光器件封装详解

1、光器件封装详解产品名称无产品版本共28页无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：1有源光器件的分类72有源光器件的封装结构82.1光发送器件的封装结构11同轴型光发送器件的封装结构蝶形光发送器件的封装结构2.2光接收器件的封装结构同轴型光接收器件的封装结构11121414蝶形光接收器件的封装结构162.3光收发一体模块的封装结构161x5和大封装光收发二体模块18GBIC (Giqabit Interface Converter)光收发一体模块19SFF (Small Form Factor)小封装光收发一体模块20SFP (Small Form Factor

2、Pluggable)小型可插拔式光收发一体模块22光收发模块的子部件233有源光器件的外壳273.1 机械及环境保护273.2 热传递283.3 电通路28玻璃密封引29单层陶瓷29多层陶瓷30同轴连接器313.4 光通路323.5 几种封装外壳的制作工艺和电特性实例.35小型双列直插封装35多层陶瓷蝶形封装（Multilaver ceramicbutterfly type packages)射频连接器型封装4有源光器件的耦合和对准4.1耦合方式直接耦合透镜耦合4.2对准技术同轴型器件的对准 双直接耦合的对准5有源光器件的其它组件/子装配5.1 透镜5.2 热电制冷器（TEC）5.3 底座5.

3、4 激光II6有源光器件的封装材料36373838394142434344444446474748织胶5062焊锡516.3 搪瓷或低温玻璃536.4 铜焊53再录：参考资料清单54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

4、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

5、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2.1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IX 9和2X9大封装、2X5和2X10小封装 (SFF)以及支

6、持热插拔的SFP和GBIC等封装。图2.1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o TOC AN就是最常见的一种，如图2.2所示，它管帽上有透镜或玻璃窗，管脚般采用“金属一玻璃”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

7、及收发一体模块。图2.2 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2.3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2.3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：

8、同轴型封装(coaxial type package )和蝶形封装(butterfly type package） o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2.4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2.2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

9、以不装在TO-CAN±,而装在图2.4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O图2.4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

10、的数据通信或短距应用的激 光器就可以不加制冷器。图2.5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2.6所示。图2.5带制冷器的蝶形封装光发送器件外形和内部结构图fioizrse 湖一送4s(a)(b)图2.6两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

11、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2.7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2.7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TOCAN 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

12、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2.8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2.8 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2.8中右上角所示，这种结构要求管壳是全密闭封装。图2.8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

13、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、2.5G 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

14、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：1X9 footprint> 2X9 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 IX9和2X9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

15、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2.9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（1X9封装和2X9封装模块的外形和内

16、部结构一样)。接收侧PINFEI图2.9 1X9 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 Phigable)两种。图2.10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

17、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-pinSCA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2.10 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 X 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

18、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、VF45、E3000等。我司主要使用的有MTRJ和LC光接口。图2.11是SFF型2X10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、内部电路板、导热架和外壳等 部分组成。MTRJ光接口的2X5封装SFF模块和LC 型的SFF模块只有光接口部分不同，其它部分都一 样，如图2.12所示。图2.11 SFF型2X10封装LC光接口收发一体模块外形和内部详细结构图图2.12 S

19、FF型2 X 5封装MTRJ光接口收发一体模块外形和内部结构图2. 3. 4 SFP (Small Form Factor Pluggable) 、型可插拔式光收发一体模块SFP为支持热插拔的小型光收发一体模块，光接口类型主要有LC和MTRJ两种，其体积是1义9大封 装的一半，因此单板上可以获得更高的集成度。SFP 收发一体模块采用的是卡边沿型电连接器以满足模 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2.13是SFP型封 装LC型光接口收发一体模块外形和内部结构图。驱动电路发送侧图2.13 SFP封装LC型光接口收 发一体模块外形和内部结构图2. 3.

