封装。耦合部分一般都是透镜，透镜可以直接装在TO-CAN上，也可以不装在TO-CAN上，而装在图2.3中所示的位置。接口部分可以 是带尾纤和连接器的尾纤型，也可以是带连接器而不带尾纤的插拔型（根据具体的应用来选择）。尾纤的固定一般采用环氧树脂粘接或者采用激光焊接，另外可以使 用单透镜结构或者直接在光纤端面制作透镜的方法来提高耦合效率。
                                                                

                                                                                      图2.3 带尾纤的同轴型激光器外形及内部结构图
2.13 蝶形光发送器件的封装结构
        蝶形封装因其外形而得名，这种封装形式一直被光通信系统所采用。根据应用条件不同，蝶形封装可以带制冷器也可以不带。通常在长距光通信系统中，由于对光源 的稳定性和可靠性要求较高，因此需要对激光器管芯温度进行控制而加制冷器，对于一些可靠性要求较低的数据通信或短距应用的激光器就可以不加制冷器。图 2.4是蝶形封装的常见结构，它在一个金属封装的管壳内集成了半导体激光器、集成调制器、背光检测管、制冷器、热敏电阻等部件，然后通过一定的光学系统将 激光器发出的光信号耦合至光纤。一般光路上有两个透镜，*透镜用于准直，第二透镜进行聚焦，当然也可以使用锥形光纤或者在尾部制作了透镜的光纤进行耦 合。光纤的耦合可以在壳体外部完成也可以采用伸入壳体内部的结构，如图2.5所示。
                                                      
                                                                                          图2.4  带制冷器的蝶形封装光发送器件外形和内部结构图

                                                                 图2.5 两种不同耦合方式的蝶形封装光发送器件结构图

        在 光通信行业中，除了常用的直接调制激光器(例如：FP/DFB/DBR/VCSEL-LD)，还有一种外调制器激光器(常用的为EML,电吸收调制激光 器)。外调制技术速率高、光功率大、消光比高并易于啁啾控制，在高速、大容量和长距离光纤通信系统中得到了广泛的应用。电光强度外调制器主要有 LiNbO3调制器、半导体电吸收调制器和聚合物调制器。EML的结构和碟形封装形式如下图所示。
 

                           图2.6 DFB激光器和EA调制器集成的EML的蝶形封装光发送器件结构图

        近年来，光放大器作为光有源器件的新秀得到了迅速发展，应用较多的为半导体光放大器(SOA)、掺铒光纤放大器（EDFA），是一种对信号光放大的一种有 源光器件。掺饵光纤放大器的诞生是光纤通信领域革命性的突破，它使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，是DWDM系统及未来高速系统、全光网络不 可缺少的重要器件。正在研究并很有应用前景的是拉曼光纤激光放大器(RFA)。SOA通常也采用蝶形封装的形式,如下图所示为英国CIP公司生产的 SOA。
                                                               
                                                                       图2.7 半导体光放大器(SOA)的蝶形封装光发送器件结构图

2.2光接收器件的封装结构
      与光发送器件一样，光接收器件的封装类型也主要是同轴型和蝶形两种。
2.2.1TO-CAN同轴型光接收器件的封装结构
       和LD TO-CAN的封装形式类似，PIN/APD TO-CAN也采用“金属-玻璃”密封结构，如下图所示。
                                                                     
                                                                                 图2.8 PIN/APD TO-CAN封装外形图

2.2.2带尾纤的同轴型光接收器件的封装结构
        带尾纤的同轴型封装光接收器件的典型外形和内部结构如图2.9所示，从图中可知，同轴型光接收器件主要由TO-CAN、耦合部分、接口部分等组成。TO-CAN是主要部件，里面集成了探测器（PIN或者APD）
                                   
                                                                   图2.9  带尾纤的同轴型光接收器件外形及内部结构图

和 前置放大器，通过键合的方法与外部实现互联，并且一定要密闭封装。然后它和金属外壳、透镜、尾纤等组件通过焊接或粘接的方法固定在一起。耦合部分一般都是 透镜，透镜可以直接装在TO-CAN上，也可以不装在TO-CAN上。接口部分可以是带尾纤和连接器的尾纤型，也可以是带连接器而不带尾纤的插拔型（根据 具体的应用来选择）。尾纤的固定一般采用环氧树脂粘接或者采用激光焊接，另外可以使用单透镜结构或者直接在光纤端面制作透镜的方法来提高耦合效率。

2.2.3蝶形光接收器件的封装结构
        蝶形封装光接收器件的典型外形和内部结构如图2.8所示，它主要有两种结构。一种是使用同轴型封装的探测器加上相应的放大电路等构成，如图2.8中右下角 所示，这种结构对管壳的密封性要求不高；另外一种就是将探测器以及放大电路等组件做在同一个壳体中实现，如图2.9中右上角所示，这种结构要求管壳是全密 闭封装。

