1、產品名稱無產品版本 無共28 頁有源光器件的結構和封裝分析：日期：擬制：日期：審核：日期：批準：日期：目 錄1 有源光器件的分類 . 錯誤 .未指定書簽；2 有源光器件的封裝結構 . 錯誤 .未定義書簽；2.1 光發(fā)送器件的封裝結構 . 錯誤 .未指定書簽；2.1.1 同軸型光發(fā)送器件的封裝結構 . 錯誤 .未指定書簽；2.1.2 蝶形光發(fā)送器件的封裝結構 . 錯誤 .未指定書簽；2.2 光接收器件的封裝結構 . 錯誤 .未指定書簽；2.2.1 同軸型光接收器件的封裝結構 . 錯誤 .未指定書簽；2.2.2 蝶形光接收器件的封裝結構 . 錯誤 .未指定書簽；2.3 光收發(fā)一體模塊的封裝結構 .

2、 錯誤 .未指定書簽；2.3.1 1 9和 2 9大封裝光收發(fā)一體模塊 . 錯誤 .未指定書簽；2.3.2 GBIC （Gigabit Interface Converter）光收發(fā)一體模塊 . 錯誤 .未指定書簽；2.3.3 SFF （Small Form Factor）小封裝光收發(fā)一體模塊 . 錯誤 .未指定書簽；2.3.4 SFP （Small Form Factor Pluggable）小型可插拔式光收發(fā)一體模塊 錯 誤 . 未 指 定 書簽；2.3.5 光收發(fā)模塊的子部件 . 錯誤 .未指定書簽；3 有源光器件的外殼 . 錯誤 .未指定書簽；3.1 機械及環(huán)境愛護 . 錯誤 .未指定

3、書簽；3.2 熱傳遞 . 錯誤 .未指定書簽；3.3 電通路 . 錯誤 .未指定書簽；3.3.1 玻璃密封引腳 . 錯誤 .未指定書簽；3.3.2 單層陶瓷 . 103.3.3 多層陶瓷 . 錯誤 .未指定書簽；3.3.4 同軸連接器 . 錯誤 .未指定書簽；3.4 光通路 . 錯誤 .未指定書簽；3.5 幾種封裝外殼的制作工藝和電特性實例 . 錯誤 .未指定書簽；3.5.1 小型雙列直插封裝（MiniDIL ） . 錯誤 .未指定書簽；3.5.2 多層陶瓷蝶形封裝（Multilayer ceramic butterfly type packages）.錯誤 .未指定書簽；3.5.3 射頻連接

4、器型封裝 . 錯誤 .未指定書簽；4 有源光器件的耦合和對準 . 錯誤 .未指定書簽；4.1 耦合方式 . 錯誤 .未指定書簽；4.1.1 直接耦合 . 錯誤 .未指定書簽；4.1.2 透鏡耦合 . 錯誤 .未指定書簽；4.2 對準技術 . 錯誤 .未指定書簽；4.2.1 同軸型器件的對準 . 錯誤 .未指定書簽；4.2.2 雙透鏡系統(tǒng)的對準 . 錯誤 .未指定書簽；4.2.3 直接耦合的對準 . 錯誤 .未指定書簽；5 有源光器件的其它組件 /子裝配 . 錯誤 .未指定書簽；5.1 透鏡 . 錯誤 .未指定書簽；5.2 熱電制冷器（ TEC ） . 錯誤 .未指定書簽；5.3 底座 . 錯誤

5、 .未指定書簽；5.4激光器管芯和背光管組件.錯誤 .未指定書簽；6有源光器件的封裝材料 .錯誤 .未指定書簽；6.1膠 .錯誤 .未指定書簽；6.2焊錫 .錯誤 .未指定書簽；6.3搪瓷或低溫玻璃 .錯誤 .未指定書簽；6.4銅焊 .錯誤 .未指定書簽；7附錄：參考資料清單.錯誤 .未定義書簽；有源光器件的結構和封裝關鍵詞： 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 構和電特性等各個方面進行了爭論,給出了具體爭論結果；縮略語清單： 無縮略語英文全名中文說明1有源光器件的分類O/E）轉換或者電光（E/O）轉換的器件叫做有源