20、5光收发模块的子部件光收发一体模块从结构上来看主要由光学子装 配（OSA）、电路板和外壳等构成，下面对这些子 部件进行详细讲述。（1）光学子装配（OSA）光学子装配（OSA）包括发送光学子装配（TOSA）和接收光学子装配（ROSA）,是收发一体模块的主要部件。它主要由机械结构、光路以及TO-CAN封装的有源部分（激光器、探测器及放大电路等）构成。金属外壳企匈、定位孔环氧胶阳十f透摸金属外壳、aTO-CAN组件.透搅H激光焊点/111图2.14两种接收光学子装配的结构及实物图图2.15两种发送光学子装配的结构及实物图由于探测器的光敏面较大，对光路的对准精度要求不高，所以接收光学子装配（ROSA）

21、的结构要 简单些，一般为TO-CAN直接套接在一个金属套筒（或塑料套筒）中构成，而且一些厂家在光接口内 部不使用陶瓷套筒；在固定方式上一般直接采用简 单的粘胶进行固定，同时也有用激光点焊等其它固 定方法。而发送光学子装配（TOSA）由于对准精度要求较高，因而结构复杂，一般为金属结构且光接 口多使用陶瓷套筒，固定方法多采用激光点焊进行 固定。另外，采用何种光路结构还与器件的类别有 关，一般单模激光器要求对准精度较高，因此多采 用金属结构且光接口多用陶瓷套筒，而多模激光器 由于对准精度要求不高而采用塑料结构。(2)电路板光收发一体模块内部使用的电路板主要有FR4材料的PCB板、柔性板或者在陶瓷基板

22、上制作的电 路板三种，如图2.16所示。其中FR-4材料的PCB板使 用最多，陶瓷基板虽然高频特性较好但价格较贵, 而柔性板的加工难度要求较高，且不能多次弯折, 所以这两种使用较少。图2.16光收发一体模块内部常见的几种电路板在电路设计上，光收发一体模块主要采用专用集成电路构成，也有直接在PCB板上绑定芯片的形 式(COB： chip on board),如图2.17所示。COB 的生产过程是将集成电路芯片用含银的环氧树脂胶 直接粘接在电路板上，并经过引线键合(wirebonding),再加上适当抗垂流性的环氧树脂或硅烷树脂(silicone)将COB区域密封，这样可以省掉集 成电路的封装成本

23、，但使用这种封装的模块生产工 艺复杂，且可靠性不高。图2.17光收发一体模块内部所用的电路芯片3有源光器件的外壳有源光器件的外壳主要实现以下一些功能:机械以及环境保护b.热传递C. 保证光路的稳定性d.提供光通路和电通路3.1机械及环境保护用于传输系统的元器件要求具有较高的可靠性，特别是对于光器件要求就更高。所以，传输用 光电子器件一般采用密闭封装。典型的管壳由基底(base)、密封环(seal-ring)、电通路以及尾纤导管(fiber pipe)等部分构成，这些部分为内部芯片和电路提供了机械和环境保护，并且要求这些部件 的热膨胀系数相匹配，以便保证整个工作温度范E 内壳体密封性能的可靠性。

24、而对于一些数据通信用 的光电子器件，由于可靠性要求没有传输系统高， 有时候基于成本的考虑可以采用非密闭封装，而且壳体可以使用铸模塑料。3.2热传递对于一些发热量较大或者需要工作温度稳定的有源光器件，管壳内通常还会包含一个TEC制冷器 基底一般采用铜鸨合金(copper-tungsten)构成，以 便起到良好的热传递功能。(Thermo-Electric Cooler),这种情况下,生壳的1=13.3电通路为了实现封装的可靠密封，管壳上电通路所使 用的电介质一般为非有机材料一一玻璃或者陶瓷。而可伐合金(Kovar)的热膨胀系数与陶瓷接近，所 以密封环和尾纤导管一般采用可伐合金，但可伐合 金的导热

25、性能并不理想，所以在不是特别需要低热 阻的情况下，可伐合金才可以用来做基底。有时, 管壳也用多层陶瓷来制作。根据电信号速率的不同，电通路主要有以下结构:玻璃密封管脚b.单层陶瓷c.多层陶瓷d.同轴连接器3. 3.1玻璃密封引脚玻璃密封引脚是直接利用玻璃介质将电引脚密封于管壳上的过孔内（如图3.1所示），内部元件与 管脚间电信号的互联一般通过键合实现。该方法成 本较低，但仅适用于信号速率低于500-800Mb/s的场 合，我司的单收/单发模块常采用（速率一般都在622Mb/s以下）这种玻璃密封引脚。图3.1玻璃密封引脚4. 3.2单层陶瓷单层陶瓷引线与玻璃密封管脚相类似，只不过介质使用的是陶瓷，

