1、產品名稱無產品版本共28頁無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：1有源光器件的分類 62有源光器件的封裝結構 62.1 光發送器件白封裝結構 72.1.1 同軸型光發送器件的封裝結構 82.1.2 蝶形光發送器件的封裝結構 82.2 光接收器件白封裝結構 92.2.1 同軸型光接收器件的封裝結構 92.2.2 蝶形光接收器件的封裝結構 92.3 光收發一體模塊的封裝結構 102.3.1 1X9和2X9大封裝光收發一體模塊 102.3.2 GBIC (Gigabit Inteface Converter )光收發一體模塊 112.3.3 SFF (Small F

2、orm Factor )小封裝光收發一體模塊 112.3.4 SFP (Small Form Factor Pluggable ) 小型可插拔式光收發一體模塊 .122.3.5 收發模塊的子部件 124.1.2透鏡耦合 203.1 機械及環境保護 143.2 熱傳遞 153.3 電通路 153.3.1 玻璃密封引腳 153.3.2 單層陶瓷 163.3.3 多層陶瓷 163.3.4 同軸連接器 163.4 光通路 173.5 幾種封裝外殼的制作工藝和電特性實例 183.5.1 小型雙列直插封裝(MiniDIL ) 183.5.2 多層陶瓷蝶形封裝 ( Multilayer ceramic bu

3、ttefly type packages ) . 183.5.3 射頻連接器型封裝 194有源光器件的耦合和對準 194.1 耦合方式 194.2 對準技術 214.2.1 同軸型器件的對準 214.2.2 雙透鏡系統的對準 214.2.3 直接耦合的對準 215有源光器件的其它組件/子裝配 215.1 透鏡 215.2 熱電制冷器（TEC 225.3 底座 225.4 激光器管芯和背光管組件 236有源光器件的封裝材料 236.1 膠 246.2 焊錫 256.3 搪瓷或低溫玻璃 266.4 銅次1 267附錄：參考資料清單 27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

4、對光發送器件、光接收器件以及光收發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研究，給出了詳細研究結果?？s略語清單：無1 有源光器件的分類一般把能夠實現光電（ O/E） 轉換或者電光（ E/O） 轉換的器件叫做有源光電子器件，其種類非常繁多， 這里只討論用于通信系統的光電子器件。 在光通信系統中， 常用的光電子器件可以分為以下幾類：光發送器件、光接收器件、光發送模塊、光接收模塊和光收發一體模塊。光發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，實現電 / 光轉換的功能，最少情況可以只包含一個激光二極管。 而光

5、發送模塊則是在光發送器件的基礎上增加了一些外圍電路， 如激光器驅動電路、自動功率控制電路等，比起光發送器件來說其集成度更高、使用更方便。光接收器件一般是在一個管殼內部集成了光電探測器（APDT或PIN管）、前置放大器以及熱敏電阻等元部件，實現光/ 電轉換的功能，最少情況可以只包含一個光電探測器管芯。 光接收模塊則是在光接收器件的基礎上增加了放大電路、 數據時鐘恢復電路等外圍電路，同樣使用起來更加方便。把光發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一體模塊。它的集成度更高，使用也更加方便，目前廣泛用于數據通信和光傳輸等領域。2 有源光器件的封裝結構前面提到，有源光器件的種類繁

6、多且其封裝形式也是多種多樣，這樣到目前為止，對于光發送和接收器件的封裝， 業界還沒有統一的標準， 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。而對于光收發一體模塊，具封裝形式則較為規范，主要有 1X9和2X9大封裝、2X5和2X10小封裝（SFF）以及支持熱插拔的SF麗GBIC?封裝。圖2.1 光通信系統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， 它除了含有電學部分外， 還有光學準直機構， 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

7、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-CA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，管腳一般采用“金屬玻璃”密封。這種以TO-CA膨式封裝的部件一般用于更高一級的裝配，例如可以加上適當的光路準直機構和外圍驅動電路構成光發送或接收模塊以及收發一體模塊。圖2.2 TO-CANS寸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提供熱沉，上面可能還有熱敏電阻、透鏡等元件，這樣的單元一般稱為光學子裝配(OSA： optical

