光通信模块的形成与制造毕业实践.doc

光通信模块的形成与制造目 录前言3 第一章、光通信与光通信模块4 1.1光通信 4 1.2光通信模块 5 1.3光通信模块的演进过程 6 第二章、光通信模块的制造8 2.1光器件 8 2.2光器件的主要参数 10 2.3光器件与光模块的制造 13 致谢 16参考文献 16前言时光如白驹过隙，我们的大学生涯就快到了尽头。为了尽快适应毕业后的生活，积累更多的社会经验，经过老师们的努力，我们得到了在武汉华工正源光子技术有限公司定岗实习的机会。经过3个月的实习，我学到很多在课本上学不到的知识，也积累了很多社会经验，赚到了我人生中的又一桶金。我之所以以光通信模块的形成与制造来命题，很大程度上取决与我在武汉华工正源光子技术有限公司几个月的所学所感。下面就让我给武汉华工源光子技术有限公司做个简单的介绍。武汉华工正源光子技术有限公司成立于 2001 年 3 月，是华工科技产业股份有限公司的核心子公司，现已建成国内最先进的批量有源器件和光模块生产线，在此基础上开发、生产具有自主知识产权的各种新型光电器件和模块，是目前国内光通信器件行业唯一一家拥有从芯片外延生长、管芯制作、器件、模块批量生产全套工艺生产线的厂家。公司以光电子、信息安全与防伪为主营业务，主要从事激光器、激光加工设备及成套设备、激光全息综合防伪标识及包装材料、敏感电子元器件、光通信器件与模块等技术与产品的研究、开发、生产与销售，产品市场占有率处于行业领先地位。在武汉华工正源光子技术有限公司实习的几个月里，我天天和光通信模块打交道，所以对他们有了一定的了解，下面就开始我的课题吧。光通信与光通信模块1.1 光通信光通信是一种以光波为传输媒质的通信方式。光波和无线电波同属电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短。因此，它具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点。 光波按其波长长短，依次可分为红外线光、可见光和紫外线光。红外线光和紫外线光属不可见光，它们同可见光一样都可用来传输信息。光通信按光源特性可分为激光通信和非激光通信；按传输媒介的不同，可分为有线光通信和无线光通信。常用的光通信有：大气激光通信信息以激光束为载波，沿大气传播。它不需要敷设线路，设备较轻，便于机动，保密性好，传输信息量大，可传输声音、数据、图像等信息。大气激光通信易受气候和外界环境的影响，一般用作河湖山谷、沙漠地区及海岛间的视距通信。光纤通信是一种有线通信，光波沿光导纤维传输。光源可以是激光器（又称半导体激光二极管），也可以是发光二极管。光纤通信传输衰减小、容量大、不受外界干扰、保密性好，可用于大容量国防干线通信和野战通信等。蓝绿光通信是一种使用波长介于蓝光与绿光之间的激光，在海水中传输信息的通信方式，是目前较好的一种水下通信手段。红外线通信是利用红外线（波长 300 0.76 微米）传输信息的通信方式。可传输语言、文字、数据、图像等信息，适用于沿海岛屿间、近距离遥控、飞行器内部通信等。其通信容量大、保密性强、抗电磁干扰性能好，设备结构简单，体积小、重量轻、价格低。但在大气信道中传输时易受气候影响,传输的距离也就是4000米。紫外线通信是利用紫外线（波长 0.39 60 10 微米）传输信息的通信方式。其基本原理与红外线通信相似，与红外线通信同属非激光通信。 因为激光是一种方向性极强的相干光，沿光纤传输是目前最理想的恒参信道。从发展的观点看，激光通信特别是光纤通信将被广泛采用。下图能告诉你光在光纤中是如何传播的。图1.1光在光纤中的传播1.2 光通信模块光通信模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。发射部分是：输入一定码率的电信号经内部的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，其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。接受部分是：一定码率的光信号输入模块后由光探测器转换为电信号。经前置放大器后输出相应码率的电信号。图1.2光通信模块的系统工作示意图发送端的电端机是将要发送的信息以二进制码型的电信号发送到光发送机。光发送机驱动光源器件LD，LD 发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光或者发微光）。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，电端机对传来的信息进行处理。