（光学工程专业论文）应用于宽带接入网的光收发模块的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 接入网已成为通信网进一步发展的瓶颈，接入网的宽带化趋势不可避免。接入方式 按传输媒质可分为x d s l 、h f cc a b l em o d e m 、无线和光纤接入等。而不论哪种接入方 式，实现光电、电光转换的光收发合一模块是不可或缺的关键部件。其中应用最多的是 1 5 5 m 和1 2 5 g 两种速率。本文成功研制了l 9 封装的1 5 5 m 、1 5 5 m 单纤双向和1 2 5 g 三种光模块，并进入了下一级市场，获得市场好评。 本文研制的光模块中的激光器( l d ) 和探测器( p i n t i a ) 均采用同轴封装形式。文中对 l d 和光纤之间的耦合理论进行了详细的分析，就耦合效率和光功率抖动等方面进行了 讨论。由此完成了同轴封装形式的l d 、p t 和单纤双向( b i d i ) 器件的机械设计。同时， 还完成了符合1 9 封装多源协议要求的光模块管壳的机械设计。 本文对光模块中高速电路传输线理论进行了详细的分析，推导了传输线的电报方程 和特性阻抗的计算公式。还介绍了终端匹配理论和一些抗干扰原则。并分析和计算了 p e c l 电平终端匹配的电阻网络。 设计的光模块在收发功能上相对独立，文中分别研究了发射和接收模块的电路方 案，完成了各自的电路和p c b 设计。针对l d 的温度特性，本文用n t c 热敏电阻网络 和线性补偿理论的方法实现了对l d 阈值和消光比的补偿，具体实验数据显示补偿效果 良好。 最后，给出了光模块测试系统和方法，并以1 2 5 g 光模块为例完成了测试，测试结 果：光发射机消光比为1 4 2 d b ，眼图清晰，信号线很细，抖动峰峰值( p p j ) 很小只有5 0 2 p s ， 严格符合千兆以太网的标准测试模板，表明发射调制的光信号质量很好；光接收机灵敏 度达到3 0 0 d b m ，而且从测得的电眼图来看，信号无过冲，无双线，无反射振铃等信号 劣化现象，抖动真有效值( r m s j ) 只有11 3 8 p s ，抖动峰峰值( p p j ) 也只有1 0 1 2 p s ，这些均 说明信号完整性很好，接收性能优异。综合测试结果表明，所研制的光模块性能优异， 完全能满足宽带接入网的应用。 关键词：接入网光收发合一模块传输线终端匹配特性阻抗半导体激 光器同轴耦合温度补偿 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t r a s t st ot h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eb a c k b o n e ，t h ec o n s t r u c t i o ns p e e do fa c c e s s n e t w o r ki sf a i r l ys l o w 。i tc a u s e st h eb o t t l e n e c kf o rt h ea c c e s sn e t w o r ki nt h en e x td e v e l o p m e n t s t e p o b v i o u s l y i ti si n e v i t a b l et ob r o a d e nt h eb a n do fa c c e s sn e t w o r k a c c e s sm o d ec a nb e c l a s s i f i e da s ) d ) s l 、h f cc a b l em o d e m 、w i r e l e s sa n df i b e ra c c e s s n om a t t e rw h i c hw a yb e s e l e c t e d , t r a n s c e i v e rm o d u l ep l a yt h ek e yr o l ei nt h ew h o l ep r o c e d u r e 。i nc o m m o n a p p l i c a t i o n s ，a c c e s st r a n s p o r t i n gv e l o c i t i e si s15 5 m b p so r1 2 5 g b p s i nt h i st h e s i s ，15 5 m b p s ， l5 5 m b p sb i d i r e c t o ra n dl 。