OSAROSABOSA光电组件介绍.ppt

第五章 光电组件和模块技术 目录 n5-1 概述 n5-2 光发射组件（TOSA） n5-3 光接收组件（ROSA） n5-4 光收发一体组件（BOSA） n5-5 光电模块 n5-6 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 HDB3编码HDB3解码 去映射映射 时隙指定/交叉 E1E1 - 分 插 享 用 段 / 通 道 开 销 处 理 解 扰 码 串 / 并 段 / 通 道 开 销 处 理 扰 码 串 / 并 STM-1 光电模块光电模块 O / E 抽 时 钟 网管电源 E / O 定 时 再 生 GaAsIC Ge-Si-IC Si-MOSIC LS or ULS GaAsIC Ge-Si-IC 5-1 概述 n光端机的技术发展和光电模块的产生 Standard CompactPCI platformStandard CompactPCI platform MUXMUXPWBPWBOTBOTBORBORBDEMUXDEMUX + + MUX/MUX/ DEMDEM UXUX PWBPWBPWBPWBORBORBOTRBOTRB + + 过去 现在 未来? 5-1 概述 n光电模块的基本结构 n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 n基本结构：光源（TOSA）+驱动电路、探测器（ ROSA） +接收电路、接口、其它辅助电路、外壳 n分类方法 n结构 n用途 n国内外主要厂家 5-2 TOSA n含义：Transmitter Optical Sub-Assembly 光发射组件 （TOSA） n分类： n同轴封装（TO-CAN） n其它 n结构 nTO56 LD、金属件、陶瓷套筒（sleeve）、陶瓷插 芯（ferrule ） 5-2 TOSA nTOSA的设计 n光学设计 n合适的耦合效率 n小的光反射 传统的： 低成本： 5-2 TOSA n光学设计 n球透镜 n耦合效率15% n8插芯陶瓷反射损耗 -50dB n耦合台精度0.8m n非球透镜 n耦合效率50% n8插芯陶瓷反射损耗 -50dB n耦合台精度0.5m 5-2 TOSA n球透镜: n 优点:工艺成熟,用量大,成本低 n 问题:耦合效率低 n 原因:球透镜的球差太大 n |X|=1/2(n2/(n2-1)2-1)f NA3 n 对=1.5mm,n2=1.5的球透镜 n |X| 1.7mm f n max 15% Pf(max) 1.5mw n LD |X| n 光纤 N2 5-2 TOSA n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 n与NEC、巨康、SUMITOMO的同类产品的主要参数对比 厂家型号Ith(mA)(CW)Vf(V)(Ith+20mA) (W/A)(CW,5mW)c(nm)(CW,5mw) MINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAX 镭波5151.11.60.350.4129013101330 NECNX6306G10201.11.60.20.312801335 巨康AC322010151.151.50.30.4129013101330 SUMITOMOSLT11308151.21.6128013101340 厂家型号 (nm)(CW,RMS) Im(uA)(Vr=5V)Iop(mA)(CW,5mW) MI N TY P MA X MI N TYPMA X MI N TY P MA X 镭波2415040010002030 NECNX6306 G 2006001000 巨康AC3220231002230 SUMITOM O SLT113025200 产品对比非球透镜 n对比NEC、巨康、SUMITOMO的同类产品的出纤功 率/耦合效率，镭波产品达到国际同类产品的先进水 平 n表中单位：光功率为mW，耦合效率为% 厂家型号MINTYPMAX 镭波5.0/45% 5.2/50%6.4/53% NECNX6306G4.0/40% 巨康AC32203.5/38% SUMITOMOSLT11304.0/40% 5-2 TOSA n热设计 DescriptionValueUnit s 0.2 W0.5 W 1 W Height of laser stripe0.50.50.5m Width of laser stripe5050100m Z-position of laser stripe111m Height of LD0.150.150.15mm Width of LD0.50.50.5mm Length of LD0.50.751.1mm Thickness of solder333m Height of heat spreader0.20.20.2mm Width of heat spreader1.01.01.0mm Length of heat spreader1.11.11.5mm Thickness of solder/glue 3/203/203/20m Height of base1.71.71.7mm Width of base1.21.21.2mm Length of base444mm Materialk W/m/k Glue1 GaAs46 AuSn57.1 AlN180 CVDD1800 Copper400 Invar13 5-2 TOSA BaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mW AlNCVDDAlNCVDDAlNCVDD CopperSolder 35.026.430.724.925.122.6 CopperGlue 41.027.036.025.628.423.1 InvarSolder 97.484.091.682.474.370.0 InvarGlue 102.990.297.188.778.374.5 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 BaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mW AlNCVDDAlNCVDDAlNCVDD CopperSolder 15.06.4 10. 74.95.12.6 CopperGlue 21.010.8 16. 09.38.45.8 InvarSolder 77.464.0 71. 662.454.350.0 InvarGlue 82.970.2 77. 168.758.354.5 Table 4 The thermal resistance in 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 BaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mW AlNCVD D AlNCVDDAlNCVDD CopperSolder 100 %43% 100 %46%100%51% CopperGlue 140 %72% 149 %87%165%114% InvarSolder 516 %426% 668 %582% 1070 %986% InvarGlue 553 %468% 720 %641% 1150 % 1075 % 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 solder or glue. The nominal power of the diode is given. -热设计 5-2 TOSA -热设计 Figure 2 The temperature distribution of the package. 