第五章 光电组件和模块技术 目录n5-1 概述n5-2 光发射组件（TOSA）n5-3 光接收组件（ROSA）n5-4 光收发一体组件（BOSA）n5-5 光电模块n5-6 最新进展和未来发展 5-1 概述光电模块在STM-1 ADM光通信系统中的位置HDB3编码HDB3解码去映射映射时隙指定/交叉E1E1-分插享用段/通道开销处理解扰码串/并段/通道开销处理扰码串/并STM-1光电模块光电模块O/E抽时钟网管电源E/O定时再生GaAs—ICGe-Si--ICSi-MOS—ICLS or ULSGaAs—ICGe-Si--IC 5-1 概述n光端机的技术发展和光电模块的产生Standard CompactPCI platformStandard CompactPCI platformMUXMUXPWBPWBOTBOTBORBORBDEMUXDEMUX+ +MUX/MUX/DEMDEMUXUXPWBPWBPWBPWBORBORBOTRBOTRB+ +过去现在未来?? 5-1 概述n光电模块的基本结构n光电模块定义：完成O/E、E/O变换且具有标准光接口和电接口的系统n基本结构：光源（TOSA）+驱动电路、探测器（ROSA） +接收电路、接口、其它辅助电路、外壳n分类方法n结构n用途n国内外主要厂家 5-2 TOSAn含义：Transmitter Optical Sub-Assembly 光发射组件（TOSA）n分类：n同轴封装（TO-CAN）n其它n结构nTO56 LD、金属件、陶瓷套筒（sleeve）、陶瓷插芯（ferrule ） 5-2 TOSAnTOSA的设计n光学设计n合适的耦合效率n小的光反射传统的：传统的：低成本：低成本： 5-2 TOSAn光学设计n球透镜n耦合效率~15%n8°插芯陶瓷反射损耗 ~-50dBnmn非球透镜n耦合效率~50%n8°插芯陶瓷反射损耗 ~-50dBnm 5-2 TOSAn球透镜:n• 优点:工艺成熟,用量大,成本低n • 问题:耦合效率ŋ低n • 原因:球透镜的球差太大n |X|=1/2(n2/(n2-1)2-1)·f ·NA3n 对ф=1.5mm,n2n |X|∽ 1.7mm >>φfn ŋ max ≦15% Pf(max)n LD |X|n 光纤N2 5-2 TOSAn非球透镜 • 优点:像差小,ŋ高 • 问题:工艺复杂,价格较高 光纤 LD ŋ≥ 35% ŋmax ∽ 53% 5-2 TOSA球透镜与光纤插芯耦合 产品对比－非球透镜n与NEC、巨康、SUMITOMO的同类产品的主要参数对比厂家型号Ith(mA)(CW)Vf(V)(Ith+20mA)η(W/A)(CW,5mW)λc(nm)(CW,5mw)MINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAX镭波5151.11.60.350.4129013101330NECNX6306G10201.11.60.20.312801335巨康AC322010151.151.50.30.4129013101330SUMITOMOSLT11308151.21.6128013101340厂家型号Δλ(nm)(CW,RMS)Im(uA)(Vr=5V)Iop(mA)(CW,5mW)MINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAX镭波2415040010002030NECNX6306G2006001000巨康AC3220231002230SUMITOMOSLT113025200 产品对比－非球透镜n对比NEC、巨康、SUMITOMO的同类产品的出纤功率/耦合效率，镭波产品达到国际同类产品的先进水平n表中单位：光功率为mW，耦合效率为%厂家型号MINTYPMAX镭波5.0/45% 5.2/50%6.4/53%NECNX6306G4.0/40%巨康AC32203.5/38%SUMITOMOSLT11304.0/40% 5-2 TOSAn热设计DescriptionValueUnits0.2 W0.5 W1 WHeight of laser stripe0.50.50.5[µm]Width of laser stripe5050100[µm]Z-position of laser stripe111[µm]Height of LD0.150.150.15[mm]Width of LD0.50.50.5[mm]Length of LD0.50.751.1[mm]Thickness of solder333[µm]Height of heat spreader0.20.20.2[mm]Width of heat spreader1.01.01.0[mm]Length of heat spreader1.11.11.5[mm]Thickness of solder/glue3/203/203/20[µm]Height