就这样完成了一次通信的全过程。光通信模块主要应用领域为以太网、SDH/SONET、IPTV、数据通信、视频监控、安防、存储区域网络（SAN）和（FTTX）等，用于网络构架中路由器、交换机、数据服务器等之间的连接，以增加远程网络的容量和传输距离。光通信模块的种类有很多，按照不同的分类方式主要有：按照速率分：以太网应用的100Base（百兆）、1000Base（千兆）、10GE、SDH应用的155M、622M、2.5G、10G、40G。按传输距离分：300M、2KM、10KM、40KM、80KM等；按发射波长分：850nm、1310nm、1550nm等；按照使用方式分：非而插拔、可而插拔；按封装分：19、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP等。1.3 光通信模块的演进过程光通信模块产品包括多种封装，包括常见的1X9、GBIC、SFP。1X9封装的光模块产品最早生产于1999年，采用SC光头，是固定的光模块产品，通常直接固话在通讯设备的电路板上，作为固定的光通信模块使用。之后，1X9封装的光模块产品逐渐向着小型化，可而插拔的方向发展。光通信模块产品开始分两个方面发展，一种是而插拔的光通信模块，就成了GBIC。另一种是小型化，用IC头，直接固化在电路板上，变成了SFF 2X5，或SFF 2X10。GBIC和SFF光通信模块产品都曾经取得了广泛的应用。GBIC模块，曾经广泛的用于交换机，路由器等网络产品，GBIC模块与1X9封装的模块相比，优势非常明显，由于其可支持而插拔的特性，使得GBIC产品作为一个独立的模块，用户可以方便的更新维护光通信模块，故障稳定。然而是随着网络的不断发展，GBIC模块的缺点也逐渐显现。主要的缺点的个头太大，导致业务板光口密度较小，板卡上无法容纳足够数量的GBIC，无法适应网络迅猛发展的趋势。SFF模块是光通信模块产品演进的又一分支，目前广泛应用于EPON系统中。在EPON系统的ONU侧，清一色的采用了SFF模块，ONU侧采用SFF模块的主要原因是由于，EPON系统的ONU产品通常放置在用户侧，要求固定，而不是而插拔。随着EPON技术的快速发展，SFF的市场也逐渐扩大。SFP模块是最晚出现的光通信模块，也是目前应用最广泛的光通信模块产品。SFP模块继承了GBIC的而插拔特性，也借鉴了SFF小型化的优势。采用LC头，其体积仅为GBIC模块的1/3，极大的增加了网络设备的端口密度，适应了网络迅猛发展的趋势，因此得到了最广泛的应用，目前的设备厂商，无一例外的摒弃GBIC产品，只采用SFP光模块产品。由于采用了统一的标准，各厂家的SFP产品可以兼容，SFP产品可以作为一种单独的网络设备采购。随着技术的不断进步，为了适应更高的数据传输速率，SFP+、XFP等10Gb/s高速率光通信模块逐渐在实际中得到应用并不断得到普及。一些公司甚至开发出40Gb/s的产品，如XENPAK等类型的模块，他们的体积会变的越来越小，传输速率会变的越来越快。光通信模块的制造2.1 光器件光器件的种类光器件是光通信模块的核心组成部分，它的种类有很多：TOSA：光发射器件，作用是将电信号转换为光信号。ROSA：光接收器件，作用是将光信号转换为电信号。BOSA：通过一根光纤实现光的一个发射和一个接受。单纤三向：通过一根光纤实现光的一个发射和两个接收。按激光器分为：LED、LD(FP,DFB)；半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。分布反馈半导体激光器（DFB-LD）：主要和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m超大容量的新型光纤系统。F-P腔激光器（FP-LD）：F-P腔激光器从结构上分为3种 （1）同质结半导体激光器。（2）单异质半导体激光器。（3）双异质半导体激光器。发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。按探测器分为：有PIN和APD两种；光电二极管（PIN）由于没有倍增效应，其响应度较小，但成本较低，使用方便，目前主要用于155M/622M/1.25Gbps系统。雪崩光电二极管（APD）具有倍增效应和较高的响应速度，但其成本较高而且使用复杂，目前多用于2.5Gb/s 及更高的设备上。按接口分为：SC、FC、ST、LC等；SC接口：NTT公司提出、矩形结构；FC接口：NTT公司提出、螺纹连接；ST接口：AT&T公司提出、卡口式锁紧；LC接口：用于小型化模块，矩形结构。