26、如图3.2所示。由于陶瓷材料有 更好的电性能，因此这种方式的信号速率可以达到 2Gb/So图3.2单层陶瓷3. 3.3多层陶瓷多层陶瓷引线是在陶瓷层上通过金属化的方法生成走线以实现模块内外的互联，如图3.3所示。该 方法如果使用差分的形式可以获得高达10Gb/s的信 号速率。图3.3多层陶瓷3. 3.4同轴连接器前面提到的几种引脚设计，对于器件的安装来说都是直接将器件焊接在PCB板上，而一般的PCB 材料对于超过35Gb/s左右的信号很难提供良好的传 输特性。因此，对于高速率的信号间互联一般通过 同轴电缆来实现，这样业界对于10Gb/s或更高速率 的有源光器件的电接口都采用同轴电缆的方式，如图

27、3.4、35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这种方式。图3.4同轴连接头璃密封传统互连<2. 5G激光器及热沉 管壳阻抗可控互联图3.5器件引脚到内部部件间的互联PortlPort2Elcctro-MaiEnctic Amah,sh (HFSS)图3.6器件引脚的结构图以及电参数的测试实例3.4光激光器发出的光信号要进入光纤以及从光纤传 来的光信号要进入光探测器都得经过一定的光通 路，光通路的结构一般有两种，如图3.6所示。从图 中可知，b结构是将光纤直接延伸到管壳内部（温构）1b结构）图3.6两种光通路结构进行耦合，此时就需要对光纤进行金属化，然后通

28、 过焊锡与外壳上的金属套管密封起来，最后光纤尾 部通过粘胶来固定，以增强其机械性能。由于光纤 和套管间有很多的空隙，所以焊锡用量较大，有时 为了减小焊锡的用量，先将光纤焊接到一个小的金 属套管上，然后再焊接到管壳的套管中，但这样会 有两次焊接操作并需要不同熔点的焊料，增加了工 艺的复杂度，不利于自动化生产。但如果采用直接 耦合方式，则不得不采用这样的结构。当光路中使 用透镜耦合时，则可以通过使用集成了透镜或隔离 器的管壳来实现光路的耦合，如图3.6中的a结构，这 样就不存在光纤的金属化和密封焊接等问题，这种 结构的耦合对准在外部的第二透镜处完成。总的来说，两种光路结构除了生产过程不同外（a结构

29、更易于生产），在可靠性方面也都有各自的问题。采用透镜耦合方式，从激光器到光纤间的距 离较长，整个光路上元件的微小位移都会引起耦合 下降。如底座、壳体以及器件尾部耦合部分受到机 械应力的作用都会引起光路发生位移，从而使得耦 合效率下降，这也是该类器件的常见失效模式。而 对于直接耦合方式，由于尾纤对准激光器，而且通 常与激光器位于同一个模块上，因此壳体以及器件 尾部受力对耦合光路的影响不大，但器件内部光纤 夹子的固定会影响到光路的耦合（有激光点焊和焊 料固定两种方式），焊接质量不好，应力的缓慢释 放都会导致光路位移，从而使得耦合效率下降。3.5几种封装外壳的制作工艺和电特性实例 3. 5.1小型双

30、列直插封装（MiniDIL）小型双列直插封装适用于无制冷激光器、探测器和小功率泵浦激光器，具有高可靠性和低成本的 特点，可根据需要设计成25ohm或50ohm匹配，并可 集成透镜，如图3.7、3.8所示。图3.7是小型双列直插 封装的外形尺寸图，图3.8是小型双列直插封装制作 流程图。图3.7小型双列直插封装管壳外形尺寸图变片图3.8小型双列直插封装管壳制作流程图桧视DPSPECnON3. 5. 2多层陶瓷蝶形封装（Multilayer ceramicbutterfly type packages)多层陶瓷蝶形封装是光通信系统中激光器和泵浦 激光器常用的一种封装结构，其主要应用范围是OC192

