1、TOSAROSABOSATOSAROSABOSA光电组光电组件介绍件介绍目录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GaAsICGe-Si-ICSi-MOSICLS or ULSGaAsICGe-Si-IC5-1 概述n光端机的技术发展和光电
2、模块的产生过去现在未来?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 TOSAn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 TOSAnTOSA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：传统的：低成本：低成本：
3、5-2 TOSAn光学设计n球透镜n耦合效率15%n8插芯陶瓷反射损耗 -50dBn耦合台精度0.8mn非球透镜n耦合效率50%n8插芯陶瓷反射损耗 -50dBn耦合台精度0.5m5-2 TOSAn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 NA3n 对=1.5mm,n2=1.5的球透镜n |X| 1.7mm fn max 15% Pf(max) 1.5mwn LD |X|n 光纤N25-2 TOSAn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 T
4、OSA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5151.11.60.350.4129013101330NECNX6306G10201.11.60.20.312801335巨康AC322010151.151.50.30.4129013101330SUMITOMOSLT11308151.21.6128013101340厂家型号(nm)(CW,RMS)Im(uA
5、)(Vr=5V)Iop(mA)(CW,5mW)MINTYPMAXMINTYPMAXMINTYPMAX镭波2415040010002030NECNX6306G2006001000巨康AC3220231002230SUMITOMOSLT113025200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 TO
6、SAn热设计DescriptionValueUnits0.2 W0.5 W1 WHeight of laser stripe0.50.50.5mWidth of laser stripe5050100mZ-position of laser stripe111mHeight of LD0.150.150.15mmWidth of LD0.50.50.5mmLength of LD0.50.751.1mmThickness of solder333mHeight of heat spreader0.20.20.2mmWidth of heat spreader1.01.01.0mmLength
7、of heat spreader1.11.11.5mmThickness of solder/glue3/203/203/20mHeight of base1.71.71.7mmWidth of base1.21.21.2mmLength of base444mm base heat spreader diode Materialk W/m/kGlue1GaAs46AuSn57.1AlN180CVDD1800Copper400Invar135-2 TOSABaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperS
8、older35.026.430.724.925.122.6CopperGlue41.027.036.025.628.423.1InvarSolder97.484.091.682.474.370.0InvarGlue102.990.297.188.778.374.5Table 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 d
9、iode is given.-热设计5-2 TOSABaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperSolder15.06.410.74.95.12.6CopperGlue21.010.816.09.38.45.8InvarSolder77.464.071.662.454.350.0InvarGlue82.970.277.168.758.354.5Table 4 The thermal resistance in K/W. Base of Invar or Copper, heat spreader bo
10、nded to base with solder or glue. The nominal power of the diode is given.-热设计5-2 TOSABaseBondingP = 200 mWP = 500 mWP = 1000 mWAlNCVDDAlNCVDDAlNCVDDCopperSolder100%43%100%46%100%51%CopperGlue140%72%149%87%165%114%InvarSolder516%426%668%582%1070%986%InvarGlue553%468%720%641%1150%1075%Table 5 The rel
11、ative 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 MN MX X Y Z 20 20.709 21.419 22.128 22.838 23.547 24.257 24.966 25.676 26.385 -热设计 MN MX
12、 X Y Z 20 21.666 23.332 24.998 26.665 28.331 29.997 31.663 33.329 34.995 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 TOSA5-2 TOSAn机械设计n耦合的精确定位达到0.5mn稳定的固定支撑维持0.5mn和模块的配合-
13、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-3L6.8 +0/-0.1D1.620.01d1.246R0.1耦合的精确定位和固定L3.015.0 0.1D1.08.00.01d0.55.00.001说明说明额定极限值额定极限值 组件性能组件性能 (FP)组件性能组件性能 (DFB)管脚排列与极性图管脚排列与极性图 固定架选择图固定架选择图 Hi-Optel Technology 激激 光光 器器 组组 件件特点：固定架固定架3125476返回5-