光器件的工作原理SFP模块里包含了两种光器件，一种是光发射器件（TOSA），一种是光接收器件（ROSA），他们和PCB电路板，底座加尾罩，共同组成SFP模块。当电信号通过激光器驱动芯片传导给TOSA时，TOSA将其转换成光信号传出，当光信号通过ROSA转换成电信号，电信号通过限幅放大芯片传出，这样就完成了光电转换的过程。例如在城市A中，数据电信号从电脑发出，语音电信号从手机发出，语音信号经过基站中的SFP模块后，转变成光信号，数据信号经过交换机等也转变成光信号，最后到达城市B中，而在城市B中光信号还原成电信号，有的信号传向基站，基站将电信号转换成电磁波，发给手机。图2.1光发射器件的工作原理图图2.2光接收器件的工作原理图2.2 光器件的主要参数光功率（optical output power）：即光信号之平均功率。其测量方法是以标准跳线连接模块光发射端口与光功率计，直接由光功率计上读出，单位通常以dBm表示。消光比（extinction ratio）：即信号中1与0部分光功率大小的比例。可由下式计算而得：ER=101ogP1/P0,其中，ER表示以dB为单位的消光比，P1和P0分别为逻辑1及0时的光功率大小。信号抖动（jitter）：指的是数字信号中短暂的时序偏移现象。一般的测量方法是取眼图中上升沿与下降沿的交叉点在时间上的分布。最常见的有表示最大时间偏移范围的峰对峰抖动（peak-to-peak jitter）及定义为分布标准差的方均根抖动（RMS jitter）。抖动以时间（ps/ns）为计量单位。灵敏度（sensitivity）：指在一定的误码条件下，接收器所能接受的最低接收光功率，单位通常是dBm。如果接收功率低于此，便会被认为是信号的误码严重而不适合使用。SD信号（LOSA/LOSD）：是一个接收器输出的电信号，其电平高低反映出接收器所接收的光信号强度是否足够。由光功率计直接读取，常以dBm为单位。该参量大小都有适当的规范限制。光接收过载点（maxim input power）：也称为饱和光功率，是在保证特定的误码率的条件下所需要的最大接收光功率，单位为dBm。图2.3眼图图2.4光谱图图2.5光模块测试系统框图要获得以上参数，需要借助许多工具和设备：示波器、光谱仪、信号发生器、计算机、电源、误码仪、光功率计、光衰减计、测试板、光分路器等。2.3 光器件与光模块的制造光发射器件（TOSA）由激光器TO、管体、插针、套筒、适配器组合而成。光接收器件（ROSA）由探测器TO、管体、套筒、适配器组合而成。圆形的晶片经过金属有机化学气相淀积（MOCVD）生成外延片，通过光刻、腐蚀和溅射在外延片上形成功能性图案和电极，通过解理，和两次测试挑选后就变成合格的激光器管芯。激光器管芯被贴片到激光器TO底座上，经键合也就是用金线把管芯和管脚连接起来，PIV测试后通过封帽，老化测试，品检变成合格的激光器TO。之后经历封焊，耦合，激光焊接，初测，温循，终测变成一个完整的TOSA。ROSA的制作要比TOSA简单的多。探测器管芯被贴片到带有TIA和电容的探测器TO底座上，用金丝将他们焊接起来，经过封帽和老化测试后，探测器TO与塑料适配器耦合粘胶后经温循、多次测试后变成一个完整的ROSA。图2.6 TOSA的制作流程图图2.7 ROSA的制作流程图图2.8 BOSA的制作流程图图2.9光模块的生产流程图 通过图2.6-图2.9我们可以看到光通信模块的生产制造是非常繁琐的，把成型的激光器与成型的探测器焊接到已经装上驱动芯片和相应电子元件的PCB板上，再给它装上底座通过图2.5所示的测试系统来检测模块的相关参数是否达标。未达标的模块会被送去返修，达标了的模块就可以给它装上管壳，再经过发射终测、接收终测，工作电流及限幅测试，光口插拔测试一切都合格后，包装，读写程序等诸多工序，一个完整的光通信模块才正式完成，有的光模块还需要做光谱，传纤，饱和光功率等测试。总之，一个光通信模块需要许多技术员和工程师的共同合作才能完成。致谢在本次毕业实践过程中，唐莹老师对该毕业实践从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议的老师表示感谢!参考文献1武汉华工正源光子技术有限公司/2胡先志 光纤通信有/无源器件工作原理及其工程应用 人民邮电出版社 2011-9 3百度文档/view/dffa07afdd3383c4bb4cd29f.html?from=rec&pos=1&weight=6&lastweight=5&count=5袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