2022年光器件封装详解

1、产品名称无产品版本 无共28 页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：目 录1 有源光器件的分类 . 错误 .未指定书签；2 有源光器件的封装结构 . 错误 .未定义书签；2.1 光发送器件的封装结构 . 错误 .未指定书签；2.1.1 同轴型光发送器件的封装结构 . 错误 .未指定书签；2.1.2 蝶形光发送器件的封装结构 . 错误 .未指定书签；2.2 光接收器件的封装结构 . 错误 .未指定书签；2.2.1 同轴型光接收器件的封装结构 . 错误 .未指定书签；2.2.2 蝶形光接收器件的封装结构 . 错误 .未指定书签；2.3 光收发一体模块的封装结构 .

2、 错误 .未指定书签；2.3.1 1 9和 2 9大封装光收发一体模块 . 错误 .未指定书签；2.3.2 GBIC （Gigabit Interface Converter）光收发一体模块 . 错误 .未指定书签；2.3.3 SFF （Small Form Factor）小封装光收发一体模块 . 错误 .未指定书签；2.3.4 SFP （Small Form Factor Pluggable）小型可插拔式光收发一体模块 错 误 . 未 指 定 书签；2.3.5 光收发模块的子部件 . 错误 .未指定书签；3 有源光器件的外壳 . 错误 .未指定书签；3.1 机械及环境爱护 . 错误 .未指定

3、书签；3.2 热传递 . 错误 .未指定书签；3.3 电通路 . 错误 .未指定书签；3.3.1 玻璃密封引脚 . 错误 .未指定书签；3.3.2 单层陶瓷 . 103.3.3 多层陶瓷 . 错误 .未指定书签；3.3.4 同轴连接器 . 错误 .未指定书签；3.4 光通路 . 错误 .未指定书签；3.5 几种封装外壳的制作工艺和电特性实例 . 错误 .未指定书签；3.5.1 小型双列直插封装（MiniDIL ） . 错误 .未指定书签；3.5.2 多层陶瓷蝶形封装（Multilayer ceramic butterfly type packages）.错误 .未指定书签；3.5.3 射频连接

4、器型封装 . 错误 .未指定书签；4 有源光器件的耦合和对准 . 错误 .未指定书签；4.1 耦合方式 . 错误 .未指定书签；4.1.1 直接耦合 . 错误 .未指定书签；4.1.2 透镜耦合 . 错误 .未指定书签；4.2 对准技术 . 错误 .未指定书签；4.2.1 同轴型器件的对准 . 错误 .未指定书签；4.2.2 双透镜系统的对准 . 错误 .未指定书签；4.2.3 直接耦合的对准 . 错误 .未指定书签；5 有源光器件的其它组件 /子装配 . 错误 .未指定书签；5.1 透镜 . 错误 .未指定书签；5.2 热电制冷器（ TEC ） . 错误 .未指定书签；5.3 底座 . 错误

5、 .未指定书签；5.4激光器管芯和背光管组件.错误 .未指定书签；6有源光器件的封装材料 .错误 .未指定书签；6.1胶 .错误 .未指定书签；6.2焊锡 .错误 .未指定书签；6.3搪瓷或低温玻璃 .错误 .未指定书签；6.4铜焊 .错误 .未指定书签；7附录：参考资料清单.错误 .未定义书签；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争论,给出了具体争论结果；缩略语清单： 无缩略语英文全名中文说明1有源光器件的分类O/E）转换或者电光（E/O）转换的器件叫做有源

6、光电子器件,其种类非一般把能够实现光电（常繁多,这里只争论用于通信系统的光电子器件；在光通信系统中,常用的光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,最少情形可以只包含一个激光二极管；而光发送模块就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、自动功率掌握电路等,比起光发送器件来说其集成度更高、使用更便利；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

7、部件,实现光 /电转换的功能,最少情形可以只包含一个光电探测器管芯；光接收模块就是在光接收器件的基础上增加了放大电路、数据时钟复原电路等外围电路,同样使用起来更加便利；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,使用也更加便利,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,业界仍没有统一的标准,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

8、就较为规范,主要有 1 9和2 9大封装、 2 5和2 10小封装（ SFF）以及支持热插拔的 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,它除了含有电学部格外,仍有光学准直机构,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,同一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；TO-CAN 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,管脚一般采纳“ 金属玻璃” 密封；这种以TO-CAN 形式封装的部件一

9、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供应热沉,上面可能仍有热敏电阻、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

10、.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：type package）；同轴型封装一般不带制冷器,2.1.1 同轴型光发送器件的封装结构同轴型封装 （ coaxial type package）和蝶形封装 （ butterfly 而蝶形封装依据需要可以带制冷器也可以不带制冷器；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,它的具体结构和外形如图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