31、 (STM-64)、OC48 (STM-16)、DWDM等高速率激光器、泵浦激光器、可调激光器以及激光 调制器等，其可靠性较高并且易于满足客户的各种 需求，而且陶瓷电通路还可采用射频连接器，所以 该封装的应用范围很广。图3.9是多层陶瓷蝶形封装的外形尺寸和频率特性，图3.10是多层陶瓷蝶形封装 制作流程图。图3.9多层陶瓷封装外形尺寸和频率特性图3.10多层陶瓷蝶形封装管壳制作流程图3. 5.3射频连接器型封装射频连接器型封装一般应用于10G以上速率，使用射频连接器可获得较好的电性能，如图3.11所示。图中给出了射频连接器型的常见封装和不同类型的电性能。Measurement ResultaT

32、YPEFREQUENCY (REFEREMCE)DIMENSIOMA6GDE1DC-46GHZ1.41.«33.180.740.3121.41722.79O.«0.223DC-18GHU1.84.57.4290.55 IQ 15 2« 25 30 35 40 45 50 55 W 65 Frequency GHz |图3.11射频连接器型封装管壳外形及频率特性4有源光器件的耦合和对准3.1 耦合方式激光器发出的光信号进入光纤的途径主要有两 种方式：直接耦合、透镜耦合，其中透镜耦合又分 为单透镜耦合和多透镜耦合，如图4.1所示。利用透 镜耦合可以获得比直接耦合更高的

33、耦合效率。而采 用双透镜耦合，其主要优势就是可以分散公差，使得光路上的元件可以有更大的位移空间。隔离器透镜光纤(a)直接耦合(b)单透镜耦合透镜光纤图4.1激光器到光纤的耦合方式4. 1.1直接耦合图4.2是直接耦合的两种方式，直接耦合可以使用劈形(cleaved)光纤或者锥形(tapered)光纤来 实现。劈形光纤由裸纤直接劈开获得，光纤端面为 平面，价格较便宜，但由于端面为平面所以反射较大，并且与激光器耦合时插入损耗也较大(一般为9-12dB) oButt couplingTapered waveguide coupling图4.2直接耦合的两种方式锥形光纤是在光纤的末梢结合了一个透镜，主

34、要可以通过下面两种方法形成:1 .熔化并将光纤末端拉制成锥形，这一方法将使纤芯和包层均被锥形化。通常使用电弧或者将光 纤伸入熔化的玻璃中去对光纤进行加热。通过控制 工艺过程可以控制透镜的对称性。该方法可获得大 约23dB的插入损耗。2 .腐蚀或者打磨，该方法在光纤端面形成透镜的同时保持纤芯的直径不发生变化。而且可以获得 其它一些剖面外形（譬如抛物面）而不仅仅是球面。这种方法能够获得更好的耦合效率，在与激光器耦 合时插入损耗可以低至020.4dB左右。对于直接耦合，光纤末端一般安装在靠近激光器的地方。因此，光纤必须延伸进封装内部，此时, 如果器件要求密闭封装，还要对光纤进行金属化以 便与管壳进行

35、密封处理。此外，在直接耦合中影响 光源到光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径（NA）。另外，光源的发光面尺寸、 光纤端面尺寸、形状以及两者间的距离等也都会影 响耦合效率。4. 1. 2透镜耦合图4.3是透镜耦合的几种方式，透镜耦合可以是 单透镜也可以是多透镜。当使用单透镜时，激光器 到光纤端面的距离由透镜前后两面的半径决定。在 使用多透镜的情况下，光束通过第一个透镜变成平 行光，然后通过第二个透镜聚焦。在需要对反射进 行严格控制的时候可以将隔离器放置在光束平行后 的任何一个位置（即两个透镜间的任何位置）。此 外，透镜耦合可以将其中一个透镜安装在管壳上， 这样光纤就不必伸入管壳内

36、部，也就不必对光纤进 行金属化。Single lenscylindrical lens图4.3透镜耦合的几种方式4.2对准技术对准技术一般分为“有源对准” (active alignment)和“无源对准”(passive alignment)。 在有源对准技术中，激光器或者探测器通过外加偏 压或电流使器件处于工作状态下进行光轴等的对 准。对于无源对准，有源光器件不需要工作，而是 通过某些标记来进行对准。相比之下，无源对准是 一种较新的对准技术，具有容易实现自动化、减少 组装设备和工序等优点。下面是业界使用的一些对 准技术的例子。4. 2.1同轴型器件的对准TO-CAN 焊占激光器组件图4.4