2 5 g b p st r a n s c e i v e rm o d u l e sa l er e s e a r c h e d , m a n u f a c t u r e da n d m a r k e t e d i nt h i ss t u d y ，c o a x i a lc o u p l i n gc o r t f i g u r a t i o ni sa d o p t e di nl d & p t 】a 1 1 1 ct h e o r yf o r c o u p l i n gb e t w e e nl a s e ra n df i b e ri sa n a l y z e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gc o u p l i n ge f f i c i e n c ya n d o p t i c a lp o w e rj i t t e r f u r t h e r m o r e ，m e c h a n i c a ld e s i g n sf o rt h ec o a x i a lc o u p l i n gc o n f i g u r a t i o n s o fl da n dp n 、儆f l e ea c c o m p l i s h e d t h el 9s t a n d a r dc o n f i g u r a t i o no ft r a n s c e i v e rm o d u l e s h e l li sm e n t i o n e d ，c o m p l y i n gw i t hm u l t i p l es o u r c e sa g r e e m e n t 霹跫m e c h a n i c a ld e s i g no f 仕a n s c e i v e rm o d u l es h e l li sg i v e nt h e n i na d d i t i o n , t r a n s m i s s i o nl i n e st h e o r yi sc a r e f u l l yd i s c u s s e d 弧et e l e - e q u a t i o na n d c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ee q u a t i o na r ed e d u c e d a f t e rt h i s ，t r a n s m i s s i o nl i n e st e r m i n a t i o n sa n d a n t i 。i n t e r f e r e n c er u l e sa r ei n t r o d u c e d r e f e r r i n gt ot h o s em e n t i o n e da b o v e , at e r m i n a t i o n i m p e d a n c en e t w o r kb e t w e e nt w op e c li n t e r f a c e si sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d b a s e do nt h et h e o d e sr e l a t e d ，t h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a ma n dp c bd i a g r a ma r eg i v e n c o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e o fl d ，al i n e a r i z a t i o nm e t h o du s i n gn t c t h e m f i s t o rr e s i s t a n c en e t w o r ki sa c h i e y e dt oc o m p e n s a t ef o rt h r e s h o l da n de x t i n c t i o nr a t i oo f t h e 1 t 1 1 ee x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h ee x c e l l e n tc o m p e n s a t i o nr e s u l t s f i n a l l y 钒e x p e r i m e n t a lp l a ni sl a yo u t t h et e s to nt h e1 2 5 gt r a n s c e i v e rm o d u l ei s c o m p l e t e d ，强er e s u l t so ft h et r a n s m i t t e rp a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d t h ee x t i n c t i o nr a t i oi s 14 2 d b 1 1 忙t r a n s m i s s i o ne y ed i a g r a mi sw i l d ，v i v i da n df i n e t h e s ep a r a m e t e r ss t r i c t l ym a t c h t h es t a n d a r dt c s tm a s ko ft h eg b i te t h e m e t 。