200 mW diode on copper base with solder. To the left AlN heat spreader, CVDD heat spreader at the right. 5-2 TOSA -热设计 5-2 TOSA 5-2 TOSA n机械设计 n耦合的精确定位达到0.5m n稳定的固定支撑维持0.5m n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 n自动耦合 系统 YAG激光器TO封装LD耦合焊接系统 5-2 TOSA TCS-MUTCS-MU-3 L6.8 +0/-0.1 D1.620.01 d1.246 R0.1 耦合的精确定位和固定 L3.015.0 0.1 D1.08.00.01 d0.55.00.001 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 Technology 激 光 器 组 件 特点： 固定架3125476 返回 5-2 TOSA -机械设计 5-2 TOSA nTOSA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 nTOSA的测试 nL-I-V nIth n30mA下Pf n插拔 n30mA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 PC Software TEC PD TEC Control 2510-AT Sphere BD 本系统适用于激光二极管中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 nTOSA的测试 5-2 TOSA 主要技术指标 FP-TOSA 光电参数 符号最小值典型值最大值单位测试 条件 输出光功率 LPF0.20.3-mWIF=Ith+20mA MPF0.81.0-mWIF=Ith+20mA HPF1.52.0-mWIF=Ith+20mA 阈值电 流Ith-1020mACW 工作电流IOP-3060mA- 工作电压VOP-1.11.5VIF=Ith+20mA 中心波长 1310nm c 128013101340 nmIF=Ith+20mA 1550nm148015501580 上升、下降时间 （1090%） Tr/T f -0.30.7nsIF=Ith+20mA 监视电 流Im0.10.5 mAIF=Ith+20mA 光谱宽 度 （RMS） 1310nm -37 nm- 1550nm-37 5-2 TOSA DFB-TOSA主要技术指标 光电参数符号最小值典型值最大值单位测试 条件 输出光功率PF1.52.0-mWIF=Ith+20mA 阈值电 流Ith-1020mACW 工作电流IOP-3060mA- 工作电压VOP-1.11.5VIF=Ith+20mA 中心波长1310nmc128013101340nmIF=Ith+20mA 1550nm148015501580 上升、下降时间 （1090% ） Tr/Tf-0.30.7nsIF=Ith+20mA 监视电 流Im0.10.5-mAIF=Ith+20mA 光谱宽 度（-20dB）-1-nm- 边模抑制比SMS R 3040-dB- 5-3 ROSA n含义：Receiver Optical Sub-Assembly 光接收 组件（ROSA） n分类： n同轴封装（TO-CAN） n其它 n结构 nTO46 PIN-TIA、金属件、陶瓷套筒（sleeve ）、陶瓷插芯（ferrule ） 5-3 ROSA nROSA的设计 n光学设计 n电路设计 n热设计 n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：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 n测试设备 n电压源 n光功率计 n光衰减器 n示波器 n测试板 n测试参数 n输出电压 （-30dB光 注入） n工作电流 n插拔一致 性 5-3 ROSA n主要技术指标 交流特性 符号最小典型最大单位测试 条件 增益(单端应用) （差分应用） G- 100 200 mV/ W =1300n m 带宽 (-3dB)BW115-MHzPf=1W 灵敏度（Ber=10-10 ） Sen.-39-dBm =1300n m 饱和光功率-30-dB 输出电阻（差分 ） Ro-50- 工作电流Icc-3240mA 5-4 BOSA n含义：Bi-dirictional Optical Sub-Assembly 光双向收发 组件（BOSA） n分类： n同轴封装（TO-CAN） n其它 n结构 nTO56LD、TO46 PIN-TIA、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 n光学设计 n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 n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 性能体积密封 性 集成 性 一致 性 设备 要求 易生 产性 批量 成本 滤波 片 高大好差一般低手动较高 光纤 滤波 高小差一般一般高/半自 动 较高 平面 波导 高较小差好好高半自 动 较低 5-4 BOSA设计 nWDM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 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 n机械设计 n波片尺寸220.4 5-4 BOSA nBOSA工艺过程 5-4 BOSA nONU单元BOSA主要技术指标 参数符号单位结果条件 minmax 中心波长pnm12901330Ith+20mA 光谱半宽m nm1.92.3Ith+20mA，FP-LD 阈值电流IthmA8.013.0Ith +20mA 出纤光功率PfmW2.05.6Ith +20mA，SM 插拔重复性Pf dB0.6Ith +20mA，5次平均 速率BMb/S1250 接收灵敏度SrdBm-24BER=10-12 饱和光功率dBm-3BER =10-12 光串扰dB25Ith+20mA 3-5 19光收发模块 n电路设计 n发射电路设计 n接收电路设计 n结构设计 n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 n结构设计 n支撑TOSA、 ROSA 组件，注意应 力 n电路板支撑， 实现 电接口 ROSATOSA 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 n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 n测试设备 n码源和误 码分析仪 n眼图分析 仪 n光功率计 n光衰减器 n电源 n测试板 3-5 19光收发模块 n测试参数 n误码率 n接收灵敏 度 n发射光功 率 n光动态范 围 n工作电流 n光谱 n插拔 Agilent37717B误码仪 Agilent83480A眼图仪 眼图的意义 3-6 SFP光收发模块 nSFP含义：Small Factor Plug 小外型可插拔 n提出的背景和标准：多厂家协议 nTOSA和ROSA： n光接口为LC、MC型 n插芯直径1.25mm n套管内径1.25mm n光器件 nTO46/TO56 nTO18 3-6 SFP光收发模块 n电路设计 n发射电路设计 n接收电路设计 n和19模块的区别：数字诊断功能（DDS） 3-6 SFP光收发模块 n结构设计 3-6 SFP光收发模块 n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