37、同轴型器件的对准及装配流程图4. 2.2双透镜系统的对准图4.5蝶形封装双透镜系统的对准及装配图4. 2.3直接耦合的对准图4.6直接耦合的对准及装配图5有源光器件的其它组件/子装配5.1透镜图5.1给出了有源光器件内部常用的几种透镜组件，图5.2给出了有源光器件管壳上常用的几种集成 透镜组件。图5.1光模块内部使用的透镜组件非球面型透镜半球型透镜图5. 2几种集成在管壳上的透镜5.2热电制冷器（TEC）图5.3 TEC原理及实物图热电制冷又称温差电制冷，它是利用热电效应（即帕尔贴效应）的一种制冷方法，这种方法的制 冷效果主要取决于两种材料的热电势。半导体材料 具有较高的热电势，所以可以用来做

38、成小型热电制 冷器，如图5.3所示，当通以正向电流时，热量由上 表面流到下表面实现制冷的功能；反之，当通以反 向电流时，热量由下表面流到上表面实现制热的功 能。在光发送器件里面，常用这种小型的制冷器来 控制激光器管芯的温度，使其温度保持一个恒定的 值，以保持激光器性能（功率、光谱等）的稳定。5.3底座对于单模尾纤的光发送器件，光信号耦合进光纤的直径约611 m,一旦耦合光路固定好后便不允许有任何位移，例如在径向发生IPm的位移将会导致 光功率下降到原来的约70% （减小约L5db）。而在 管壳内部，激光器以及一些光学组件都固定在底座 上，因此要求底座有较好的机械强度和共面性，稍 厚一些的底座其

39、机械性能自然更好，当然也利于散 热。同时，在生产装配过程中要注意热沉的共面性 以及安装定位螺丝的顺序和扭矩。5. 4激光器管芯和背光管组件在一个有源光器件内部包含了各个子组件，由这些子组件按照一定的装配顺序组装成为一个完整 的器件。通常，激光器管芯和背光检测管也都是以 一个组件的形式出现的。图5.4是一些激光器管芯组 件和背光管组件的结构和材料特性图。对于激光器 管芯组件来说，一般还集成了匹配电阻，有时候热敏电阻也做在同一个组件上以便准确地探测激光器管芯的温度。而背光管般只有一个简单的PIN探测器在上面，用来检测光功率大小。组装时一般都是通过焊料与其他部分焊接在一起oALUMINAMETAL

40、HEAT5JNK (OFHCXu-Wu-Mo)RESISTOR'(Ta2N)Ta214(0.1 1pm)ALNTi(0J um)4-Pt(0.2um)+Au0.5tim)ALUMINA 一RESISTOR(T%N) ALN TUNGSTEN FILLED VIATa 2 N( 0.1 um)4-Ti(0.1 m)Pci(0.2iLm)*Au(2.0iim)Au-Sn(3rOt5um)TlHIN FILMRESISTOR GN)T a aN(0.1 j4 m):TM0d um ) Pcfc(CB.ip m). Au(25im), ALUMINA Au-Sn(3±0.5.um)T

41、HIN FILMALNTi(0.1pm)k Pt(0.2um1*Au(0.5pnn)iTM0mm)*Pt(62um)-Au(0.5pm)图5.4一些激光器管芯和背光管组件的结构和材料特性6有源光器件的封装材料对于光电子器件中所用的材料，主要关心的是在同一器件内部的不同材料间是否会相互影响，如果会相互影响，就不能使用。不相容的材料通常会 由于热膨胀系数不一致、形成金属间化合物、粘接不牢、离子污染、腐蚀或氧化、产生气体污染和腐 蚀组件等原因而导器件失效。下面是一些有源光器件封装过程中常用的材料和粘接方法:1、环氧胶（可采用紫外或者高温固化）;2、焊锡;3、搪瓷或低温玻璃;4、激光焊接;5、机械螺丝;6、铜焊。与玻璃折射率相匹配的透明紫外胶（折射率1.481）在室温或紫外线的照射下能迅速固化，而且固化过程可以暴