a n dt h er e c e i v e rp a r a m e t e r sa r em e n t i o n e da s f o l l o w s 硼瑶r e c e i v e rs e n s i t i v i t yi s - 3 0 。0 d b 撒t h e r ea r en oo v e r s h o o t ，n od o u b l el i n e sa n dn 0 r e s o n a n c ei nt h er e c e i v i n ge l e c t r o n i ce y ed i a g r a m n 瓣r m s - j i t t e ri so n l y11 3 8 p s a i lr e s u l t s s h o wt h ep e r f e c tp e r f o r m a n c eo f t h et r a n s c e i v e rm o d u l e 。 k e y w o r d ：a c c e s sn e t w o r k t r a n s c e i v e rm o d u l et r a n s m i s s i o nl i n e s t e r m i n a t i o n s c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c el dc o a x i a lc o u p l i n g t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：珠多l 乙 日期：加口￥年岁成弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在三年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：本刍2 k 日期：细洚；月群日 指导教师签名： 秽纠 日期：噜歹月佣 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪言 i t 产业经历了九十年代到本世纪初的辉煌。在辉煌背后，通信行业的市场存在着泡 沫，此后通信业陷入了空前的困境球1 1 2 ：设备过剩，股价暴跌，大批通信公司倒闭，2 0 0 0 年以来，仅北美的2 0 0 0 家通信公司就有1 9 0 0 家倒闭。从2 0 0 l 2 0 0 3 年整体表现出不 景气的状况。电信公司大幅度削减网络基础设施建设投资。然而对通信的内在需求并没 有根本改变。人们并没有少上网，少打电话，反而对新业务、新应用的需求不断上升。 通信业务持续增长，中国的市场有着很大的提升空闻。日本近期如火如荼的f t t h ( f i b e r t o t h e h o m e ) 进程也说明了这一趋势。当前的困境只是市场规律本身对通信行业的自我调 整，适当的降低发展速度，从而使得通信业回到一个比较理智健康的发展轨迹上来。 两在通信业中，光通信的地位举足轻重。美国透信业界对光通信的前景有一句经典 的话：“o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni st h eo n l yg a m ei nt h et o w n ”这里的t o w n 指的是我们这个 信息社会。没有什么通信能离开光通信，就是现在炒的很热的无线通信，也只是手机到机 站阃是无线的，其他部分都是光通信。光通信的前途一片光明。 逶信网络可划分为三个部分：骨干传输网、城域网和接入网。上个世纪末网络飞速 发展的时期，获得最大发展的是骨干网，很多新技术是针对于传输的，导致传输的容量 大幅度增长。随着传输技术和交换技术的不断进步，骨干网已基本实现了光纤化、数字 化和宽带化。与此同时接入网的发展并没有相应跟上，处予网络边缘的接入网是整个网 络和用户的接口，直接面对用户。由于用户的需求业务种类和数据量在日益增加，除了 要求能提供传统的窄带业务( 如话音和低速数据) ，还要求提供高速宽带业务；因特两所 需的高速数据、多媒体、v o d ( v i d e oo nd e m a n d 视频点播) 、远程医疗诊断、远程教育、 多方会议、居家办公、家庭银行、交互式图象传输和高清晰度电视业务等。用户对带宽 的要求越来越大，使接入的带宽及相对成本成为了用户需求的直接限制。所以，接入网 建设的滞后、骨干网的传输容量和用户业务需求量的飞速发震使褥接入戒隽了謇蓠网络 继续发展的瓶颈所在。从某种程度上而畜，这正是泡沫破灭的根本原因之一。于是，随 华中科技大学硕士学位论文 着i t 冬天的到来，各大通信公司纷纷减少或停止对传输基础设施的投入，而把注意力 集中到接入网和城域网的建设中来，接入网的关键地位开始受到了很好的重视，接入网 宽带化、光纤化和数字化的趋势势在必行。 薹。2 接入网的分类 按照删tg 。