of base1.71.71.7[mm]Width of base1.21.21.2[mm]Length of base444[mm]Materialk [W/m/k]Glue1GaAs46AuSn57.1AlN180CVDD1800Copper400Invar13 5-2 TOSABaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperSolder35.026.430.724.925.122.6CopperGlue41.027.036.025.628.423.1InvarSolder97.484.091.682.474.370.0InvarGlue102.990.297.188.778.374.5Table 3 The maximum temperature in °C. Base of Invar or Copper, heat spreader bonded to base with solder or glue. Heat input in all cases 1 W, the nominal power of the diode is given.-热设计 5-2 TOSABaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperSolder15.06.410.74.95.12.6CopperGlue21.010.816.09.38.45.8InvarSolder77.464.071.662.454.350.0InvarGlue82.970.277.168.758.354.5Table 4 The thermal resistance in K/W. Base of Invar or Copper, heat spreader bonded to base with solder or glue. The nominal power of the diode is given.-热设计 5-2 TOSABaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperSolder100%43%100%46%100%51%CopperGlue140%72%149%87%165%114%InvarSolder516%426%668%582%1070%986%InvarGlue553%468%720%641%1150%1075%Table 5 The relative thermal resistance, AlN soldered heat spreader with copper base as reference. Base of Invar or Copper, heat spreader bonded to base with solder or glue. The nominal power of the diode is given.-热设计 5-2 TOSA-热设计Figure 2 The temperature distribution of the package. 200 mW diode on copper base with solder. To the left AlN heat spreader, CVDD heat spreader at the right. 5-2 TOSA-热设计 5-2 TOSA 5-2 TOSAn机械设计nmnmn和模块的配合-无应力 5-2 TOSA-机械设计 LD器件 金属件 套管 插芯 5-2 TOSA耦合的精确定位和固定 n自动耦合 系统 YAG激光器TO封装LD耦合焊接系统 5-2 TOSA TCS-MUTCS-MU-3L6.8 +0/-0.1ØDØ1.62±0.01ØdØ1.246R0.1耦合的精确定位和固定L3.0～15.0 ±0.1ØD1.0～8.0±0.01ØdØ0.5～5.0±0.001 说明说明额定极限值额定极限值 组件性能组件性能 (FP)组件性能组件性能 (DFB)管脚排列与极性图管脚排列与极性图 固定架选择图固定架选择图 Hi-Optel Technology 激激 光光 器器 组组 件件特点：固定架固定架3125476返回 5-2 TOSA-机械设计 5-2 TOSAnTOSA工艺过程LD和LD管座固定 调整耦合台 点UV胶并照射插芯和插芯座固定 入库 末测 老化 YAG激光焊接 5-2 TOSAnTOSA的测试nL-I-VnIthn30mA下Pfn插拔n30mA下△Pf连续3次 TOSA测试系统框图TrigSourceMeter2400Dual Photodiode Meter2500IEEE-488 InterfacePCSoftwareTECPDTEC Control 2510-ATSphereBD 