11、互联,并且 TO-CAN 肯定要密闭封装；耦合部分一般都是透镜,透镜可以直接装在 TO-CAN 上,也可以不装在TO-CAN 上,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（依据具体的应用来挑选）；尾纤的固定一般采纳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；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,这种封装形式始终被光通信系统所采纳；依据应用条件不同,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,由于对光源的稳固

12、性和牢靠性要求较高,因此需要对激光器管芯温度进行掌握而加制冷器,对于一些牢靠性要求较低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,然后通过肯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,其次透镜进行聚焦,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纳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图2.6 两种不同耦合方式的蝶形封装光发送器

13、件结构图2.2 光接收器件的封装结构与光发送器件一样,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,并且肯定要密闭封装；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 TO-CAN上,也可以不装在 TO

14、-CAN 上；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 （依据具体的应用来挑选）；尾纤的固定一般采纳环氧树脂粘接或者采纳激光焊接,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2.8所示, 它主要有两种结构；一种是使用同轴蝶形封装光接收器件的典型外形和内部结构如图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

15、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、 牢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,发送部分输入肯定码率的电信号（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掌握电路,使输出的光功率保持稳固；在接收部分,肯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

16、在输入光功率小于肯定值后会输出一个无光告警信号；光收发一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：1 9 footprint 、2 9 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；2.3.11 9和2 9大封装光收发一体模块9个管脚有激光大封装的有 1X9 和 2X9两

17、种封装, 2X9 的前一排 9个管脚与 1X9 的完全兼容,另外器功率和偏置监控以准时钟复原等功能（2X9 封装虽然带偏置和功率监控以准时钟复原,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）；光接口一般采纳无尾纤 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,有些模块仍具有发送使能、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；模块内部的具体结构如图 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

18、家模块的内部结构图（ 1 9封装和 2 9封装模块的外形和内部结构一样）；图2.9 1 9 SC收发一体模块外形和内部结构2.3.2GBIC（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,显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 Plugable ）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 2X

19、9 大封装的模块在光接口类型、内部结构、 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 模块的电接口采纳的是卡边沿型电连接器（20-pin SCA 连接器）,以满意模块热插拔时的上下电次序,另外,模块内部仍有一个 EEPROM 用来储存模块的信息；图 2.10 GBIC 收发一体模块外形及内部结构图2.3.3SFF（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 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 2

20、X5 封装的器件完全兼容,其余 2X5 个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2 10封装 LC 型光接口收发一体模块典型外形和内部具体 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 2 5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2 10封装 L

21、C光接口收发一体模块外形和内部具体结构图图2.12 SFF 型 2 5封装 MTRJ光接口收发一体模块外形和内部结构图2.3.4SFP （Small Form Factor Pluggable）小型可插拔式光收发一体模块1 9SFP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 收发一体模块采纳的是卡边沿型电连接器以满意模块热插拔时的上下电次序；另外,模块内部仍有一个EEPROM 用来储存模块的信息；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；图2.13 SFP 封装 LC型光接口收

22、发一体模块外形和内部结构图2.3.5 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（子部件进行具体叙述；OSA）、电路板和外壳等构成,下面对这些（1）光学子装配（OSA ）TOSA ）和接收光学子装配（ROSA ）,是收发一体光学子装配（ OSA ）包括发送光学子装配（模块的主要部件；它主要由机械结构、光路以及 电路等）构成,如图 2.14和2.15所示；TO-CAN 封装的有源部分（激光器、探测器及放大图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 ）的结构

23、要简洁些,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纳简洁的粘胶进行固定,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,固定方法多采纳激光点焊进行固定；另外,采纳何种光路结构仍 与器件的类别有关,一般单模激光器要求对准精度较高,因此多采纳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纳塑料结构；（2）电路板光收发一体模块内部使用的电路板主要有FR-4材料的 PCB板、柔性板或者在陶瓷基板上制作的电

24、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纳专用集成电路构成,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（wire bonding ）,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

25、,但使用这种封装的模块生产 工艺复杂,且牢靠性不高；3有源光器件的外壳图2.17 光收发一体模块内部所用的电路芯片有源光器件的外壳主要实现以下一些功能：a 机械以及环境爱护 b 热传递 c 保证光路的稳固性 d 供应光通路和电通路3.1 机械及环境爱护用于传输系统的元器件要求具有较高的牢靠性,特殊是对于光器件要求就更高；所以,传输用光电子器件一般采纳密闭封装 ；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供应了机械和环境爱护,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畴内壳体密封

