《6蝶型封装模块环境温度对光耦合效率之影响评估.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6蝶型封装模块环境温度对光耦合效率之影响评估.doc（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、散热设计（六）蝶型封装模块环境温度对光耦合效率之影响评估晨怡热管 http:/ 2006-10-2 1:29:47 日期:2005-11-6 23:41:56 来源:电子设计资源网 查看:大 中 小 作者：刘君恺 热度： 本文研究重点主要针对蝶型封装模块（butterfly package module）之整体热传效应对于雷射光耦合效应之影响，做一初步之探讨。由前人的文献得知，光通讯模块之品质，主要关键在于模块封装时之光纤精确对准过程，但是当模块经由精确的组装程序完成之后，所要面对的即是长时间使用的寿命问题，这当中影响使用寿命的关键因素，即是由于环境温度变化所造成各组件变形与位移的问题。因此在
2、本文中，使用商业软件，进行仿真整个蝶型模块之环境温度场变化对于光纤套管变形量与光纤位移量之影响，并将模拟所得到之位移量，使用光学软件进行评估耦光效率的变化。前言EDFA掺铒光纤放大器由于光纤通讯具有频宽大、传输损耗低、不受电磁干扰等优点，故已被广泛运用在长距离传输而成为全球网络基础之骨干。一般而言，在光纤通讯网路中主要是以光纤作为传递信息的介质，但是在整个光纤通讯网路中，尚须搭配其它光通讯组件来达到光讯号增强，衰减，分支与转换的目的。例如，每一段光纤的分支需要靠光耦合器；而长距离传递光讯号造成讯号的衰弱，所以必须要靠光放大器将讯号做增强。到了最终端用户，要靠光收发模块将光讯号转换成为电讯号，才
3、能将信息传递到计算机或者其它设备做进一步的处理与运用。在光纤通讯中，具有光讯号放大能力的光放大器，最典型的是EDFA(Er-Doping Fiber Amplifier)，翻译做掺铒光纤放大器。如图1所示，是一个典型的光放大器（EDFA）的示意图，光的讯号经由光放大器加以放大之后，可以传送至更远的距离。由图中可知，高功率的帮浦雷射(Pump Laser)是EDFA(Erbium doped fiber amplifiers)光放大器中的主要组件之一，由于未来光纤网络的发展，朝向高频宽高效能，这需更高效能的光放大器来加以实现，因此，更高功率的帮浦雷射的发展，成为光放大器的关键技术。图1：EDFA
4、掺铒光纤放大器示意图蝶型封装模块介绍帮浦雷射（Pump laser）并无法单独的操作，而是必须经由封装之后，才能展现其功能，目前帮浦雷射主要封装型式为蝶型封装（Butterfly Package）型式。图2为一典型的帮浦雷射模块的示意图，在当中包含的组件有雷射二极管（LD）与其基座（LD-submount），光侦测器（PD）与其基座（PD-submount），热敏电阻（thermistor），OSA基座(submount) ，光纤（fiber），光纤套管（ferrule），光纤夹持弹片（clip） ，支撑底座（substrate） ，热电致冷器（TEC）与外壳（PKG）。在蝶型封装模块中，LD
5、依照所传入的电讯号，转换为光讯号后，经由光纤发射出去，而为了使雷射光讯号有效的送入光纤之中，经由主动对准的方式，将光纤对准LD的发射端，经由雷射焊接方式，将光纤固定于clip上，并将clip固定于substrate上，如此便完成光纤定位的制程。光纤定位的精确度与耐用度，主要的关键在于clip外型的设计，材料的选用与焊接位置的选定（参考文献1，2）。另外，由于蝶形封装模块具有许多优异的特性，例如：散热良好，电磁干扰低的电气特性，气密性良好，长时间使用的稳定性高，因此，也可以将蝶形模块做为其它的光组件的封装形式，例如作为高速10Gbps或是更高速40Gbps，甚至80Gbps的光收发射模块的封装形
6、式。图2：典型的帮浦雷射模块示意图问题分析当我们将蝶形封装模块作为帮浦雷射的封装时，主要的问题在于模块本身的操作稳定性，而影响模块操作稳定性的因素很多，包括模块使用的材料，封装制程，雷射焊接过程，固定组件的设计等等，当然，最重要的还是温度的影响。因此，一个设计良好，组装良好的蝶形模块，必然受到温度的影响会最小，因此， 一个设计好的模块，最先要测试的便是温度对影响的程度为何，如果还记温度对模块的变化已经是不能忍受时，那么就需要修改模块的设计。当模块通过温度的测试之后，才能面对后来的可靠度测试，以及耐久度测试等测试。另外，要如何来界定温度对于模块的影响是否超过容许范围呢？最主要的参考便是耦光效率（
7、Coupling Efficiency）的大小，耦光效率的计算如下：因此，如果整个模块经过环境的温度变化，其耦光效率能够维持一定的标准之上，那么整个模块的设计才算合格。接着，我们便将我们自行设计的模块组件，经过热流分析软件的仿真，以及光学模块，来计算其耦光效率的变化程度，并判断此设计是否合乎要模块封装的要求。模拟过程我们接着利用商用分析软件，将蝶形封装模块内的所有组件分别建构格点，图3即为所建构的格点图，此分析所使用的格点数约为23万个！在边界条件方面，我们设定将模块底座施以固定力，然后将环境温度从0变化至45与85两种条件，固定组件的材料，使用KOVAR与INVAR两种材料，然后观察其经过温