6、光電子器件,其種類非一般把能夠實現(xiàn)光電（常繁多,這里只爭論用于通信系統(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)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制冷器以及光學準直機構等元部件,實現(xiàn)電/光轉換的功能,最少情形可以只包含一個激光二極管；而光發(fā)送模塊就是在光發(fā)送器件的基礎上增加了一些外圍電路,如激光器驅動電路、自動功率掌握電路等,比起光發(fā)送器件來說其集成度更高、使用更便利；光接收器件一般是在一個管殼內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

7、部件,實現(xiàn)光 /電轉換的功能,最少情形可以只包含一個光電探測器管芯；光接收模塊就是在光接收器件的基礎上增加了放大電路、數(shù)據(jù)時鐘復原電路等外圍電路,同樣使用起來更加便利；把光發(fā)送模塊和光接收模塊再進一步集成到同一個器件內部便形成了光收發(fā)一體模塊；它的集成度更高,使用也更加便利,目前廣泛用于數(shù)據(jù)通信和光傳輸?shù)阮I域；2 有源光器件的封裝結構前面提到,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)界仍沒有統(tǒng)一的標準,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,如圖 2.1所示；而對于光收發(fā)一體模塊,其封裝形式

8、就較為規(guī)范,主要有 1 9和2 9大封裝、 2 5和2 10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體器件不同,它除了含有電學部格外,仍有光學準直機構,因此其封裝結構比較復雜,并且通常由一些不同的子部件構成；其子部件一般有兩種結構,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,管腳一般采納“ 金屬玻璃” 密封；這種以TO-CAN 形式封裝的部件一

9、般用于更高一級的裝配,例如可以加上適當?shù)墓饴窚手睓C構和外圍驅動電路構成光發(fā)送或接收模塊以及收發(fā)一體模塊；圖2.2 TO-CAN 封裝外形和結構圖另一種結構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）,然后再粘接到一個更大的基底上面以供應熱沉,上面可能仍有熱敏電阻、透鏡等元件,這樣的單元一般稱為光學子裝配（ OSA ： optical subassembly）；光學子裝配一般又分為兩種：發(fā)送光學子裝配（TOSA ）和接收光學子裝配（ROSA ）,圖 2.3就是一個典型的蝶形封裝用發(fā)送光學子裝配實物圖；光學子裝配通常安裝在 TEC制冷器上或者直接安裝在封裝殼體的底座上；圖2

10、.3 光學子裝配（ OSA ）2.1 光發(fā)送器件的封裝結構光發(fā)送器件的封裝主要分為兩種類型：type package）；同軸型封裝一般不帶制冷器,2.1.1 同軸型光發(fā)送器件的封裝結構同軸型封裝 （ coaxial type package）和蝶形封裝 （ butterfly 而蝶形封裝依據(jù)需要可以帶制冷器也可以不帶制冷器；同軸型封裝光發(fā)送器件的典型外形和內部結構如圖 2.4所示, 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,它的具體結構和外形如圖2.2所示,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現(xiàn)

11、互聯(lián),并且 TO-CAN 肯定要密閉封裝；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（依據(jù)具體的應用來挑選）；尾纖的固定一般采納環(huán)氧樹脂粘接或者采用激光焊接,另外可以使用單透鏡結構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部結構圖2.1.2 蝶形光發(fā)送器件的封裝結構蝶形封裝因其外形而得名,這種封裝形式始終被光通信系統(tǒng)所采納；依據(jù)應用條件不同,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)固

12、性和牢靠性要求較高,因此需要對激光器管芯溫度進行掌握而加制冷器,對于一些牢靠性要求較低的數(shù)據(jù)通信或短距應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構,它在一個金屬封裝的管殼內集成了半導體激光器、集成調制器、背光檢測管、制冷器、熱敏電阻等部件,然后通過肯定的光學系統(tǒng)將激光器發(fā)出的光信號耦合至光纖；一般光路上有兩個透鏡,第一透鏡用于準直,其次透鏡進行聚焦,當然也可以使用錐形光纖或者在尾部制作了透鏡的光纖進行耦合；光纖的耦合可以在殼體外部完成也可以采納伸入殼體內部的結構,如圖 2.6所示；圖 2.5 帶制冷器的蝶形封裝光發(fā)送器件外形和內部結構圖圖2.6 兩種不同耦合方式的蝶形封裝光發(fā)送器

