第五章光電組件和模塊技術1PPT課件目錄5-1概述5-2光發射組件（TOSA）5-3光接收組件（ROSA）5-4光收發一體組件（BOSA）5-5光電模塊5-6最新進展和未來發展2PPT課件5-1概述光電模塊在STM-1ADM光通信系統中的位置HDB3編碼HDB3解碼去映射映射時隙指定/交叉E1E1-分插享用段/通道開銷處理解擾碼串/并段/通道開銷處理擾碼串/并STM-1光電模塊光電模塊O/E抽時鐘網管電源E/O定時再生GaAs—ICGe-Si--ICSi-MOS—ICLSorULSGaAs—ICGe-Si--IC3PPT課件5-1概述光端機的技術發展和光電模塊的產生StandardCompactPCIplatformMUXPWBOTBORBDEMUX+MUX/DEMUXPWBPWBORBOTRB+過去現在未來??4PPT課件5-1概述光電模塊的基本結構光電模塊定義：完成O/E、E/O變換且具有標準光接口和電接口的系統基本結構：光源（TOSA）+驅動電路、探測器（ROSA）+接收電路、接口、其它輔助電路、外殼分類方法結構用途國內外主要廠家

5PPT課件5-2TOSA含義：TransmitterOpticalSub-Assembly光發射組件（TOSA）分類：同軸封裝（TO-CAN）其它結構TO56LD、金屬件、陶瓷套筒（sleeve）、陶瓷插芯（ferrule）6PPT課件5-2TOSATOSA的設計光學設計合適的耦合效率小的光反射傳統的：低成本：7PPT課件5-2TOSA光學設計球透鏡耦合效率~15%8°插芯陶瓷反射損耗

~-50dB耦合臺精度~0.8m非球透鏡耦合效率~50%8°插芯陶瓷反射損耗

~-50dB耦合臺精度~0.5m8PPT課件5-2TOSA球透鏡:?

優點:工藝成熟,用量大,成本低

?

問題:耦合效率?低

?

原因:球透鏡的球差太大

|X|=1/2(n2/(n2-1)2-1)·f·NA3

對ф=1.5mm,n2=1.5的球透鏡

|X|∽1.7mm>>φf?max≦15%Pf(max)∽1.5mwLD|X|

光纖N29PPT課件5-2TOSA非球透鏡

?

優點:像差小,?高

?

問題:工藝復雜,價格較高

光纖

LD

?≥35%?max∽53%

10PPT課件5-2TOSA球透鏡與光纖插芯耦合11PPT課件產品對比－非球透鏡與NEC、巨康、SUMITOMO的同類產品的主要參數對比廠家型號Ith(mA)(CW)Vf(V)(Ith+20mA)η(W/A)(CW,5mW)λc(nm)(CW,5mw)MINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAX鐳波5151.11.60.350.4129013101330NECNX6306G10201.11.60.20.312801335巨康AC322010151.151.50.30.4129013101330SUMITOMOSLT11308151.21.6128013101340廠家型號Δλ(nm)(CW,RMS)Im(uA)(Vr=5V)Iop(mA)(CW,5mW)MINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAX鐳波2415040010002030NECNX6306G2006001000巨康AC3220231002230SUMITOMOSLT11302520012PPT課件產品對比－非球透鏡對比NEC、巨康、SUMITOMO的同類產品的出纖功率/耦合效率，鐳波產品達到國際同類產品的先進水平表中單位：光功率為mW，耦合效率為%廠家型號MINTYPMAX鐳波5.0/45%5.2/50%6.4/53%NECNX6306G4.0/40%巨康AC32203.5/38%SUMITOMOSLT11304.0/40%13PPT課件5-2TOSA熱設計DescriptionValueUnits0.2W0.5W1WHeightoflaserstripe0.50.50.5[μm]Widthoflaserstripe5050100[μm]Z-positionoflaserstripe111[μm]HeightofLD0.150.150.15[mm]WidthofLD0.50.50.5[mm]LengthofLD0.50.751.1[mm]Thicknessofsolder333[μm]Heightofheatspreader0.20.20.2[mm]Widthofheatspreader1.01.01.0[mm]Lengthofheatspreader1.11.11.5[mm]Thicknessofsolder/glue3/203/203/20[μm]Heightofbase1.71.71.7[mm]Widthofbase1.21.21.2[mm]Lengthofbase444[mm]