9 0 2 定义，接入网由业务节点接e i ( s n i ：s e r v i c en o d ei n t e r f a c e ) 和用户 网络接n y n i ：u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e ) 之问的传送实体组成，为供给电信业务而提供所 需传送能力的实施系统，可经由管理接e l ( q 3 ) 配置和管理。原则上，接入网可实现的s n i 和u n i 的类型和数目没有限制。通俗地讲，接入网就是介于业务节点接口和用户网络接 墨之间的网络，它包含线路设施和传输设施。 接入网所采用的传输媒质和方法是多种多样的，它可以灵活地支持混合地、不同的 接入类型和业务。从采用的物理传输媒质划分，宽带接入方式可以分为有线接入和无线 接入两大类 3 h 5 i 。现有的有线接入网仍以铜缆为主，光纤接入具有了定的规模，无线 接入已经应用。另外，基于光纤同轴电缆混合( h f c ：h y b r i df i b e rc o a x ) 接入技术的c a b l e m o d e m 接入也开始应用。 l 。2 。1 基于双绞线的x d s 毛接入方式 x d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 最1 数字用户线，是以铜双绞线为传输媒质的数字用户 环路技术的通称。它在现有的p s t n ( p u b l i es w i t h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 用户线上孳| 入高 速传输技术，生要有h d s l ( h i g hs p e e dd s l ) 、a d s l ( a s y m m e t r i c a ld s l ) 和v d s l ( v e r y 珏g hd a t ar a t ed s l ) ，躁前a d s l 技术应用最为广泛，它采用f d m ( f r e q u e n c y - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术和d m t ( d i s c r e t em u l t i t o n e ) 调制技术，利用现有的电话网络线缆基础， 在提供话音服务的同时，同时提供高速疆数据服务。 通过a d s l 技术，在双绞线内形成三个不同速率的“管道”。在1 m 的频段内，0 3 - 4 k h z 用于传输话音信号，4 - - 1 3 8 k h z 用于传输低速的双向信号，1 3 8 乜l m h z 用于 传输高速下行信号。a d s l 可在对双绞线上提供下行2 - 8 m b i t s 、上行6 4 0 k b i t s 信号 传输，最大传输距离可达4 - - , s k m 。 不容忽视的是，目前，全世界有将近7 5 亿铜制电话线用户，a d s l 无须改动现肖 铜缆网络设施就能提供宽带业务，由于技术成熟，产量大幅上升，a d s l 已开始进入大 2 华中科技大学硕士学位论文 力发展阶段。在宽带业务发展的前期和中期，正扮演着重要的角色。 董。2 2 h f c c a b l em o d e m 接入方式 c a b l em o d e m 接入方式是在有线电视网( c a t v ：c a b l et v ) 的基础上发展起来的一种 宽带接入技术。其嚣络结构采角树型或总线形式，局端到小区光节点采用光纤传输，光 节点到用户端采用同轴电缆，在用户端的有线电视前端配备c a b l em o d e m 系统，向上采 用1 0 0 b a s e - - t 或1 0 b a s e - - t 接囡通过h u b 与外界设备相连，向下逶过1 0 b a s e - - t 接翻 和用户计算机相连。在光节点内的用户通过频分复用方式共享某一频段上的信道。上行 速率可达2 7 m b i t s 3 6 m b i t s ，下行速率可达3 2 0 k b i t s 、- 1 0 m b i t s 。 可见，在h f c 中，语音、数据、视频等多媒体信息在局端经过调制后与电视射频 信号一起传输到用户端，经过信号解调分离蜃为用户所用。显然，它有着带宽大、组网 安装便利等许多优点。但h f c 的树型结构使得它的可靠性、噪声以及回传信号拥挤等 问题难以解决。露且它是一种模拟传输方式，与数字化传输方向不一致，生命力有限。 但在有些电信公司和c a ，公司的联合下，在宽带接入的前期有一定的市场，目前国外 有部分应用，园内应用很少。 1 2 3 宽带无线接入方式 宽带无线接入技术主要有三类，即多路多点分配监务、直播卫星系统和本地多点分 配业务( l m d s ：l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t es e r v i c e ) 。其中l m d s 最近成为了热门技术。 典型静l m d s 由类似蜂窝配置的多个基站组成，每个基站经点到多点无线链路与服 务区的用户通信。单个蜂窝的覆盖区为二至五公里，覆盖区相互重叠。每个蜂窝区又可 划分为多个赢区，根据溺户需要在该扇区提供特定业务。这种模式结构使露络扩客灵活 方便。