13、件結構圖2.2 光接收器件的封裝結構與光發(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構同軸型封裝光接收器件的典型外形和內部結構如圖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 APD ）圖2.7 同軸型光接收器件外形及內部結構圖和前置放大器, 通過鍵合的方法與外部實現(xiàn)互聯(lián),并且肯定要密閉封裝；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

14、-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 （依據(jù)具體的應用來挑選）；尾纖的固定一般采納環(huán)氧樹脂粘接或者采納激光焊接,另外可以使用單透鏡結構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構2.8所示, 它主要有兩種結構；一種是使用同軸蝶形封裝光接收器件的典型外形和內部結構如圖型封裝的探測器加上相應的放大電路等構成,如圖 2.8中右下角所示, 這種結構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現(xiàn),如圖 2.8中右上角所示,這種結構要求管殼是全密閉封裝；圖2.8 蝶形封裝光接收器件外

15、形和內部結構圖2.3 光收發(fā)一體模塊的封裝結構光收發(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部構成的一種新型光電子器件, 它具有體積小、 成本低、 牢靠性高以及較好的性能等優(yōu)點；它一般由發(fā)送和接收兩部分構成,發(fā)送部分輸入肯定碼率的電信號（155M 、 622M 、2.5G 等）經內部驅動芯片處理后,驅動半導體激光器（ LD ）或發(fā)光二極管（LED ）發(fā)射出相應速率的調制光信號,并且其內部帶有光功率自動掌握電路,使輸出的光功率保持穩(wěn)固；在接收部分,肯定碼率的光信號輸入模塊后由光探測二極管轉換成電信號, 然后經前置放大器處理后輸出相應碼率的電信號,輸出的電信號一般為PECL電平, 同時

16、在輸入光功率小于肯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)范的標準,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 兩種封裝為大封裝,小封裝的有 2X5 和2X10 SFF兩種；光接口有 SC、MTRJ 、LC 等形式；2.3.11 9和2 9大封裝光收發(fā)一體模塊9個管腳有激光大封裝的有 1X9 和 2X9兩

17、種封裝, 2X9 的前一排 9個管腳與 1X9 的完全兼容,另外器功率和偏置監(jiān)控以準時鐘復原等功能（2X9 封裝雖然帶偏置和功率監(jiān)控以準時鐘復原,但由于無國際標準支持,為非主流產品,使用較少,生產廠家也少,且目前部分廠家已停產）；光接口一般采納無尾纖 SC接頭,但也有少量廠家生產ST接口和帶尾纖的FC、SC接頭；模塊內部主要由兩大部分組成：發(fā)送部分和接收部分；發(fā)送部等幾部分構成,有些模塊仍具有發(fā)送使能、檢測輸出以及自動溫度補償?shù)?；接收部分主要?PIN-FET 前放組件和主放電路兩部分組成,并具有無光告警；模塊內部的具體結構如圖 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

18、家模塊的內部結構圖（ 1 9封裝和 2 9封裝模塊的外形和內部結構一樣）；圖2.9 1 9 SC收發(fā)一體模塊外形和內部結構2.3.2GBIC（Gigabit Interface Converter）光收發(fā)一體模塊由于部分系統(tǒng)需要在運行中更換光模塊,為了不影響系統(tǒng)的正常運行,顯現(xiàn)了不需關掉系統(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 Converter ）和 SFP（Small Form Factor Plugable ）兩種； 圖2.10是GBIC 光收發(fā)一體模塊的典型外形和內部結構圖,從圖中可知, GBIC 模塊和 1X9 以及 2X

19、9 大封裝的模塊在光接口類型、內部結構、 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 模塊的電接口采納的是卡邊沿型電連接器（20-pin SCA 連接器）,以滿意模塊熱插拔時的上下電次序,另外,模塊內部仍有一個 EEPROM 用來儲存模塊的信息；圖 2.10 GBIC 收發(fā)一體模塊外形及內部結構圖2.3.3SFF（Small Form Factor）小封裝光收發(fā)一體模塊SFF小封裝光收發(fā)一體模塊外形尺寸只有1 9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 2