8、subassembly )。光學子裝配一般又分為兩種：發送光學子裝配(TOSA和接收光學子裝配(ROSA,圖2.3就是一個典型的 蝶形封裝用發送光學子裝配實物圖。光學子裝配通常安裝在 TECH冷器上或者直接安裝 在封裝殼體的底座上。圖 2.3 光學子裝配(OSA)2.1 光發送器件的封裝結構光發送器件的封裝主要分為兩種類型：同軸型封裝(coaxial type package)和蝶 形封裝(butterfly type package)。同軸型封裝一般不帶制冷器，而蝶形封裝根據需要可以帶制冷器也可以不帶制冷器。2.1.1 同軸型光發送器件的封裝結構同軸型封裝光發送器件的典型外形和內部結構如圖

9、2.4 所示，從圖中可知，同軸型光發送器件主要由TO-CAN耦合部分、接口部分等組成。其中TO-CA肥主要部件，它的 詳細結構和外形如圖 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互聯，并且 TO-CA”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-CANt,也可以不裝在TO-CANt,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 （根據 具體的應用來選擇） 。 尾纖的固定一般采用環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

10、。圖2.4 同軸型激光器外形及內部結構圖2.1.2 蝶形光發送器件的封裝結構蝶形封裝因其外形而得名， 這種封裝形式一直被光通信系統所采用。 根據應用條件不同， 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中， 由于對光源的穩定性和可靠性要求較高， 因此需要對激光器管芯溫度進行控制而加制冷器， 對于一些可靠性要求較低的數據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， 然后通過一定的光學系統將激光器發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

11、， 第二透鏡進行聚焦， 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用伸入殼體內部的結構，如圖 2.6所示。2.5 帶制冷器的蝶形封裝光發送器件外形和內部結構圖2.6 兩種不同耦合方式的蝶形封裝光發送器件結構圖2.2 光接收器件的封裝結構與光發送器件一樣，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-CA腿主要部件，里面集成 了探測器（PIN或者APD圖 2.7 同軸型光

12、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互聯， 并且一定要密閉封裝。 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-CANt,也可以不裝在TO-CANto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（根據具體的應用來選擇）。尾纖的固定一般采用環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。2.2.2 蝶形光接收器件的封裝結構蝶形封裝光接收器件的典型外形和內部結構如圖 2.8所示，它主要有兩種結構。一種是使用同軸型封裝的探測器加

13、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，如圖 2.8 中右上角所示，這種結構要求管殼是全密閉封裝。2.8 蝶形封裝光接收器件外形和內部結構圖2.3 光收發一體模塊的封裝結構光收發一體模塊就是將光發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、可靠性高以及較好的性能等優點。 它一般由發送和接收兩部分構成，發送部分輸入一定碼率的電信號（155M 622M 2.5G等）經內 部驅動芯片處理后，驅動半導體激光器（LD）或發光二極管（LED發射出相應速率的 調制

14、光信號， 并且其內部帶有光功率自動控制電路， 使輸出的光功率保持穩定。 在接收 部分， 一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PECLfe平，同時在輸入光功率小于 一定值后會輸出一個無光告警信號。2.3.1 模塊封裝有著比較規范的標準，目前主要有以下一些形式：1X9footprint 、2X9 footprint 、GBIC （Gigabit Interface Converter ） Transceiver、 SFF （Small Form Factor ）以及SFP（Small Form Factor Plug

15、gable ）。其中 1X環口2X9 兩種封裝為大封裝，小封裝的有2X52X10 SFFW種。光接口有SG MTRJ L*形式。2.3.2 1 X 9和2 X 9大封裝光收發一體模塊大封裝的有1X9ffi2X9ffi種圭畦I, 2X90勺前一排9個管腳與1X90勺完全兼容，另外9個管腳有激光器功率和偏置監控以及時鐘恢復等功能（2X附裝雖然帶偏置和功率監控以及時鐘恢復，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）。光接口一般采用無尾纖S3頭，但也有少量廠家生產STR口和帶尾纖的FG SCg頭。模塊內部主要由兩大部分組成：發送部分和接收部分。發送部分由同軸型激

