光电组件和光电模块.ppt

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1、第五章 光电组件和模块技术,目录,5-1 概述 5-2 光发射组件（TOSA） 5-3 光接收组件（ROSA） 5-4 光收发一体组件（BOSA） 5-5 光电模块 5-6 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,GaAsIC Ge-Si-IC,Si-MOSIC LS or ULS,GaAsIC Ge-Si-IC,5-1 概述,光端机的技术发展和光电模块的产生,Standard CompactPCI platform,过去,现在,未来?,5-1 概述,光电模块的基本结构 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 基本结构：光源

2、（TOSA）+驱动电路、探测器（ROSA） +接收电路、接口、其它辅助电路、外壳 分类方法 结构 用途 国内外主要厂家,5-2 TOSA,含义：Transmitter Optical Sub-Assembly 光发射组件（TOSA） 分类： 同轴封装（TO-CAN） 其它 结构 TO56 LD、金属件、陶瓷套筒（sleeve）、陶瓷插芯（ferrule ）,5-2 TOSA,TOSA的设计 光学设计 合适的耦合效率 小的光反射,传统的： 低成本：,5-2 TOSA,光学设计 球透镜 耦合效率15% 8插芯陶瓷反射损耗 -50dB 耦合台精度0.8m 非球透镜 耦合效率50% 8插芯陶瓷反射损耗

3、 -50dB 耦合台精度0.5m,5-2 TOSA,球透镜: 优点:工艺成熟,用量大,成本低 问题:耦合效率低 原因:球透镜的球差太大 |X|=1/2(n2/(n2-1)2-1)f NA3 对=1.5mm,n2=1.5的球透镜 |X| 1.7mm f max 15% Pf(max) 1.5mw LD |X| 光纤,5-2 TOSA,非球透镜 优点:像差小,高 问题:工艺复杂,价格较高 光纤 LD 35% max 53%,5-2 TOSA,球透镜与光纤插芯耦合,产品对比非球透镜,与NEC、巨康、SUMITOMO的同类产品的主要参数对比,产品对比非球透镜,对比NEC、巨康、SUMITOMO的同类产

4、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 表中单位：光功率为mW，耦合效率为%,5-2 TOSA,热设计,5-2 TOSA,Table 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 TOSA,Table 4 The thermal resistance i

5、n 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 TOSA,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 solde

6、r or glue. The nominal power of the diode is given.,-热设计,5-2 TOSA,-热设计,5-2 TOSA,-热设计,5-2 TOSA,5-2 TOSA,机械设计 耦合的精确定位达到0.5m 稳定的固定支撑维持0.5m 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,自动耦合 系统,YAG激光器TO封装LD耦合焊接系统,5-2 TOSA,耦合的精确定位和固定,说明,额定极限值,组件性能 (FP),组件性能 (DFB),管脚排列与极性图,固定架选择图,Hi-Optel T

7、echnology,特点：,固定架,3,1,2,5,4,7,6,5-2 TOSA,-机械设计,5-2 TOSA,TOSA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 TOSA,TOSA的测试 L-I-V Ith 30mA下Pf 插拔 30mA下Pf 连续3次 0.2dB,TOSA测试系统框图,Trig,SourceMeter 2400,Dual Photodiode Meter 2500,IEEE-488 Interface,TEC,PD,TEC Control 2510-AT,Sphere,BD,本系统适用于激光二极管中

8、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 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 TOSA,TOSA的测试,5-2 TOSA,主要技术指标,FP-TOSA,5-2 TOSA,DFB-TOSA主要技术指标,5-3 ROSA,含义：Receiver Optical Sub-Assembly 光接收组件（ROSA） 分类： 同轴封装（TO-CAN） 其它 结构 TO46 PIN-TIA、金属件、陶瓷

9、套筒（sleeve）、陶瓷插芯（ferrule ）,5-3 ROSA,ROSA的设计 光学设计 电路设计 热设计 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 ROSA,W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：

10、W=10m， Vsat=105m/s（Si），tr=100ps Cin1pF， RL1000，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 ROSA,测试设备 电压源 光功率计 光衰减器 示波器 测试板 测试参数 输出电压（-30dB光注入） 工作电流 插拔一致性,5-3 ROSA,主要技术指标,5-4 BOSA,含义：Bi-dirictional Optical Sub-Assembly 光双向收发组件（BOSA） 分类： 同轴封装（TO-CAN） 其它 结构 TO56LD、TO46 PIN-TIA

11、、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,光学设计 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,2,1,光纤,LD2,PD1,PD2,5-4 BOSA设计,光学设计实现方案 熔接拉锥 模间耦合 平面光波导-PLC（美国） 光纤光栅-光栅分光 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（日本）,光学设计实现方案,5-4 BOSA设计,方案的比较,5-4 BOSA设计,WDM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

12、BOSA设计,1490T/1550T/1310R,0,45,5-4 BOSA设计,1310T/1490R/1550R,0,45,5-4 BOSA设计,滤波片技术指标,5-4 BOSA,机械设计 波片尺寸220.4,5-4 BOSA,BOSA工艺过程,5-4 BOSA,ONU单元BOSA主要技术指标,3-5 19光收发模块,电路设计 发射电路设计 接收电路设计 结构设计 测试,19光收发模块,19 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IC,PIN-TIA,时钟恢复判决再生IC,光发射机电路设计,光收发一体

13、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 19光收发模块,结构设计 支撑TOSA、ROSA 组件，注意应力 电路板支撑，实现 电接口,ROSA,TOSA,应力点,应力点,3-5 19光收发模块,-EMC电磁保护,3-5 19光收发模块,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 19光收发模块,测试设备 码源和误码分析仪 眼图分析仪 光功率计 光衰减器 电源 测试板,3-5 19光收发模块,测试参数 误码率 接收灵敏度 发射光功率 光动态范围 工作电流 光谱 插拔,眼图的意义,3-6 SFP光

14、收发模块,SFP含义：Small Factor Plug 小外型可插拔 提出的背景和标准：多厂家协议 TOSA和ROSA： 光接口为LC、MC型 插芯直径1.25mm 套管内径1.25mm 光器件 TO46/TO56 TO18,3-6 SFP光收发模块,电路设计 发射电路设计 接收电路设计 和19模块的区别：数字诊断功能（DDS）,3-6 SFP光收发模块,结构设计,3-6 SFP光收发模块,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,测试（同1*9),5-7 最新进展和未来发展,光纤末梢是哪里？FTTX技术

15、和光收发模块 Si在光电子技术中的作用与影响 基板？ Si -IC与光电器件的集成？ Si基单片集成？ OEIC和PIC是不是终结者？,5-7-1 FTTX光收发模块,X：H（Home）、B（Building）、C（Curb）、N（Node），X=Anywhere 标准 E-PON，IEEE.G803.11b G-PON,ITU-T.,5-7-1 FTTX光收发模块,E-PON简介,5-7-1 FTTX光收发模块,光突发发射技术 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,Si基光电子集成技术简介 无源耦合技术-新的TOSA/ROSA Si基板的BOSA技术 日本微小光学方

16、案 美国Si基波导WDM方案 Si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/ROSA,面临的问题 激光器的非对称光斑 光学系统设计 耦合容差 LD芯片的可靠性 ，,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 Dave WelchLaser Focus World2004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,