20、X5 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；圖 2.11是SFF型2 10封裝 LC 型光接口收發(fā)一體模塊典型外形和內部具體 結構圖,從圖中可知它由接收光學子裝配（結構參見同軸型光接收器）、發(fā)送光學子裝配（結構參 見同軸型光發(fā)送器）、光接口、內部電路板、導熱架和外殼等部分組成；MTRJ 光接口的 2 5封裝 SFF模塊和 LC型的 SFF模塊只有光接口部分不同,其它部分都一樣,如圖 2.12所示；圖2.11 SFF型2 10封裝 L

21、C光接口收發(fā)一體模塊外形和內部具體結構圖圖2.12 SFF 型 2 5封裝 MTRJ光接口收發(fā)一體模塊外形和內部結構圖2.3.4SFP （Small Form Factor Pluggable）小型可插拔式光收發(fā)一體模塊1 9SFP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)一體模塊采納的是卡邊沿型電連接器以滿意模塊熱插拔時的上下電次序；另外,模塊內部仍有一個EEPROM 用來儲存模塊的信息；圖 2.13是SFP型封裝 LC型光接口收發(fā)一體模塊外形和內部結構圖；圖2.13 SFP 封裝 LC型光接口收

22、發(fā)一體模塊外形和內部結構圖2.3.5 光收發(fā)模塊的子部件光收發(fā)一體模塊從結構上來看主要由光學子裝配（子部件進行具體敘述；OSA）、電路板和外殼等構成,下面對這些（1）光學子裝配（OSA ）TOSA ）和接收光學子裝配（ROSA ）,是收發(fā)一體光學子裝配（ OSA ）包括發(fā)送光學子裝配（模塊的主要部件；它主要由機械結構、光路以及 電路等）構成,如圖 2.14和2.15所示；TO-CAN 封裝的有源部分（激光器、探測器及放大圖2.14 兩種接收光學子裝配的結構及實物圖圖2.15 兩種發(fā)送光學子裝配的結構及實物圖由于探測器的光敏面較大,對光路的對準精度要求不高,所以接收光學子裝配（ROSA ）的結構

23、要簡潔些,一般為 TO-CAN 直接套接在一個金屬套筒（或塑料套筒）中構成,而且一些廠家在光接口內部不使用陶瓷套筒；在固定方式上一般直接采納簡潔的粘膠進行固定,同時也有用激光點焊等其它固定方法；而發(fā)送光學子裝配（TOSA ）由于對準精度要求較高,因而結構復雜,一般為金屬結構且光接口多使用陶瓷套筒,固定方法多采納激光點焊進行固定；另外,采納何種光路結構仍 與器件的類別有關,一般單模激光器要求對準精度較高,因此多采納金屬結構且光接口多用陶瓷套 筒,而多模激光器由于對準精度要求不高而采納塑料結構；（2）電路板光收發(fā)一體模塊內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

24、路板三種,如圖 2.16所示；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,且不能多次彎折,所以這兩種使用較少；圖2.16 光收發(fā)一體模塊內部常見的幾種電路板在電路設計上,光收發(fā)一體模塊主要采納專用集成電路構成,也有直接在 PCB板上綁定芯片的形式（ COB：chip on board）,如圖 2.17所示； COB 的生產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,并經過引線鍵合（wire bonding ）,再加上適當抗垂流性的環(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

25、,但使用這種封裝的模塊生產 工藝復雜,且牢靠性不高；3有源光器件的外殼圖2.17 光收發(fā)一體模塊內部所用的電路芯片有源光器件的外殼主要實現(xiàn)以下一些功能：a 機械以及環(huán)境愛護 b 熱傳遞 c 保證光路的穩(wěn)固性 d 供應光通路和電通路3.1 機械及環(huán)境愛護用于傳輸系統(tǒng)的元器件要求具有較高的牢靠性,特殊是對于光器件要求就更高；所以,傳輸用光電子器件一般采納密閉封裝 ；典型的管殼由基底（base）、密封環(huán)（ seal-ring）、電通路以及尾纖導管（ fiber pipe ）等部分構成,這些部分為內部芯片和電路供應了機械和環(huán)境愛護,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疇內殼體密封