l m d s 不仅能提供因特网接入，也可以用来互联局域网。 1 2 4 光纤接入网方式 光纤接入网随着嬲络带宽需求的增大和光纤成本下降、性能提离的发展成为了最能 适应未来发展的解决方案。尤其是无源光网络( p o n ：p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 和 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 、e t h e r n e t 、w d m ( w a v e d i v i s i o nm u l t i p l e x ) 相结合丽 形成的a f o n ( a t mp o n ) 、e p o n ( e t h e m e tp o n ) 和w d m _ p o n 技术正逐渐成为未来综 合宽带接入方式。 3 华中科技大学硕士学位论文 根据光纤接近用户的程度，可分为f t t c ( f i b e rt ot h ec u r b ) 、f t t b ( f i b e rt ot h e b u i l d i n g ) 和f t t h ( f i b e rt ot h eh o m e ) 等。f 1 盯h 即光纤到家方式，般仅需要一到二根 光纤直通到客户家中，随着光纤价格豹不断下降，必将代替铜线实现光纤到户方式。丽 且随着多模塑料光纤和v c s e l ( v e r t i e a l c a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ) 光模块的技术进 步，基于这一方案的f 傩的成本将十分低廉。 对于删，日本和美国等都非常重视，日本已启动了f t t h 的应用，月租金只有 3 5 美元。美国对此也非常重视，并成立了f 玎h 协会( f t t 8c o u n c i l ) 。他们努力使光纤 到户成为美国的国策。多数专家主张利用e p o n 技术来实现f 盯w ，随着宽带接入技术 及应用的不断提高，勰将有不断发展的动力。 在上面四种主流的接入方式中，光纤接入在随着网络带宽需求的增大、光纤成本下 降以及性能的不断提高成为了最能适应来来发展的解决方案。爱前的接入两中，光纤化 比例越来越大，而无论采用何种方式接入，铜缆还是无线，最终均将通过光纤收发器或 光端规的形式通过光纤将信息汇聚到局端交换枧。所以在接入网中( 包括城域网孛) ，实 现光电、电光转换的光收发合一模块是其中不可或缺的关键部件，而且它的成本也直接 影响接入的雳户成本。 1 3 光收发合一模块的定义和发展现状 光收发合一模块( 以下简称光模块) 是实现光电、电光转换，具有独立发射驱动和接 收放大电路，收发功能合一，符合电信传输标准的光电子系统。它的前身是分立的光发 射模块和光接收模块。由于光器件封装技术的进步和驱动集成电路、放大集成电路的出 现，入们可以在很小的体积内将发射和接收集成到一起。从1 9 9 9 年前后面世以来，光 模块已经成为了各类光通信系统接口部分的核心光器件，特别是在接入网和城域网中这 样中短距离和中低速率传输系统中一统天下。由予光模块巨大嚣市场吸弓l 力，在此领域 涌现了众多的供应商，尤其是那些传统的国际通信大公司在光模块这一领域上投入了巨 大鲶力量，弓| 领着这一领域的技术进步。 概括而言，光模块目前的发展趋势主要体现在小型化、多功能化和低成本化三个方 面： 小型化以标准1 9 为基础，向s f f ( s m a l lf o r mf a c t o r ) 模块发展，尺寸缩小了一半。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 0 g 模块向x f p ( 1 0g b p sf o r m - f a c t o rp l u g a b l e ) 过渡，尺寸也缩小了一半多。小型化的下 一步发展趋势是并行产品。目前已经有4 路和1 2 路的模块出现在市场上。在此领域o c p 公司收购并行模块公司c i e l o 是个典范。 多功能化以t r a n s p o n d e r 产品的兴起为代表，在普通光电转换的基础上增加了分复 接的功能，使之成为一个基本的光线路板，进一步简化系统设计。另外由于w d m 技术 的兴起，内置有波分复用器的波分复用光模块也随之出现。 低成本化一方面是竞争加剧导致的结果，一方面也是技术进步的结果。单纤双向是 其中一个很好的代表，尤其在接入部分，由于节约了一根光纤而使得面对用户的直接成 本得到降低。比如，目前日本正在进行的硎工程正是采用了单纤双向光模块。另一 方面，长波长v c s e l 技术进步的推动力巨大。随着长波长v c s e l 技术的成熟，光模 块的成本有望进一步降低，但是难度非常大，所以在这一领域，a g i l e n t 和i n f i n e o n 最近 都传出暂时停止研发的消息，而新兴公司l y t e k 有望率先推出商用化长波长v c s e l 产 品。 由于光模块的广泛应用和巨大的市场，国内外有很多厂商致力于这一产品的研发和 生产。