本系统适用于激光二极管中Chip，TO，Model各阶段的产品测试，其核心测试为L-I-V测试，根据不同用户的要求，可选配不同类型的积分球，温控器或数字多用表进行温控和其它参数的测试 系统组成系统组成一台Model2400源表一台双通道光功率计2500一台带GPIB接口卡的PC为用户定做的专用程序 5-2 TOSAnTOSA的测试 5-2 TOSA•主要技术指标FP-TOSA光电参数符号最小值典型值最大值单位测试条件输出光功率LPF0.20.3-mWIF=Ith+20mAMPF0.81.0-mWIF=Ith+20mAHPF1.52.0-mWIF=Ith+20mA阈值电流Ith-1020mACW工作电流IOP-3060mA-工作电压VOP-1.11.5VIF=Ith+20mA中心波长1310nmλc128013101340nmIF=Ith+20mA1550nm148015501580上升、下降时间（10~90%）Tr/Tf-0.30.7nsIF=Ith+20mA监视电流Im0.10.5mAIF=Ith+20mA光谱宽度（RMS）1310nmΔλ-37nm-1550nm-37 5-2 TOSA•DFB-TOSA主要技术指标光电参数符号最小值典型值最大值单位测试条件输出光功率PF1.52.0-mWIF=Ith+20mA阈值电流Ith-1020mACW工作电流IOP-3060mA-工作电压VOP-1.11.5VIF=Ith+20mA中心波长1310nmλc128013101340nmIF=Ith+20mA1550nm148015501580上升、下降时间（10~90%）Tr/Tf-0.30.7nsIF=Ith+20mA监视电流Im0.10.5-mAIF=Ith+20mA光谱宽度（-20dB）Δλ-1-nm-边模抑制比SMSR3040-dB- 5-3 ROSAn含义：Receiver Optical Sub-Assembly 光接收组件（ROSA）n分类：n同轴封装（TO-CAN）n其它n结构nTO46 PIN-TIA、金属件、陶瓷套筒（sleeve）、陶瓷插芯（ferrule ） 5-3 ROSAnROSA的设计n光学设计n电路设计n热设计n机械设计 PD的光敏面40~ 75m SM光纤芯径9m -0.5dB耦合容差~1.5 m 5-3 ROSA-电路设计i、i1分别是1码和0码电平处噪声电流的RMS值；BER是误码率，为10-9时，Q=6；R是PIN-PD的光电转换效率；BWPD是PD带宽；RL是放大器的等效输入电阻； 5-3 ROSAW是i层厚度，Vsat是载流子最大漂移速度。
RS是PIN-PD的串联电阻，Cin是放大器的等效输入电容，是PD芯片电容和分布电容之和 PD芯片电容为A/W，A是光敏区面积例子：W=10m， Vsat=105m/s（Si），tr=100ps Cin~1pF， RL~1000，RC=1000ps 5-3 ROSA 5-3 ROSA同轴TO-46型PIN-TIA原理框图 TO-46型PIN-TIA封装结构 5-3 ROSAn测试设备n电压源n光功率计n光衰减器n示波器n测试板n测试参数n输出电压（-30dB光注入）n工作电流n插拔一致性 5-3 ROSAn主要技术指标交流特性符号最小典型最大单位测试条件增益(单端应用) （差分应用）G--100200mV/μWλ=1300nm带宽(-3dB)BW115--MHzPf=1μW灵敏度（Ber=10-10）Sen.--39-dBmλ=1300nm饱和光功率--30-dB输出电阻（差分）Ro-50-Ω工作电流Icc-3240mA 5-4 BOSAn含义：Bi-dirictional Optical Sub-Assembly 光双向收发组件（BOSA）n分类：n同轴封装（TO-CAN）n其它n结构nTO56LD、TO46 PIN-TIA、光学滤波片(WDM-Filter)、金属件、陶瓷套筒（sleeve）、陶瓷插芯（ferrule ） 5-4 BOSA设计n光学设计n原理 在一根光纤中利用波分复用（WDM）技术进行信号的全双工传输21光纤LD2PD1PD2 5-4 BOSA设计n光学设计实现方案实现方案 • 熔接拉锥 模间耦合 • 平面光波导平面光波导--PLC（美国） • 光纤光栅---------------------光栅分光 • 小型滤波片小型滤波片（大陆/台湾） 干涉膜型滤波器 • Si基微型滤波片光纤微型滤波片光纤（日本） 光学设计实现方案实现方案 5-4 BOSA设计方案的比较方案的比较性能体积密封性集成性一致性设备要求易生产性批量成本滤波片高大好差一般低手动较高光纤滤波高小差一般一般高/半自动较高平面波导高较小差好好高半自动较低 5-4 BOSA设计nWDMWDM滤波片型光路原理滤波片型光路原理 光发/透射 1490nm LD 光纤 1310nm 透镜 PD 光收/反射 5-4 BOSA设计1490T/1550T/1310R0°45° 