26、性能的牢靠性；而對于一些數(shù)據(jù)通信用的光電子器件,由于牢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納非密閉封裝,而且殼體可以使用鑄模塑料；3.2熱傳遞TEC制冷對于一些發(fā)熱量較大或者需要工作溫度穩(wěn)固的有源光器件,管殼內通常仍會包含一個器（ Thermo-Electric Cooler ）,這種情形下,管殼的基底一般采納 以便起到良好的熱傳遞功能；3.3 電通路銅鎢合金 （copper-tungsten）構成,為了實現(xiàn)封裝的牢靠密封,管殼上電通路所使用的電介質一般為非有機材料玻璃或者陶瓷；而可伐合金（Kovar ）的熱膨脹系數(shù)與陶瓷接近,所以密封環(huán)和尾纖導管一般采納可伐合金,但可伐合金的導

27、熱性能并不抱負,所以在不是特殊需要低熱阻的情形下,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；依據(jù)電信號速率的不同,電通路主要有以下結構：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 玻璃密封引腳玻璃密封引腳是直接利用玻璃介質將電引腳密封于管殼上的過孔內（如圖 3.1所示）,內部元件與管腳間電信號的互聯(lián)一般通過鍵合實現(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)模塊常采納（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,只不過介質使用

28、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現(xiàn)模塊內外的互聯(lián),如圖 3.3所示；該方法假如使用差分的形式可以獲得高達 10Gb/s的信號速率；圖3.3 多層陶瓷3.3.4同軸連接器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前面提到的幾種引腳設計,材料對于超過 3-5Gb/s左右的信號很難供應良好的傳輸特性；因此, 對于高速率的信號間互聯(lián)一般通過同軸電纜來實現(xiàn), 這樣業(yè)界對于 10Gb/s或更高速率的有源光器件的電接口都采納同軸

29、電纜的方式,如圖 3.4、3.5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納這種方式；圖3.4 同軸連接頭圖3.5 器件引腳到內部部件間的互聯(lián)圖3.6 器件引腳的結構圖以及電參數(shù)的測試實例3.4 光通路 - 激光器發(fā)出的光信號要進入光纖以及從光纖傳來的光信號要進入光探測器都得經過肯定的光通路,光通路的結構一般有兩種,如圖3.6所示；從圖中可知,b結構是將光纖直接延長到管殼內部圖3.6 兩種光通路結構進行耦合,此時就需要對光纖進行金屬化,然后通過焊錫與外殼上的金屬套管密封起來,最終光纖 尾部通過粘膠來固定,以增強其機械性能；由于光纖和套管間有許多的間隙,所以焊錫用量較大,有

30、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的焊料,增加了工藝的復雜度,不利于自動化生產；但假如 采納直接耦合方式,就不得不采納這樣的結構；當光路中使用透鏡耦合時,就可以通過使用集成了透鏡或隔離器的管殼來實現(xiàn)光路的耦合,如圖3.6中的 a結構,這樣就不存在光纖的金屬化和密封焊接等問題,這種結構的耦合對準在外部的其次透鏡處完成；總的來說, 兩種光路結構除了生產過程不同外（a結構更易于生產）,在牢靠性方面也都有各自的問題；采納透鏡耦合方式,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

31、以及器件尾部耦合部分受到機械應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 內部光纖夾子的固定會影響到光路的耦合（有激光點焊和焊料固定兩種方式）,焊接質量不好,應 力的緩慢釋放都會導致光路位移,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例3.5.1 小型雙列直插封裝（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,具有高牢靠性和低成本的特點,可依據(jù)需要設計成25ohm或50ohm匹

32、配,并可集成透鏡,如圖3.7、3.8所示；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構,其主要應用范疇是OC192（STM-64 ）、OC48（STM-16 ）、DWDM 等高速率激光器、泵浦激光器、可調激光器以及激光調制器等, 其牢靠性較高并且易于滿意客戶的各種需求,而且陶瓷電通路仍可采納射頻連接器,

33、所以該封裝的應用范疇很廣；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射頻連接器型封裝一般應用于所示；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4.1 耦合方式激光器發(fā)出的光信號進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