国外主要有：a g i l e n t ，f i n i s a r ，i n f i n e o n ，l u m i n e n t ，o c p ，l i g h t w a v e ，m o l e x ， a m p ，住友，o k i 等；国内厂商主要有：w t d ，飞通，飞博创，华工正元，恒宝通， 大亚，奥雷，天尚，九州，飞鸿等；台湾厂商主要有：岳丰，中达，鸿亚，前源，光环 等。相应光模块的产品种类更是众多，封装上有1x9 、s f f 、g b i c 等；速率上更是涵 盖了s d h 系列的1 5 5 m 、6 2 2 m 、2 5 g 、l o g 和应用于千兆以太网的1 2 5 g ，还有应用于 1 0 m 1 0 0 m 以太网接入的1 0 0 m 和以下低速模块等；其他还有单纤双向( b i d i ) 、并行模 块和t r a n s p o n d e r 等等。 1 4 接入网对光模块的技术要求 从上面对接入网和光模块的分析，可以看出光模块在接入网的应用中具有不可或缺 的关键地位，而其中应用最多的光模块速率主要是1 5 5 m 和千兆( 1 2 5 g ) 。根据目前光模 块的国际、国家和行业标准，下面给出应用于接入网的这两种速率光模块的具体技术要 求见表1 1 。 华中科技大学硕士学位论文 表1 1应用于接入网的光模块的具体技术要求 参数符号最小值典型值最大值备注 1 2 8 0 1 3 1 01 3 3 0 工作波长( i m l ) 入 1 5 3 01 5 5 0l5 7 0 供电电压( v e t0 55 6 输入高电平( v ) v i h sv c c 1 1 6 5v c c 0 8 0 0 输入低电平( - v i l sv c c 1 8 1 0 v e t 1 4 7 5 p e c l 4f p 输出谱宽( r m l ) 九 l d f b 边模抑制比( d b ) s m s r 3 0d f b - 1 582 0 k m 输出光功率( d b m ) p o8 54 0 k i n - 5o8 0 k m 1 0 l5 5 m 消光比( d b ) e x 91 2 5 g 3 71 5 5 m 灵敏度( d b m ) 2 71 2 5 g 最小过载点( d b m ) 一3o 4 515 5 m 无光告警低( d b m ) 4 0 1 2 5 g 3 81 5 5 m 无光告警高( d b m ) 2 81 2 5 g 无光告警回滞( d b ) 3 抖动( p s ) 1 5 01 2 5 g 隔离度( d b ) 1 5 5 0 1 3 1 03 0 b i d i 回波损耗( d b ) 1 2b i d i 输出眼图符合i e e e8 0 2 3 标准 1 5 本文研究的内容和意义 在众多光模块中，应用于接入网的1 5 5 m 和千兆光模块是光模块产品中的主流，从 2 0 0 2 年到2 0 0 3 年光模块销售情况统计来看，这两者占了绝大多数，15 5 m 光模块更是 重中之重，其价格也从几年前的千元左右降到了目前的2 0 0 元以下。另外，在1 5 5 m 光 模块中单纤双向模块的需求量越来越大，价格也路下跌。 正是基于现今光模块的发展和市场情况，本文作者选择了1 9 封装形式的1 5 5 m 、 6 华中科技大学硕士学位论文 1 5 5 m 单纤双向和千兆光模块作为课题研究的方向和内容。并和武汉飞鸿光网络有限公 司合作，在该公司进行课题研究，完成以上几个光模块的研制。 武汉飞鸿公司是一个致力于研发和生产光模块的公司，为本文作者的课题研究建立 了非常好的工作平台。但由于是刚刚成立，没有一个产品，所以作者的工作无论对自身 还是公司而言均具有开创性的意义，给作者的研制工作带来了很大的挑战。本课题的技 术关键及难点主要有： ( 1 ) 紧凑、可靠的模块管壳设计； ( 2 ) 同轴器件耦合理论的分析，高耦合效率的同轴封装器件设计，高性能单纤双向 器件设计； ( 3 ) 传输线理论、终端匹配和抗干扰理论应用于高密度、高速p c b 设计； ( 4 ) 散热、e m i 和串扰等因素的考虑及解决等。 本文研究的内容有： ( 1 ) 同轴封装的l d 和p i n t i a 的耦合理论分析和机械设计； ( 2 ) l 9 封装形式的光模块管壳的结构分析和管壳机械设计； ( 3 ) 高速电路中的传输线理论、抗干扰和终端匹配理论的分析； ( 4 ) 光模块的电路原理设计和多层高速电路p c b 板的设计； ( 5 ) l d 温度特性分析、l d 温度补偿的原理分析和具体实现 ( 6 ) 光通信测试仪器应用于光模块的调试和测试工作。 以上工作历时一年多，最后完成了1 5 5 m 、1 5 5 m 单纤双向和千兆光模块的研制和批 量生产。其中为了更大程度的降低成本，1 5 5 m 和1 5 5 m 单纤双向光模块除了完成采用 典型的i c 方案外，还研制完成了分立元件方案。经过测试和用户反馈，本文作者研制 的光模块的技术指标( 详细参见后面章节的测试结果) 优于目前国内同类产品，达到国外 同类产品水平，但成本远远低于国外产品，与国内同类产品相比也有一定优势。 在完成以上三种光模块的研制外，作者对小封装s f f ，千兆热插拔g b i c 等模块做 了一部分前期工作。