26、性能的牢靠性；而对于一些数据通信用的光电子器件,由于牢靠性要求没有传输系统高,有时候基于成本的考虑可以采纳非密闭封装,而且壳体可以使用铸模塑料；3.2热传递TEC制冷对于一些发热量较大或者需要工作温度稳固的有源光器件,管壳内通常仍会包含一个器（ Thermo-Electric Cooler ）,这种情形下,管壳的基底一般采纳 以便起到良好的热传递功能；3.3 电通路铜钨合金 （copper-tungsten）构成,为了实现封装的牢靠密封,管壳上电通路所使用的电介质一般为非有机材料玻璃或者陶瓷；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纳可伐合金,但可伐合金的导

27、热性能并不抱负,所以在不是特殊需要低热阻的情形下,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；依据电信号速率的不同,电通路主要有以下结构：a 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 /单发模块常采纳（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3.3.2 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

28、的是陶瓷,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/s；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；该方法假如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前面提到的几种引脚设计,材料对于超过 3-5Gb/s左右的信号很难供应良好的传输特性；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纳同轴

29、电缆的方式,如图 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纳这种方式；图3.4 同轴连接头图3.5 器件引脚到内部部件间的互联图3.6 器件引脚的结构图以及电参数的测试实例3.4 光通路 - 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肯定的光通路,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长到管壳内部图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,然后通过焊锡与外壳上的金属套管密封起来,最终光纤 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许多的间隙,所以焊锡用量较大,有

30、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；但假如 采纳直接耦合方式,就不得不采纳这样的结构；当光路中使用透镜耦合时,就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其次透镜处完成；总的来说, 两种光路结构除了生产过程不同外（a结构更易于生产）,在牢靠性方面也都有各自的问题；采纳透镜耦合方式,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

31、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,具有高牢靠性和低成本的特点,可依据需要设计成25ohm或50ohm匹

32、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图3.8 小型双列直插封装管壳制作流程图3.5.2多层陶瓷蝶形封装（Multilayer ceramic butterfly 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,其主要应用范畴是OC192（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, 其牢靠性较高并且易于满意客户的各种需求,而且陶瓷电通路仍可采纳射频连接器,

33、所以该封装的应用范畴很广；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射频连接器型封装一般应用于所示；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；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4.1 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

34、可以获得比直接耦合更高的耦合效率；而采纳双透镜耦合,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；4.1.1图4.1 激光器到光纤的耦合方式tapered）光纤直接耦合图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（来实现；劈形光纤由裸纤直接劈开获得,光纤端面为平面,价格较廉价,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）；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

35、 将光纤伸入熔化的玻璃中去对光纤进行加热；通过掌握工艺过程可以掌握透镜的对称性；该方法可 获得大约 2-3dB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 0.2-0.4dB 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,光纤必需延长进封装内部,此 时,假如器件要求密闭封装,仍要对光纤进行金属化以便与管壳进行密封处理；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

36、, 光源的发 光面尺寸、光纤端面尺寸、外形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打算；在使用多透镜的情形下,光束通过第一个透镜变 成平行光,然后通过其次个透镜聚焦；在需要对反射进行严格掌握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部,也就不必对光纤进行金属化；图4.3 透镜耦合的几种方式4.2对准技术active alignment ）和“ 无

37、源对准” （passive alignment）；在对准技术一般分为“ 有源对准” （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,具有简洁实现自动化、削减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同轴型器件的对准图4.4 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

38、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 集成透镜组件；5.2给出了有源光器件管壳上常用的几种5.2热电制冷器（ TEC）图5.1 光模块内部使用的透镜组件图5.2 几种集成在管壳上的透镜图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,这种方法的制冷成效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掌握激光器管芯的

39、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）的稳固；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 6 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 1 m的位移将会导致光功率下降到原先的约 70（减小约 1.5db）；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留意热沉的共面性以及安装定位螺丝的次序和扭矩；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,由这些子组件依据肯定的装配次序组装成为一个完整的

40、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显现的；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,一般仍集成了匹配电阻,有时候热敏电阻也做在同一个组件上以便精确地探测激光器管芯的温度；而背光管一般只有一个简洁的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；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,主要关怀的是在同一器件内部的不同材料间是否会相互影响,假如会相互影响,就不能使用；不相容的材料通常会由于热膨胀系数不一样、形成金属间化合物、粘接不牢、离子污染、腐蚀或氧化、产愤怒体污染和腐蚀组件等缘由而导器件失效；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（可采纳紫外或者高温固化）；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亮紫外胶（折射率1.481）在室温或紫外线的照耀下