                                  
                                                                                            图2.10 蝶形封装光接收器件外形和内部结构图

2.3光收发一体模块的封装结构
        光收发一体模块就是将光发送和光接收两部分集成在同一个封装内部构成的一种新型光电子器件，它具有体积小、成本低、可靠性高以及较好的性能等优点。它一般 由发送和接收两部分构成，发送部分输入一定码率的电信号（155M、622M、2.5G、10G等）经内部驱动芯片处理后，驱动半导体激光器（LD）或发 光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，并且其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光功率保持稳定。在接收部分，一定码率的光信号输入模块后由 光探测二极管转换成电信号，然后经前置放大器处理后输出相应码率的电信号，输出的电信号一般为PECL电平，同时在输入光功率小于一定值后会输出一个无光 告警信号。
        光收发一体模块封装有着比较规范的标准，目前主要有以下一些形式：1×9 footprint、2×9 footprint、GBIC（Gigabit Interface Converter）Transceiver、SFF（Small Form Factor）以及SFP（Small Form Factor Pluggable）。其中1X9和2X9两种封装为大封装，小封装的有2X5和2X10 SFF两种。光接口有SC、MTRJ、LC等形式。

2.3.1 1×9和2×9大封装光收发一体模块
　    大封装的有1×9和2×9两种封装，2×9的前一排9个管脚与1X9的完全兼容，另外9个管脚有激光器功率和偏置监控以及时钟恢复等功能（2×9封装虽然 带偏置和功率监控以及时钟恢复，但由于无国际标准支持，为非主流产品，使用较少，生产厂家也少，且目前部分厂家已停产）。
                                            
                                                                                      图2.11 1×9 SC收发一体模块外形和内部结构

　 　光接口一般采用无尾纤SC接头，但也有少量厂家生产ST接口和带尾纤的FC、SC接头。模块内部主要由两大部分组成：发送部分和接收部分。发送部分由同 轴型激光器（它的详细结构和封装参见2.1.1节）、驱动电路、控制电路等几部分构成，有些模块还具有发送使能、检测输出以及自动温度补偿等；接收部分主 要由PIN-FET前放组件（它的详细结构和封装参见2.2.1节）和主放电路两部分组成，并具有无光告警；模块内部的详细结构如图2.11所示，图中左 边是大封装模块的典型外形图，右边是两个不同厂家模块的内部结构图（1×9封装和2×9封装模块的外形和内部结构一样）。

2.3.2GBIC（Gigabit Interface Converter）光收发一体模块
    由于部分系统需要在运行中更换光模块，为了不影响系统的正常运行，出现了不需关掉系统电源而直接插拔的光模块。目前支持热插拔的光模块主要有 GBIC（Gigabit Interface Converter）和SFP（Small Form Factor Plugable）两种。图2.12是GBIC光收发一体模块的典型外形和内部结构图，从图中可知，GBIC模块和1×9以及2×9大封装的模块在光接口 类型、内部结构、外形尺寸等方面都相同。GBIC模块的光接口类型也是SC型，外形也是大尺寸，内部也是包含发送和接收两部分。它们不同之处在于GBIC 模块的电接口采用的是卡边沿型电连接器（20-pin SCA 连接器），以满足模块热插拔时的上下电顺序，另外，模块内部还有一个EEPROM用来保存模块的信息。
                                                           
                                                                                              图2.12  GBIC收发一体模块外形及内部结构图

2.3.3 SFF（Small Form Factor）小封装光收发一体模块
        SFF小封装光收发一体模块外形尺寸只有1×9大封装的一半，有2X5和2X10两种封装形式。2X10的器件前面2X5个管脚与2X5封装的器件完全兼 容，其余2X5个管脚有激光器功率和偏置监控等功能。小封装光收发模块的光接口形式有多种，如MTRJ、LC、MU、VF－45、E3000等。图 2.13是SFF型2×10封装LC型光接口收发一体模块典型外形和内部详细结构图，从图中可知它由接收光学子装配（结构参见同轴型光接收器）、发送光学 子装配（结构参见同轴型光发送器）、光接口、内部电路板、等部分组成。MTRJ光接口的2×5封装SFF模块和LC型的SFF模块只有光接口部分不同，其 它部分都一样，如图2.13所示。
                                                              