16、光器（它的詳細結構和封裝參見 2.1.1 節）、驅動電路、控制電路等幾部分構成，有些模塊還具有發送使能、檢測輸出以及自動溫度補償等；接收部分主要由PIN-FETt放組件 (它的詳細結構和封裝參見2.2.1 節) 和主放電路兩部分組成， 并具有無光告警；模塊內部的詳細結構如圖 2.9所示，圖中左邊是大封裝模塊的典型外形圖，右邊是兩個不同廠家模塊的內部結構圖(1X9封裝和2X9封裝模塊的外形和內部結構一樣)。圖2.9 1 X 9 SC收發一體模塊外形和內部結構2.3.3 GBIC(Gigabit Interface Converter)光收發一體模塊由于部分系統需要在運行中更換光模塊，為了不影響系

17、統的正常運行，出現了不需關掉系統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( GigabitInterface Converter )和 SFP (Small Form Factor Plugable )兩種。圖 2.10 是GBIC 光收發一體模塊的典型外形和內部結構圖，從圖中可知，GBIC真塊和1X9以及2X狄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 S®,外形也是大尺寸，內部也是包含發送和接收兩部分。它們不同之處在于GBIC真塊的電接口采用的是卡邊沿型電連接器( 20-pin SCA 連接器)，以滿足模塊熱插拔時的上

18、下電順序，另外，模塊內部還有一個 EEPROM來保存模塊的信息。圖2.10 GBIC 收發一體模塊外形及內部結構圖2.3.4 SFF( Small Form Factor )小封裝光收發一體模塊SF孫封裝光收發一體模塊外形尺寸只有1X9大封裝的一半，有2X52X1(W種封裝 形式。2X10K器件前面2X51管月卻與2X5M裝的器件完全兼容，其余2X51管腳有激光器 功率和偏置監控等功能。小封裝光收發模塊的光接口形式有多種，如MTR、J LC、 MU、 VF 45、E300陰。我司主要使用的有 MTRJ口 LCt接口。圖2.11是SF邛2X 10封裝LCS光 接口收發一體模塊典型外形和內部詳細結

19、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）、發送光學子裝配（結構參見同軸型光發送器）、光接口、內部電路板、導熱架和外殼等部分組成。MTRJ接口的2X 5封裝SFF真塊和LCffi的SFF真塊只 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2X10封裝LCt接口收發一體模塊外形和內部詳細結構圖圖2.12 SFF型2X5封裝MTRJ接口收發一體模塊外形和內部結構圖2.3.5 SFP（ Small Form Factor Pluggable ）小型可插拔式光收發一體模塊SF師支持熱插拔的小型光收發一體模塊，光接口類型主要有 LCf口MTRJ種，具

20、體 積是1 X 9大封裝的一半，因此單板上可以獲得更高的集成度。SFP攵發一體模塊采用的是卡邊沿型電連接器以滿足模塊熱插拔時的上下電順序。另外，模塊內部還有一個EEPROM來保存模塊的信息。圖2.13是SF邛圭畦ILCS光接口收發一體模塊外形和內部 結構圖。圖2.13 SFP封裝LC®光接口收發一體模塊外形和內部結構圖2.3.6 光收發模塊的子部件光收發一體模塊從結構上來看主要由光學子裝配（ OSA、電路板和外殼等構成， 下面對這些子部件進行詳細講述。（ 1）光學子裝配（OSA）光學子裝配（OSA包括發送光學子裝配（TOSA和接收光學子裝配（ROSA ,是 收發一體模塊的主要部件。它