34、可以獲得比直接耦合更高的耦合效率；而采納雙透鏡耦合,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；4.1.1圖4.1 激光器到光纖的耦合方式tapered）光纖直接耦合圖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（來實現(xiàn)；劈形光纖由裸纖直接劈開獲得,光纖端面為平面,價格較廉價,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合了一個透鏡,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

35、 將光纖伸入熔化的玻璃中去對光纖進行加熱；通過掌握工藝過程可以掌握透鏡的對稱性；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,光纖必需延長進封裝內部,此 時,假如器件要求密閉封裝,仍要對光纖進行金屬化以便與管殼進行密封處理；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

36、, 光源的發(fā) 光面尺寸、光纖端面尺寸、外形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打算；在使用多透鏡的情形下,光束通過第一個透鏡變 成平行光,然后通過其次個透鏡聚焦；在需要對反射進行嚴格掌握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部,也就不必對光纖進行金屬化；圖4.3 透鏡耦合的幾種方式4.2對準技術active alignment ）和“ 無

37、源對準” （passive alignment）；在對準技術一般分為“ 有源對準” （有源對準技術中,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)下進行光軸等的對 準；對于無源對準,有源光器件不需要工作,而是通過某些標記來進行對準；相比之下,無源對準 是一種較新的對準技術,具有簡潔實現(xiàn)自動化、削減組裝設備和工序等優(yōu)點；下面是業(yè)界使用的一 些對準技術的例子；4.2.1同軸型器件的對準圖4.4 同軸型器件的對準及裝配流程圖4.2.2雙透鏡系統(tǒng)的對準圖4.5 蝶形封裝雙透鏡系統(tǒng)的對準及裝配圖4.2.3 直接耦合的對準圖4.6 直接耦合的對準及裝配圖5 有源光器件的其它組件 / 子裝配5.1

38、透鏡圖5.1給出了有源光器件內部常用的幾種透鏡組件,圖 集成透鏡組件；5.2給出了有源光器件管殼上常用的幾種5.2熱電制冷器（ TEC）圖5.1 光模塊內部使用的透鏡組件圖5.2 幾種集成在管殼上的透鏡圖5.3 TEC原理及實物圖熱電制冷又稱溫差電制冷,它是利用熱電效應（即帕爾貼效應）的一種制冷方法,這種方法的制冷成效主要取決于兩種材料的熱電勢；半導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,當通以正向電流時,熱量由上表面流到下表面實現(xiàn)制冷的功能；反之,當通以反向電流時,熱量由下表面流到上表面實現(xiàn)制熱的功能；在光發(fā)送器件里面,常用這種小型的制冷器來掌握激光器管芯的

39、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)固；5.3 底座對于單模尾纖的光發(fā)送器件,光信號耦合進光纖的直徑約 6 m,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 1 m的位移將會導致光功率下降到原先的約 70（減小約 1.5db）；而在管殼內部,激光器以及一些光學組件都固定在底座上,因此要求底座有較好的機械強度和共面性,稍厚一些的底座其機械性能自然更好,當然也利于散熱；同時,在生產裝配過程中要留意熱沉的共面性以及安裝定位螺絲的次序和扭矩；5.4 激光器管芯和背光管組件在一個有源光器件內部包含了各個子組件,由這些子組件依據(jù)肯定的裝配次序組裝成為一個完整的

40、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顯現(xiàn)的；圖 5.4是一些激光器管芯組件和背光管組件的結構和材料特性圖；對于激光器管芯組件來說,一般仍集成了匹配電阻,有時候熱敏電阻也做在同一個組件上以便精確地探測激光器管芯的溫度；而背光管一般只有一個簡潔的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構和材料特性6 有源光器件的封裝材料對于光電子器件中所用的材料,主要關懷的是在同一器件內部的不同材料間是否會相互影響,假如會相互影響,就不能使用；不相容的材料通常會由于熱膨脹系數(shù)不一樣、形成金屬間化合物、粘接不牢、離子污染、腐蝕或氧化、產憤怒體污染和腐蝕組件等緣由而導器件失效；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（可采納紫外或者高溫固化）；2、 焊錫；3、 搪瓷或低溫玻璃；4、 激光焊接；5、 機械螺絲；6、 銅焊；與玻璃折射率相匹配的透亮紫外膠（折射率1.481）在室溫或紫外線的照耀下