5-4 BOSA设计1310T/1490R/1550R0°45° 5-4 BOSA设计滤波片技术指标滤波片技术指标 5-4 BOSAn机械设计 5-4 BOSAnBOSA工艺过程 5-4 BOSAnONU单元BOSA主要技术指标参数参数符号符号单位单位结果结果条件条件minminmaxmax中心波长中心波长λλp pnmnm1290129013301330I Ithth+20mA+20mA光谱半宽光谱半宽△λ△λm m nmnm1.91.92.32.3I Ithth+20mA+20mA，，FP-LDFP-LD阈值电流阈值电流I IththmAmA8.08.013.013.0I Ith th +20mA+20mA出纤光功率出纤光功率P Pf fmWmW2.02.05.65.6I Ith th +20mA+20mA，，SMSM插拔重复性插拔重复性△P△Pf f dBdB0.60.6I Ith th +20mA+20mA，，5 5次平均次平均速率速率B BMb/SMb/S12501250接收灵敏度接收灵敏度S Sr rdBmdBm-24-24BER=10BER=10-12-12饱和光功率饱和光功率dBmdBm-3-3BER =10BER =10-12-12光串扰光串扰dBdB2525I Ithth+20mA+20mA 3-5 1×9光收发模块n电路设计n发射电路设计n接收电路设计n结构设计n测试1×9光收发模块1×9 BIDI光收发模块GBIC光收发模块SFF光收发模块SFP光收发模块SFF BIDI光收发模块 接收电路设计限幅放大器ICPIN-TIA时钟恢复判决再生IC 光发射机电路设计 光收发一体模块电路原理框图3片Si-IC和LD、PD构成光收发一体模块 3-5 1×9光收发模块n结构设计n支撑TOSA、ROSA 组件，注意应力n电路板支撑，实现 电接口ROSATOSA应力点应力点 3-5 1×9光收发模块--EMC电磁保护 3-5 1×9光收发模块n工艺流程电路板焊接 电路板焊接TOSA/ROSA焊接电路调试屏蔽罩安装入库末测老化壳体安装 3-5 1×9光收发模块n测试设备n码源和误码分析仪n眼图分析仪n光功率计n光衰减器n电源n测试板 3-5 1×9光收发模块n测试参数n误码率n接收灵敏度n发射光功率n光动态范围n工作电流n光谱n插拔Agilent37717B误码仪Agilent83480A眼图仪 眼图的意义 3-6 SFP光收发模块nSFP含义：Small Factor Plug 小外型可插拔n提出的背景和标准：多厂家协议nTOSA和ROSA：n光接口为LC、MC型n光器件nTO46/TO56nTO18 3-6 SFP光收发模块n电路设计n发射电路设计n接收电路设计n和1×9模块的区别：数字诊断功能（DDS） 3-6 SFP光收发模块n结构设计 3-6 SFP光收发模块n工艺流程电路板焊接TOSA/ROSA焊接电路调试屏蔽罩安装入库末测老化壳体安装DDS 3-6 SFP光收发模块n测试（同1*9) 5-7 最新进展和未来发展n光纤末梢是哪里？？FTTX技术和光收发模块nSi在光电子技术中的作用与影响n基板？nSi -IC与光电器件的集成？？nSi基单片集成？？？nOEIC和PIC是不是终结者？？？ 5-7-1 FTTX光收发模块nX：H（Home）、B（Building）、C（Curb）、N（Node），，X=Anywheren标准nG-PON,ITU-T. 5-7-1 FTTX光收发模块nE-PON简介 5-7-1 FTTX光收发模块n光突发发射技术n光突发接收技术 5-7-2 混合集成技术的进步和单片集成的需求nSi基光电子集成技术简介n无源耦合技术---新的TOSA/ROSAnSi基板的BOSA技术n日本微小光学方案n美国Si基波导WDM方案nSi基板OEIC 无源耦合技术---新的TOSA/ROSA 无源耦合技术---新的TOSA/ROSA 无源耦合技术---新的TOSA/ROSA 无源耦合技术---新的TOSA/ROSAn面临的问题n激光器的非对称光斑n光学系统设计n耦合容差nLD芯片的可靠性n，，， 终结者是谁？PIC？OEIC？？集成光路颠覆了电信系统设计的基本假定集成光路颠覆了电信系统设计的基本假定 Dave Welch《Laser Focus World》2004年12月64页《Photonic integrated circuits alter fundamental design assumptions》 Infinera宣告了第一个集成光路的诞生，它将很多种器件（比如激光器和调制器）集成到磷化铟芯片上，不同的芯片可以对应不同的波长。
已经研制了两种PIC芯片，一种为100 Gbit/s发射器，另一种为100 Gbit/s接收器，他们都支持10个波长，分别以10 Gbit/s速度调制这些芯片可以完成OEO的全部功能，因此在一个芯 片上实现了波分复用系统 。