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有源光器件的结构和封装

分析： 日期： 拟制： 日期： 审核： 日期： 批准： 日期： 目 录 有源光器件的结构和封装 关键词：有源光器件、材料、封装 摘 要：本文对光发送器件、光接收器件以及光收发一体模块等有源光器件的封装类型、材料、结构和电特性等各个方面进行了研究，给出了详细研究结果。 缩略语清单：无 缩略语 英文全名 中文解释 1 有源光器件的分类 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，这里只讨论用于通信系统的光电子器件。在光通信系统中，常用的光电子器件可以分为以下几类：光发送器件、光接收器件、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一个管壳内部集成了激光二极管、背光检测管、热敏电阻、TEC制冷器以及光学准直机构等元部件，实现电/光转换的功能，最少情况可以只包含一个激光二极管。而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，比起光发送器件来说其集成度更高、使用更方便。 光接收器件一般是在一个管壳内部集成了光电探测器（APD管或PIN管）、前置放大器以及热敏电阻等元部件，实现光/电转换的功能，最少情况可以只包含一个光电探测器管芯。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，同样使用起来更加方便。 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部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，对于光发送和接收器件的封装，业界还没有统一的标准，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和蝶形封装两种，如图所示。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和2×9大封装、2×5和2×10小封装（SFF）以及支持热插拔的SFP和GBIC等封装。

图 光通信系统常用的两种封装类型的有源光器件 光器件与一般的半导体器件不同，它除了含有电学部分外，还有光学准直机构，因此其封装结构比较复杂，并且通常由一些不同的子部件构成。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闭型的封装里面，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。TO-CAN就是最常见的一种，如图所示，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 TO-CAN封装外形和结构图 另一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），图就是一个典型的蝶形封装用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 光学子装配（OSA） 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。

2.1.1 同轴型光发送器件的封装结构 同轴型封装光发送器件的典型外形和内部结构如图所示，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 同轴型激光器外形及内部结构图 2.1.2 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，第一透镜用于准直，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，如图所示。

图 带制冷器的蝶形封装光发送器件外形和内部结构图 图 两种不同耦合方式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。

2.2.1 同轴型光接收器件的封装结构 同轴型封装光接收器件的典型外形和内部结构如图所示，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 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。

2.2.2 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，如图中右上角所示，这种结构要求管壳是全密闭封装。 图 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、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1X9和2X9两种封装，2X9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（2X9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）。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）。

图 1×9 SC收发一体模块外形和内部结构 2.3.2 GBIC（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1X9以及2X9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 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。我司主要使用的有MTRJ和LC光接口。图是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