                                                                          图2.13  SFF型2×10封装LC光接口收发一体模块外形和内部详细结构图

                                                         
                                                                             图2.14  SFF型2×5封装MTRJ光接口收发一体模块外形和内部结构图

2.3.4 SFP（Small Form Factor Pluggable）小型可插拔式光收发一体模块
                                                           
                                                                                图2.15 SFP封装LC型光接口收发一体模块外形和内部结构图

        SFP为支持热插拔的小型光收发一体模块，光接口类型主要有LC和MTRJ两种，其体积是1×9大封装的一半，因此单板上可以获得更高的集成度。SFP收 发一体模块采用的是卡边沿型电连接器以满足模块热插拔时的上下电顺序。另外，模块内部还有一个EEPROM用来保存模块的信息。图2.14是SFP型封装 LC型光接口收发一体模块外形和内部结构图。

2.3.5光收发模块的子部件
        光收发一体模块从结构上来看主要由光学子装配（OSA）、电路板和外壳等构成，下面对这些子部件进行详细讲述。
（1）光学子装配（OSA）
        光学子装配（OSA）包括发送光学子装配（TOSA）和接收光学子装配（ROSA），是收发一体模块的主要部件。这种结构就是将激光器或者探测器管芯直接 安装在一个子装配上（submount），然后再粘接到一个更大的基底上面以提供热沉，上面可能还有热敏电阻、透镜等元件，这样的单元一般称为光学子装配 （OSA：optical subassembly）。光学子装配一般又分为两种：发送光学子装配（TOSA）和接收光学子装配（ROSA），它主要由机械结构、光路以及TO- CAN封装的有源部分（激光器、探测器及放大电路等）构成，如图2.16和2.17所示。

                                                   图2.16  两种接收光学子装配的结构及实物图


                                                             图2.17  两种发送光学子装配的结构及实物图

    图2.18就是一个典型的发送光学子装配实物图。光学子装配通常安装在TEC制冷器上或者直接安装在封装壳体的底座上。
                                                          
                                                                                    图2.18 光学子装配（OSA）

        由于探测器的光敏面较大，对光路的对准精度要求不高，所以接收光学子装配（ROSA）的结构要简单些，一般为TO-CAN直接套接在一个金属套筒（或塑料 套筒）中构成，而且一些厂家在光接口内部不使用陶瓷套筒；在固定方式上一般直接采用简单的粘胶进行固定，同时也有用激光点焊等其它固定方法。而发送光学子 装配（TOSA）由于对准精度要求较高，因而结构复杂，一般为金属结构且光接口多使用陶瓷套筒，固定方法多采用激光点焊进行固定。另外，采用何种光路结构 还与器件的类别有关，一般单模激光器要求对准精度较高，因此多采用金属结构且光接口多用陶瓷套筒，而多模激光器由于对准精度要求不高而采用塑料结构。
        （2）电路板
                                         
                                                                            图2.19  光收发一体模块内部常见的几种电路板

        光收发一体模块内部使用的电路板主要有FR-4材料的PCB板、柔性板或者在陶瓷基板上制作的电路板三种，如图2.19所示。其中FR-4材料的PCB板 使用*多，陶瓷基板虽然高频特性较好但价格较贵，而柔性板的加工难度要求较高，且不能多次弯折，所以这两种使用较少。
        在电路设计上，光收发一体模块主要采用专用集成电路构成，也有直接在PCB板上绑定芯片的形式（COB：chip on board），如图2.20所示。COB的生产过程是将集成电路芯片用含银的环氧树脂胶直接粘接在电路板上，并经过引线键合（wire bonding），再加上适当抗垂流性的环氧树脂或硅烷树脂（silicone）将COB区域密封，这样可以省掉集成电路的封装成本，但使用这种封装的模 块生产工艺复杂，且可靠性不高。
                                                               
                                                                             图2.20  光收发一体模块内部所用的电路芯片

3 有源光器件的耦合和对准
3.1 耦合方式
                                                            
                                                                                       图3.1  激光器到光纤的耦合方式

        激光器发出的光信号进入光纤的途径主要有两种方式：直接耦合、透镜耦合，其中透镜耦合又分为单透镜耦合和多透镜耦合，如图3.1所示。利用透镜耦合可以获 得比直接耦合更高的耦合效率。而采用双透镜耦合，其主要优势就是可以分散公差，使得光路上的元件可以有更大的位移空间。

3.1.1直接耦合
         图4.2是直接耦合的两种方式，直接耦合可以使用劈形（cleaved）光纤或者锥形（tapered）光纤来实现。劈形光纤由裸纤直接劈开获得，光纤端 面为平面，价格较便宜，但由于端面为平面所以反射较大，并且与激光器耦合时插入损耗也较大（一般为9-12dB）。
                                    