另外作者还利用一个多月的暑期时间，接收了厦门三优光机电有限 公司的邀请，完成了该公司光模块的生产线组建工作。 在网络飞速发展的今天，尤其是接入网的发展给光模块提出了很多要求和巨大的需 7 华中科技大学硕士学位论文 求。在当今中国这样一个经济飞速发展的大环境下，光通信的民族产业更是应该利用这 一大好时机紧紧跟上世界技术潮流。作者也希望通过个人的极其微薄的力量在课题研究 中更是在以后的工作中为中国的光通信事业作出自己的一点贡献。 华中科技大学硕士学位论文 2 耦合理论分析和器件封装设计 2 1 同轴器件耦合理论分析 2 1 1 前言 p d 的光敏面比较大t 6 ( p i n 管光敏面的直径约为i - - 2 m m , a p d 的光敏面直径约为 1 5 0 - - - , 3 0 0 l am ) ，它们与光纤之间的低损耗耦合相对比较容易，一般采用直接耦合的方式。 而光纤和l d 的耦合相对比较麻烦，耦合效率也比较低。光纤和l d 的耦合早在8 0 年代 就开始研究了。随着工艺和技术的进步，耦合效率也逐渐提升。1 9 9 3 年，贝尔实验室成 功研制出了具有理想消像差性能的双曲面微透镜和兼具椭圆度校正性能的椭双曲面微 透镜，数值孔径达0 9 以上，使l d 和单模光纤的耦合效率达到9 0 以上阴。国内清华 大学电子工程系曾经报道过用抛磨法制作尖锥形微透镜，在l d 和光纤之间取得了7 3 9 的耦合效率【酊。 一般在l d 和光纤的耦合中有直接耦合和间接耦合两种方式，它们两者的区别在于 l d 和光纤之间有没有透镜。间接耦合又分单透镜和复合透镜。直接耦合相对而言具有 结构简单和成本低的特点，但同时耦合效率也很低。复合透镜间接耦合可以采用多种组合 方式提高耦合效率和改善耦合性能，但由于结构复杂且可靠性差，不利于工业化量产。 所以在目前商用化同轴封装形式的l d 中，一般采用直接耦合或单透镜耦合的方式。其 中单透镜耦合又分为球透镜和非球透镜两种。 2 1 2 模场耦合理论分析一l d 和光纤的耦合效率 l d 和光纤的耦合人们作过许多研究【9 h 1 2 1 ，主要有基于几何光学理论的光线追迹法 和基于物理光学理论的模场耦合分析法。对于多模光纤，由于芯径半径远远大于光波波 长0 5 5 0 n m ) ，所以采用光线追迹法分析l d 和多模光纤的耦合问题，已具有足够的精度。 但对于单模光纤的耦合问题，必须用更为精确的模场耦合理论分析，模场分析法普遍使 用于各种场合。下面用模场耦合理论来分析l d 和光纤的耦合效率。 9 华中科技大学硕士学位论文 设l d 和光纤的模场分别为妒，、妒厂，则耦含效率公式【1 3 】为： 中一 8 。 单模光纤的模场分布可以很好的近似为圆对称高斯分布0 4 】f 1 5 】： 畎w 力拳乡。尝) 唧( 娩) e 科c o f 蛔句 伍2 ) 国f厶氏f 其中模场半径、波前曲率半径、共焦参数和束腰半径分别为： 砒) - 幼 1 + 印 屿叫l + 劬；驴孚；驴则6 5 + 等+ 竽) ； 。 z b 。 z vv 设g 参数为： l1魂 一2 ：一i ； q 曼黝2 。 则光纤模场可表示为： 蹦训力2 助。学e x p ( _ 肌摅象 ( 2 3 ) 。 缈rz g 毛d 的输患光束，可以近似看成束腰在输出端瑟上的厄米一嵩斯光束瑟翻，l d 的输出 光分布如图2 1 。 图2 1l d 的输渤光分布 1 0 华中科技大学硕士学位论文 其模场分布为： 定义附加相移： y 心，y ，z ) ：易。( 坐) ；e x p ( 一胞) e x p ( 一1 x 2 1 y 2 ) x y 2 一- ( 三) + 一( 三) 】 , t g 7 , x o z y o 冲卅腩丢+ 匆 q 4 则2 4 式用q 参数可表示为： 吣y z ) 刮乏孚) ；刚小x p 州抖瓦x 2 + 彰y 2 ) ( 2 5 ) li 1 y 将少厂、少z 代入耦合公式2 1 ，得到： ：- 荔舔n c o j c o 2 筝1 1 2 】 亿。 【( 考+ 考) 2 + ( 竺2 ( 击一击) 2 】 从上式可以看出，g 参数包含了腰斑半径c o 和波前曲率半径r ，所以可以通过q 参 数唯一确定耦合效率。另外，当l d 和光纤的模场参数都一致( q = 国，= c o ：，r ：= r ，= r ，) 时，达到理想耦合情况，耦合效率为1 ；两者参数相差越远，耦合效率越低。 当l d 和单模光纤直接耦合时，耦合发生在光纤端面，此时r ? 为无穷大，由于l d 和光纤的模场参数偏离很大，可以计算得到l d 和光纤的耦合效率约为1 0 。为了提高 耦合效率可以引入透镜，采用间接耦合，如图2 2 。随着透镜的引入，实际耦合效率还 将乘上一个由于透镜产生的损耗因子, t r ，r r 包含了菲涅尔反射和透镜有限孔径衍射引 华中科技大学硕士学位论文 起的损耗以及像差损耗。所以实际的耦合系数为： r o 2 r r r ( 2 7 ) 图2 2 透镜对高斯光束的转换示意图 在傍轴近似下，透镜可用一个传输矩阵( a b c d 矩阵) 来描述其光学特性。