21、主要由機械結構、光路以及TO-CA甜裝的有源部分（激光器、探測器及放大電路等）構成，如圖 2.14和2.15所示。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的結構要簡單些，一般為TO-CA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用簡單的粘膠進行固定，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

22、采用激光點焊進行固定。 另外， 采用何種光路結構還與器件的類別有關， 一般單模激 光器要求對準精度較高， 因此多采用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用塑料結構。（ 2）電路板光收發一體模塊內部使用的電路板主要有FR-4材料的PC吸、柔性板或者在陶瓷基板上制作的電路板三種，如圖2.16所示。其中FR-4材料的PC阪使用最多，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 光收發一體模塊內部常見的幾種電路板在電路設計上，光收發一體模塊主要采用專用集成電路構成，也有直接在PC阪上綁定芯片的

23、形式（COB chip on board ）,如圖2.17所示。CO的生產過程是將集成電 路芯片用含銀的環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氧樹脂或硅烷樹脂(silicone )將COB：域密封，這樣可以省掉集成電路的封裝成本，但使用這種封裝的模塊生產工藝復雜，且可靠性不高。圖2.17 光收發一體模塊內部所用的電路芯片3 有源光器件的外殼有源光器件的外殼主要實現以下一些功能：a機械以及環境保護b熱傳遞c保證光路的穩定性d 提供光通路和電通路3.1 機械及環境保護用于傳輸系統的元器件要求具有較高的可靠性， 特別是對于光器件要求就更高

24、。 所以，傳輸用光電子器件一般采用 密閉封裝 。典型的管殼由基底( base )、密封環( 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提供了機械和環境保護， 并且要求這些部件的熱膨脹系數相匹配， 以便保證整個工作溫度范圍內殼體密封性能的可靠性。 而對于一些數據通信用的光電子器件， 由于可靠性要求沒有傳輸系統高， 有時候基于成本的考慮可以采用非密閉封裝， 而且殼體可以使用鑄模塑料。3.2 熱傳遞對于一些發熱量較大或者需要工作溫度穩定的有源光器件， 管殼內通常還會包含一個TEM冷器（Thermo-Electric Cooler ）,這

25、種情況下，管殼的基底一般采用銅鴇合金 （ copper-tungsten ）構成，以便起到良好的熱傳遞功能。3.3 電通路為了實現封裝的可靠密封， 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 ）的熱膨脹系數與陶瓷接近，所以密封環和尾纖導管一般采用可伐合金， 但可伐合金的導熱性能并不理想， 所以在不是特別需要低熱阻的情況下，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。根據電信號速率的不同，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

26、3.1 所示），內部元件與 管腳間電信號的互聯一般通過鍵合實現 。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/單發模塊常采用（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模塊內外的互聯， 如 圖3.3所示。該方法如果使用差分的形式可以獲得高達10Gb/s的信號速率。圖 3.

27、3 多層陶瓷3.3.4 同軸連接器前面提到的幾種引腳設計，對于器件的安裝來說都是直接將器件焊接在PC皈上，而一般的PCBt料對于超過3-5Gb/s左右的信號很難提供良好的傳輸特性。因此，對于高速率的信號間互聯一般通過同軸電纜來實現，這樣業界對于10Gb/s或更高速率的有源光器件的電接口都采用同軸電纜的方式，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用這種方式。3.4 同軸連接頭圖 3.5 器件引腳到內部部件間的互聯圖 3.6 器件引腳的結構圖以及電參數的測試實例3.4 光通激光器發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一定

28、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伸到管殼內部圖 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，最后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很多的空隙，所以焊錫用量較大，有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。 但如果采用直接耦合方式， 則不得不采用這樣的結構。 當光路中使用透鏡耦合時， 則可以通過使用集成了透鏡或隔離器的管殼來實現光路的

29、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第二透鏡處完成。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），在可靠性方面也都有各自的問題。 采用透鏡耦合方式， 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、 殼體以及器件尾部耦合部分受到機械應力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