                                                                                        图3.2  直接耦合的两种方式

        锥形光纤是在光纤的末梢结合了一个透镜，主要可以通过下面两种方法形成：
        1．熔化并将光纤末端拉制成锥形，这一方法将使纤芯和包层均被锥形化。通常使用电弧或者将光纤伸入熔化的玻璃中去对光纤进行加热。通过控制工艺过程可以控制透镜的对称性。该方法可获得大约2-3dB的插入损耗。
        2．腐蚀或者打磨，该方法在光纤端面形成透镜的同时保持纤芯的直径不发生变化。而且可以获得其它一些剖面外形（譬如抛物面）而不仅仅是球面。这种方法能够获得更好的耦合效率，在与激光器耦合时插入损耗可以低至0.2-0.4dB左右。
        对于直接耦合，光纤末端一般安装在靠近激光器的地方。因此，光纤必须延伸进封装内部，此时，如果器件要求密闭封装，还要对光纤进行金属化以便与管壳进行密 封处理。此外，在直接耦合中影响光源到光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径（NA）。另外，光源的发光面尺寸、光纤端面尺寸、形状以及 两者间的距离等也都会影响耦合效率。

3.1.2透镜耦合
         图4.3是透镜耦合的几种方式，透镜耦合可以是单透镜也可以是多透镜。当使用单透镜时，激光器到光纤端面的距离由透镜前后两面的半径决定。在使用多透镜的 情况下，光束通过*个透镜变成平行光，然后通过第二个透镜聚焦。在需要对反射进行严格控制的时候可以将隔离器放置在光束平行后的任何一个位置（即两个透 镜间的任何位置）。此外，透镜耦合可以将其中一个透镜安装在管壳上，这样光纤就不必伸入管壳内部，也就不必对光纤进行金属化。
                                  
                                                                                              图3.3 透镜耦合的几种方式

3.2对准技术
        对准技术一般分为“有源对准”（active alignment）和“无源对准”（passive alignment）。在有源对准技术中，激光器或者探测器通过外加偏压或电流使器件处于工作状态下进行光轴等的对准。对于无源对准，有源光器件不需要工 作，而是通过某些标记来进行对准。相比之下，无源对准是一种较新的对准技术，具有容易实现自动化、减少组装设备和工序等优点。下面是业界使用的一些对准技 术的例子。

3.2.1同轴型器件的对准
                                           
                                                                                                  图3.4   同轴型器件的对准及装配流程图

3.2.2 双透镜系统的对准
                                               
                                                                                      图3.5  蝶形封装双透镜系统的对准及装配图

3.2.3 直接耦合的对准
                                            
                                                                                                   图3.6  直接耦合的对准及装配图

4 光有源器件制造、生产过程中卓立汉光可提供的产品
4.1 TO-CAN类型的同轴器件用到的产品
        图4.1 为激光器LD TO-CAN和探测器PD TO-CAN，是光纤通信系统的核心。

                                                                          图4.1 TO-CAN类型的同轴器件

4.1.1 LD TO-CAN发散角测试
    在LD TO-CAN发散角测试过程中，需要用到卓立产品有：

4.1.2 LD TO-CAN PIV测试
                                                                                      
                                                                                                             图4.2 LD TO-CAN PIV一维测试系统

在LD TO-CAN PIV测试过程中，可以用到的卓立产品如下：

4.1.3 LD TO-CAN PIV二维测试系统
                                                              
                                                                                      图4.3 LD TO-CAN PIV二维测试系统

在LD TO-CAN PIV二维测试系统中，可用到的卓立产品包括：

4.1.4 LD TO-CAN自动焦距测试
                                                                
                                                                               图4.4 LD TO-CAN 自动测试系统

LD TO-CAN 自动测试系统中，能够用到卓立产品有：

4.1.5 PD TO-CAN耦合测试

                                                                   
                                                                                   图4.5 PD TO-CAN 自动耦合测试系统

       在PD TO-CAN耦合测试系统中，通常分为：手动或电动系统。手动耦合测试系统通常会用到卓立的产品有：

       电动耦合测试系统通常会用到卓立的产品为：

4.2 光学子装配(OSA)制程中用到的产品
4.2.1塑封光学子装配(OSA)制程中用到的卓立产品

                                                                                                      图4.6 塑封光学子装配

 

                                                                                      图4.7 塑封器件自动耦合、点胶紫外光固化工序

构建此类塑封器件自动耦合、点胶紫外光固化设备可能用到的卓立产品如下：

4.2.2 金属封装光学子装配(OSA)制程中用到的卓立产品

                                                                                                              图4.8 金属封装光学子装配


                                                                                             图4.9 金属封装器件自动耦合、焊接封装工序


                                                                                             图4.10 金属封装器件自动耦合、焊接封装工序

构建此类激光器自动耦合、焊接设备可能用到的卓立产品如下

4.3 带尾纤和蝶形器件制程中用到的产品

                                                                       图4.11 典型的带尾纤和蝶形封装器件

带尾纤的器件和蝶形器件在耦合过程中可能用到的卓立产