8、度变化后，光纤的定端的位移量。求得光纤顶端的位移量之后，我们再由光学仿真软件求得其耦光效率的变化量。图3：模块分析用格点建构图蝶形封装模块热流分析结果在此蝶形封装模块的分析中，我们为了探讨在不同的外界环境变化与不同材料的影响耦光效率的变化，因此分成四种情况来做探讨，如表1中所示。CASEclip, ferrule, substrate使用材料环境温度1KOVAR452KOVAR853INVAR454INVAR85 表1：不同情况下所探讨的变量另外，我们将所探讨的KOVAR与INVAR的材料性质列于如表2：合金名称InvarKovar成分36% Ni bal Fe29%Ni 17%Co、bal
9、Fe比重8.118.36比热0.120.12弹性系数2120熔点（）14261449电阻( cm)495294热传导系数K(W/m)1117.5CTE(ppm/)约1.5约5.3 表2：不同材料的性质表由于在clip与ferrule，substrate使用热膨胀系数（CTE）较低的要，对于因温度的改变而影响耦光效率的机率自然下降，但是我们由材料的性质表得知，虽然INVAR的热膨胀系数（CTE）较低，然而，其热传导系数（K）也较低，有因此影响了热传的效率，整体来说，耦光的效率并不一定较佳，因此，在本分析中，就是要比较一下，在这样两种材料的性质与环境温度下，何者的耦光效率较高。CaseX(mm)Y
10、(mm)Z(mm)Displacement(mm)Case1:KOVAR, 45-4.55E-04-7.28E-054.13E-040.000619Case2:KOVAR, 85-2.70E-04-1.56E-041.11E-030.001151Case3:INVAR, 45-3.33E-057.51E-047.24E-050.000755Case4:INVAR, 85-2.97E-042.13E-031.94E-040.002162 表3：不同情况下的分析结果在表3中，为经由热流分析软件所得到的fiber tip的X，Y，Z位移量，经由计算X，Y，Z可以得到总共的位移量Displacemen
11、t。由此结果可以发现，温度越高，位移量愈大，而在相同的环境温度时，KOVAR材料的位移量明显的比INVAR的材料来得小。我们将所有Case1的模块位移量的图显示在图4中，在图中其最大的位移量为0.619m。图4在仿真情况Case1中光纤的tip顶端位移量：0.619m接着我们将Case1的thermal stress分布显示于图5中，由图中的结果显示，在LD底部与submount接触的部分，以及ferrule与clip焊接处，都显示出为thermal stress集中的位置，而这也是我们在使用soldering制程时，要特别注意LD的接合性是否符合thermal stress的要求，否则将会有
12、脱落之虞。另外，在ferrule与clip接合处为使用雷射焊接来接合，也要注意焊接的强度是否符合此thermal stress的要求，若焊接强度不佳，则会产生更大的位移，影响光纤的耦光效率。图5：Case1模块的thermal stress分布图Max: 8.11x 104蝶形封装模块光学仿真结果接着我们再将此位移量使用光学分析法（mode analytical method），将蝶形模块中使用的lensed fiber的形状（如图6）代入计算，便可以得到不同的位移量下的耦光效率（如图7），并在表4中便将不同的位移量的不同耦光效率计算结果列出。图6: Geometry of cylindric
13、al type lensed Fiber图7: Coupling efficiency change due to fiber displacement in X, Y, Z direction.由表4的结果，很明显的位移量的大小与耦光效率是有关系的，位移量愈大，耦光效率愈低，而Case1使用KOVAR材料在环境温度45时的耦光效率最高，而Case4使用INVAR材料在环境温度85时的耦光效率最低。CaseFiber displacement(um)Coupling efficiency ( % )Loss ( % )10.61973.9413.421.154646.130.75572.541
14、5.142.1652.438.7 表4：不同情况下的分析结果结论由本文的模拟结果可以发现，在低温45时，使用KOVAR或是INVAR的材料作为ferrule，clip，与substrate的材料，其耦光效率的损失尚在可以接受的范围，但是当温度升高到85时，其耦光效率的损失已经高达38以上，KOVAR甚至高达46以上，因此，可以判断，当此蝶形模块使用在85的环境温度时，其功能必定大幅降低，因此在模块中的冷却组件TEC的功能相对重要，因为期能维持蝶形模块的操作温度在30以下，让蝶形模块维持一定正常的操作效能。另外，由此结果也可以得知，在挑选固定组件使用的材料时，虽然较低的热膨胀系数（CTE）可以有较低的温度灵敏度，但同时还要考虑到材料的热传导系数，因为其对于散热有一定程度的影响，两种参数的统合效应，并不一定有最佳的结果。（作者任职工研院光电所工通讯技术组）