30、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， 具有高可靠性和低成本的特點，可根據需要設計成25ohm<50ohnffi配，并可集成透鏡，如圖3.7、1.1.1 。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1.1.2 多層陶瓷蝶形封裝( Multilayer ceramic butte

31、rfly type packages )多層陶瓷蝶形封裝是光通信系統中激光器和泵浦激光器常用的一種封裝結構， 其主要應用范圍是OC192(STM-64、OC48(STM-1。、DWDM高速率激光器、泵浦激光器、可調激光器以及激光調制器等， 其可靠性較高并且易于滿足客戶的各種需求， 而且陶瓷電通路還可采用射頻連接器，所以該封裝的應用范圍很廣。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3.10 多層陶瓷蝶形封裝管殼制作流程圖1.1.3 射頻連接器型封裝射頻連接器型封裝一般應用于10加上速率，使用射頻連接器可

32、獲得較好的電性能， 如圖 3.11 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。利用透鏡耦合可以獲得比直接耦合更高的耦合效率。 而采用雙透鏡耦合， 其主要優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。圖 4.1 激光器到光纖的耦合方式4.1.1 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( ta

33、pered )光纖來實現。劈形光纖由裸纖直接劈開獲得，光纖端面為平面，價格較便宜，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）。04.3 透鏡耦合的幾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。通常使用電弧或者將光纖伸入熔化的玻璃中去對光纖進行加熱。 通過控制工藝過程可以控制透鏡的對稱性。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。

34、 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， 光纖必須延伸進封裝內部， 此時， 如果器件要求密閉封裝， 還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散角和光纖的數值孔徑（NA。另外，光源的發光面尺寸、光纖端面尺寸、形狀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決定。 在使用多透鏡的情

35、況下，光束通過第一個透鏡變成平行光， 然后通過第二個透鏡聚焦。 在需要對反射進行嚴格控制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。4.2 對準技術對準技術一般分為“有源對準”( active alignment )和“無源對準”( passivealignment )。在有源對準技術中，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

36、新的對準技術，具有容易實現自動化、減少組裝設備和工序等優點。下面是業界使用的一些對準技術的例子。4.2.1 同軸型器件的對準4.4 同軸型器件的對準及裝配流程圖4.2.2雙透鏡系統的對準4.5 蝶形封裝雙透鏡系統的對準及裝配圖4.2.3直接耦合的對準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 透鏡5.1 給出了有源光器件內部常用的幾種透鏡組件， 圖5.2給出了有源光器件管殼上常用的幾種集成透鏡組件。5.1 光模塊內部使用的透鏡組件5.2 幾種集成在管殼上的透鏡5.2 熱電制冷器（TEC）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

37、效應）的一種制冷方法，這種方法的制冷效果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制熱的功能。 在光發送器件里面， 常用這種小型的制冷器來控制激光器管芯的溫度， 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）的穩定。5.3 底座對于單模尾纖的光發送器件，光信號耦合進光纖的直徑約6Nm一旦耦合光路固定好后便不允許有任何位移，例如在徑向發生1仙m勺位移將會導致光功率下降到原來的約70（減小約 1.5db ）。

38、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注意熱沉的共面性以及安裝定位螺絲的順序和扭 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， 由這些子組件按照一定的裝配順序組裝成為一個完整的器件。 通常， 激光器管芯和背光檢測管也都是以一個組件的形式出現的。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， 一般還集成了匹配電阻， 有時候熱敏電阻也做在同一個組件上以便準確地探測激光器管芯的溫度。而背光管一般只有一

39、個簡單的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， 主要關心的是在同一器件內部的不同材料間是否會相互影響， 如果會相互影響， 就不能使用。 不相容的材料通常會由于熱膨脹系數不一致、形成金屬間化合物、粘接不牢、離子污染、腐蝕或氧化、產生氣體污染和腐蝕組件等原因而導器件失效。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、環氧膠（可采用紫外或者高溫固化）；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明紫外膠（折射率1.481 ）在室溫或紫外線的照射下能迅速固化， 而且固化過程可以暴露在空氣中進行。 玻璃、 陶