Materialk[W/m/k]Glue1GaAs46AuSn57.1AlN180CVDD1800Copper400Invar1314PPT課件5-2TOSABaseBondingP=200mWP=500mWP=1000mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperSolder35.026.430.724.925.122.6CopperGlue41.027.036.025.628.423.1InvarSolder97.484.091.682.474.370.0InvarGlue102.990.297.188.778.374.5Table3Themaximumtemperaturein°C.BaseofInvarorCopper,heatspreaderbondedtobasewithsolderorglue.Heatinputinallcases1W,thenominalpowerofthediodeisgiven.-熱設計15PPT課件5-2TOSABaseBondingP=200mWP=500mWP=1000mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperSolder15.06.410.74.95.12.6CopperGlue21.010.816.09.38.45.8InvarSolder77.464.071.662.454.350.0InvarGlue82.970.277.168.758.354.5Table4ThethermalresistanceinK/W.BaseofInvarorCopper,heatspreaderbondedtobasewithsolderorglue.Thenominalpowerofthediodeisgiven.-熱設計16PPT課件5-2TOSABaseBondingP=200mWP=500mWP=1000mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperSolder100%43%100%46%100%51%CopperGlue140%72%149%87%165%114%InvarSolder516%426%668%582%1070%986%InvarGlue553%468%720%641%1150%1075%Table5Therelativethermalresistance,AlNsolderedheatspreaderwithcopperbaseasreference.BaseofInvarorCopper,heatspreaderbondedtobasewithsolderorglue.Thenominalpowerofthediodeisgiven.-熱設計17PPT課件5-2TOSA-熱設計Figure2Thetemperaturedistributionofthepackage.200mWdiodeoncopperbasewithsolder.TotheleftAlNheatspreader,CVDDheatspreaderattheright.18PPT課件5-2TOSA-熱設計19PPT課件5-2TOSA20PPT課件5-2TOSA機械設計耦合的精確定位–達到0.5m穩定的固定支撐–維持0.5m和模塊的配合-無應力21PPT課件5-2TOSA-機械設計

LD器件金屬件套管插芯22PPT課件5-2TOSA耦合的精確定位和固定23PPT課件自動耦合系統24PPT課件YAG激光器TO封裝LD耦合焊接系統25PPT課件5-2TOSA

TCS-MUTCS-MU-3L6.8+0/-0.1?D?1.62±0.01?d?1.246R0.1耦合的精確定位和固定L3.0～15.0±0.1?D1.0～8.0±0.01?d?0.5～5.0±0.00126PPT課件說明額定極限值

組件性能(FP)組件性能(DFB)管腳排列與極性圖固定架選擇圖Hi-OptelTechnology

激光器組件特點：固定架3125476返回27PPT課件5-2TOSA-機械設計28PPT課件5-2TOSATOSA工藝過程LD和LD管座固定調整耦合臺點UV膠并照射插芯和插芯座固定入庫末測老化YAG激光焊接

29PPT課件5-2TOSATOSA的測試L-I-VIth30mA下Pf插拔30mA下△Pf連續3次≤0.2dB30PPT課件TOSA測試系統框圖TrigSourceMeter2400DualPhotodiodeMeter2500IEEE-488InterfacePCSoftwareTECPDTECControl2510-ATSphereBD

本系統適用于激光二極管中Chip，TO，Model各階段的產品測試，其核心測試為L-I-V測試，根據不同用戶的要求，可選配不同類型的積分球，溫控器或數字多用表進行溫控和其它參數的測試

系統組成一臺Model2400源表一臺雙通道光功率計2500一臺帶GPIB接口卡的PC為用戶定做的專用程序

31PPT課件5-2TOSATOSA的測試32PPT課件5-2TOSA主要技術指標FP-TOSA光電參數符號最小值典型值最大值單位測試條件輸出光功率LPF0.20.3-mWIF=Ith+20mAMPF0.81.0-mWIF=Ith+20mAHPF1.52.0-mWIF=Ith+20mA閾值電流Ith-1020mACW工作電流IOP-3060mA-工作電壓VOP-1.11.5VIF=Ith+20mA中心波長1310nmλc128013101340nmIF=Ith+20mA1550nm148015501580上升、下降時間（10~90%）Tr/Tf-0.30.7nsIF=Ith+20mA監視電流Im0.10.5mAIF=Ith+20mA光譜寬度（RMS）1310nmΔλ-37nm-1550nm-3733PPT課件5-2TOSADFB-TOSA主要技術指標光電參數符號最小值典型值最大值單位測試條件輸出光功率PF1.52.0-mWIF=Ith+20mA閾值電流Ith-1020mACW工作電流IOP-3060mA-工作電壓VOP-1.11.5VIF=Ith+20mA中心波長1310nmλc128013101340nmIF=Ith+20mA1550nm148015501580上升、下降時間（10~90%）Tr/Tf-0.30.7nsIF=Ith+20mA監視電流Im0.10.5-mAIF=Ith+20mA光譜寬度（-20dB）Δλ-1-nm-邊模抑制比SMSR3040-dB-34PPT課件5-3ROSA含義：ReceiverOpticalSub-Assembly光接收組件（ROSA）分類：同軸封裝（TO-CAN）其它結構TO46PIN-TIA、金屬件、陶瓷套筒（sleeve）、陶瓷插芯（ferrule）35PPT課件5-3ROSAROSA的設計光學設計電路設計熱設計機械設計