高斯光束 经过透镜的传输矩阵后，腰斑半径国和等相位面曲率半径r 的变化为： = 丽l o ( b 丽2 + a 2 q ：) ( 2 8 ) 耻鲁瓮 亿9 ， 其中：= 碱乞，和分别为输入和输出的腰斑半径，为输出的等相位面曲率 半径，厶为真空中的l d 波长, a b c d 为透镜的传输矩阵元。 从上面可以看出，l d 的模场参数经过透镜的转换，可以和单模光纤的模场参数尽 量匹配，从而提高耦合效率。由于l d 是椭圆高斯光束，用普通球透镜虽然可以改善模 场失配的问题，却无法改善l d 光束椭圆度带来的损耗，以及像差损耗。所以具有理想 消像差性能同时兼具椭圆度校正性能的椭双曲面透镜是提高耦合效率的最好解决办法。 但研制这样的透镜的工艺非常困难。 2 1 3 耦合损耗分析旧1 1 7 l 从上面分析可以对耦合损耗的来源做一个总结： ( 1 ) 模场失配损耗 从2 6 式可以看出，l d 的模场参数和光纤的模场参数的不匹配是产生直接耦合时 耦合损耗的主要来源。只有在用透镜对l d 输出模场进行转换后，使之于光纤模场匹配， 1 2 华中科技大学硕士学位论文 以消除此类损耗。 ( 2 ) 椭圆度损耗 从图2 1 中可以看出，l d 的输出场分布为厄米一高斯分布，是一个椭圆高斯光束。 而光纤为对称的圆高斯光束，所引起的椭圆度损耗可以通过柱面透镜耦合的方式消除， 也有经过波导结构改进的具有圆对称输出场分布的l d 出现，这样椭圆度损耗可大大降 低。 ( 3 ) 场型失配损耗 光纤的场分布可以很好的近似为高斯场型，而l d 的输出场分布不是真正意义上的 高斯分布，为不规则的场分布，这同样要产生损耗。这种损耗很难从理论上准确计算出 来，而且不同l d 的场分布也不尽相同，一般从实验上确定为0 5 d b , - - 一l d b 。 ( 4 ) 耦合系统引入的透过率等损耗 由于耦合系统( 主要指透镜) 的引入，自然产生了相应的损耗。主要包括：透镜的光 学面的菲涅尔反射所引起的损耗，一般通过镀增透膜的方式减小；透镜像差损耗，可以 采用具有理想成像质量的双曲线面透镜消除像差避免像差损耗。还有因为透镜有限孔径 引起的菲涅尔衍射损耗。 2 1 4 反射光对光输出的影响 反射光主要来自于两个方面，一是耦合系统的光学面( 透镜和t o 封装帽的玻璃屏窗) 的反射，另一方面来自于光纤的端面。对于耦合系统的光学面，一般采用镀增透膜的办 法减少反射。对于光纤端面，一般用斜8 。的光纤端面使得光纤端面和l d 腔面构不成 谐振腔。 每个有效反射面和l d 端面会构成新的复合谐振腔，随着温度的变化所带来的耦合 系统的微小形变而产生光学面的轴向位移，新的复合谐振腔腔长发生变化，同时反射光 相对于输出光的相位延迟，将导致l d 发生频率漂移和输出光功率抖动【1 8 1 如图2 3 。所 以反射应尽量避免。 华中科技大学硕士学位论文 功 妻 轴向位移s 圈2 3 反射光学面轴向位移引起的光功率抖动 一般在l d 和光纤直接耦台的情况下，由于耦舍效率较低，所以相应反射光对l d 输出光的影响不大，一般反映不出来。但对于透镜耦合的情况尤其是非球透镜，随着 耦合效率的提高，进入l d 腔面的反射光的能量也相对变大，对l d 输出光的影响相应 变大。从图2 4 可以看出非球面透镜耦合时，反射光对输出光功率抖动的影响。 a ) 实时测试模式 黼阐圈酾嘲麟嘲麓嘲黼 霄噌一 图2 4 反射引起的光功率抖动 2 2 同轴封装光收发组件的机械结构设计 累计测试模式 光收发组件包括激光器( l d ) 组件和探测器( p i n t i a ) 组件。封装形式有蝶型封装、双 列直插和同轴封装。其中成本最低工业上最为常用的是同轴封装。同轴激光器组件主要 包括有集成了l d 芯片和背光探测器的t o 、耦台透镜、光纤插针和光接1 ：3 ，它们用同 轴的方式耦合在一起。t o 管座后引出镀金可伐线金属管脚，耦合透镜一般直接装在t o 的玻璃屏窗上或直接替代玻璃屏窗，光纤插针为了减小反射光的影响一般采用斜8 。端 面，光接口可以视用户需求设计成尾纤式，s c 接口、f c 接口和s t 接口形式。其中s c 华中科技大学硕士学位论文 接1 3 最为常见。图2 5 是参照s c 接口标准，采用三菱t o 封装的l d 设计出的同轴l d 组件的装配示意图。机械零件图见附录2 。 【、 i 7 f 0 0 、 、 、i 、l 、 ， _ j ，秉醯 1 l d 芯片 隧一崔 插针 j ； k1 l ， 二、 ， ，l 一、0 0 、：、- 、0 弋、 、 图2 5 激光器组件装配示意图 探测器组件主要包括p i n 光电二极管、前置放大器t i a 和相应的光接口。在灵敏度 要求非常高的场合p i n 可用a p d 替代。因为p i n 的光敏面一般比较大( 约为1 皿n ) ，所 以相比l d 耦合要简单很多，其中省掉了光纤插针部分。p i n 和t i a 芯片用特殊的胶粘 在陶瓷基片上再用金丝焊接在镀金可伐金属管脚上集成为t o 封装的p i n t i a 。光接口 设计和l d 一样。s c 接口的p i n t i a 组件的装配示意图如图2 6 。机械零件图见附录2 。 犟垦配器 7 一一，一一一一。 管体to 图2 6 探测器组件装配示意图 华中科技大学硕士学