PD的光敏面40~75mSM光纖芯徑9m-0.5dB耦合容差~1.5m36PPT課件5-3ROSA-電路設計i、i1分別是1碼和0碼電平處噪聲電流的RMS值；BER是誤碼率，為10-9時，Q=6；R是PIN-PD的光電轉換效率；BWPD是PD帶寬；RL是放大器的等效輸入電阻；37PPT課件5-3ROSAW是i層厚度，Vsat是載流子最大漂移速度。RS是PIN-PD的串聯電阻，Cin是放大器的等效輸入電容，是PD芯片電容和分布電容之和。PD芯片電容為A/W，A是光敏區面積。例子：W=10m，Vsat=105m/s（Si），tr=100ps

Cin~1pF，RL~1000，RC=1000ps38PPT課件5-3ROSA39PPT課件同軸TO-46型PIN-TIA原理框圖40PPT課件TO-46型PIN-TIA封裝結構41PPT課件5-3ROSA測試設備電壓源光功率計光衰減器示波器測試板測試參數輸出電壓（-30dB光注入）工作電流插拔一致性42PPT課件5-3ROSA主要技術指標交流特性符號最小典型最大單位測試條件增益(單端應用)

（差分應用）G--100200mV/μWλ=1300nm帶寬(-3dB)BW115--MHzPf=1μW靈敏度（Ber=10-10）Sen.--39-dBmλ=1300nm飽和光功率--30-dB輸出電阻（差分）Ro-50-Ω工作電流Icc-3240mA43PPT課件5-4BOSA含義：Bi-dirictionalOpticalSub-Assembly光雙向收發組件（BOSA）分類：同軸封裝（TO-CAN）其它結構TO56LD、TO46PIN-TIA、光學濾波片(WDM-Filter)、金屬件、陶瓷套筒（sleeve）、陶瓷插芯（ferrule）44PPT課件5-4BOSA設計光學設計原理

在一根光纖中利用波分復用（WDM）技術進行信號的全雙工傳輸21光纖LD2PD1PD245PPT課件5-4BOSA設計光學設計實現方案

?

熔接拉錐模間耦合

?

平面光波導--PLC（美國）

?

光纖光柵---------------------光柵分光

?

小型濾波片（大陸/臺灣）干涉膜型濾波器

?Si基微型濾波片光纖（日本）46PPT課件光學設計實現方案47PPT課件5-4BOSA設計方案的比較性能體積密封性集成性一致性設備要求易生產性批量成本濾波片高大好差一般低手動較高光纖濾波高小差一般一般高/半自動較高平面波導高較小差好好高半自動較低48PPT課件5-4BOSA設計WDM濾波片型光路原理光發/透射

1490nm

LD

光纖

1310nm

透鏡PD光收/反射49PPT課件5-4BOSA設計1490T/1550T/1310R0°45°50PPT課件5-4BOSA設計1310T/1490R/1550R0°45°51PPT課件5-4BOSA設計濾波片技術指標52PPT課件5-4BOSA機械設計波片尺寸2×2×0.453PPT課件5-4BOSABOSA工藝過程54PPT課件5-4BOSAONU單元BOSA主要技術指標參數符號單位結果條件minmax中心波長λpnm12901330Ith+20mA光譜半寬△λm

nm1.92.3Ith+20mA，FP-LD閾值電流IthmA8.013.0Ith

+20mA出纖光功率PfmW2.05.6Ith

+20mA，SM插拔重復性△Pf

dB0.6Ith

+20mA，5次平均速率BMb/S1250接收靈敏度SrdBm-24BER=10-12飽和光功率dBm-3BER=10-12光串擾dB25Ith+20mA55PPT課件3-51×9光收發模塊電路設計發射電路設計接收電路設計結構設計測試1×9光收發模塊1×9BIDI光收發模塊GBIC光收發模塊SFF光收發模塊SFP光收發模塊SFFBIDI光收發模塊56PPT課件接收電路設計限幅放大器ICPIN-TIA時鐘恢復判決再生IC57PPT課件光發射機電路設計58PPT課件光收發一體模塊電路原理框圖3片Si-IC和LD、PD構成光收發一體模塊59PPT課件3-51×9光收發模塊結構設計支撐TOSA、ROSA

組件，注意應力電路板支撐，實現電接口ROSATOSA應力點應力點60PPT課件3-51×9光收發模塊--EMC電磁保護61PPT課件3-51×9光收發模塊工藝流程電路板焊接電路板焊接TOSA/ROSA焊接電路調試屏蔽罩安裝入庫末測老化殼體安裝62PPT課件3-51×9光收發模塊測試設備碼源和誤碼分析儀眼圖分析儀光功率計光衰減器電源測試板63PPT課件3-51×9光收發模塊測試參數誤碼率接收靈敏度發射光功率光動態范圍工作電流光譜插拔Agilent37717B誤碼儀Agilent83480A眼圖儀64PPT課件眼圖的意義65PPT課件3-6SFP光收發模塊SFP含義：SmallFactorPlug小外型可插拔提出的背景和標準：多廠家協議TOSA和ROSA：光接口為LC、MC型插芯直徑1.25mm套管內徑1.25mm光器件TO46/TO56TO1866PPT課件3-6SFP光收發模塊電路設計發射電路設計接收電路設計和1×9模塊的區別：數字診斷功能（DDS）67PPT課件3-6