14、2 TOSA-机械设计5-2 TOSAnTOSA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 TOSAnTOSA的测试nL-I-VnIthn30mA下Pfn插拔n30mA下Pf连续3次0.2dBTOSA测试系统框图TrigSourceMeter2400Dual Photodiode Meter2500IEEE-488 InterfacePCSoftwareTECPDTEC Control 2510-ATSphereBD 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
15、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 TOSAnTOSA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+20mAMPF0.81.0-mWIF=Ith+20mAHPF1.52.0-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1310nmc1280
16、13101340nmIF=Ith+20mA1550nm148015501580上升、下降时间（1090%）Tr/Tf-0.30.7nsIF=Ith+20mA监视电流Im0.10.5mAIF=Ith+20mA光谱宽度（RMS）1310nm-37nm-1550nm-375-2 TOSADFB-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+20mA1550
17、nm148015501580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SMSR3040-dB-5-3 ROSAn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 ROSAnROSA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
18、合容差1.5 m5-3 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 ROSAW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=1000ps5-3 ROSA同轴TO-46型PIN-TIA原理框图TO-46型PIN-TIA封
19、装结构5-3 ROSAn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 ROSAn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-100200mV/W=1300nm带宽(-3dB)BW115-MHzPf=1W灵敏度（Ber=10-10） Sen.-39-dBm=1300nm饱和光功率-30-dB输出电阻（差分）Ro-50-工作电流Icc-3240mA5-4 BOSAn含义：Bi-dirictional Optical Sub-Assembly 光双向收发组件（BOSA）n分类：n同轴封装
20、（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21光纤LD2PD1PD25-4 BOSA设计n光学设计实现方案实现方案 熔接拉锥 模间耦合 平面光波导平面光波导-PLC（美国） 光纤光栅-光栅分光 小型滤波片小型滤波片（大陆/台湾） 干涉膜型滤波器 Si基微型滤波片光纤微型滤波片光纤（日本）光学设计实现方案实现方案5-4 BOSA设计方案的比较方案的比较性能体积密封性集成性一致性
21、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nWDMWDM滤波片型光路原理滤波片型光路原理 光发/透射 1490nm LD 光纤 1310nm 透镜 PD 光收/反射5-4 BOSA设计1490T/1550T/1310R0455-4 BOSA设计1310T/1490R/1550R0455-4 BOSA设计滤波片技术指标滤波片技术指标5-4 BOSAn机械设计n波片尺寸220.45-4 BOSAnBOSA工艺过程5-4 BOSAnONU单元BOSA主要技术指标参数参数符号符号单位单位结果结果条件条件m
22、inminmaxmax中心波长中心波长p pnmnm1290129013301330I Ithth+20mA+20mA光谱半宽光谱半宽m m nmnm1.91.92.32.3I Ithth+20mA+20mA，FP-LDFP-LD阈值电流阈值电流I IththmAmA8.08.013.013.0I Ith th +20mA+20mA出纤光功率出纤光功率P Pf fmWmW2.02.05.65.6I Ith th +20mA+20mA，SMSM插拔重复性插拔重复性P Pf f dBdB0.60.6I Ith th +20mA+20mA，5 5次平均次平均速率速率B BMb/SMb/S125012
23、50接收灵敏度接收灵敏度S Sr rdBmdBm-24-24BER=10BER=10-12-12饱和光功率饱和光功率dBmdBm-3-3BER =10BER =10-12-12光串扰光串扰dBdB2525I Ithth+20mA+20mA3-5 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ICPIN-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
24、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
25、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1.25mmn套管内径1.25mmn光器件nTO46/TO56nTO183-6 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老化壳体安装DDS3-6 SFP光收发模块n测试（同1*9)5-7 最新进展和未来发展n光纤末梢是哪里？FTTX技术和光收发模块nSi在光电子技术中的作用与影响n基板？nSi -IC与光电器件的集成？nSi基
26、单片集成？nOEIC和PIC是不是终结者？5-7-1 FTTX光收发模块nX：H（Home）、B（Building）、C（Curb）、N（Node），X=Anywheren标准nE-PON，IEEE.G803.11bnG-PON,ITU-T.5-7-1 FTTX光收发模块nE-PON简介5-7-1 FTTX光收发模块n光突发发射技术n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nSi基光电子集成技术简介n无源耦合技术-新的TOSA/ROSAnSi基板的BOSA技术n日本微小光学方案n美国Si基波导WDM方案nSi基板OEIC无源耦合技术-新的TOSA/ROSA无源耦合技术-新的
27、TOSA/ROSA无源耦合技术-新的TOSA/ROSA无源耦合技术-新的TOSA/ROSAn面临的问题n激光器的非对称光斑n光学系统设计n耦合容差nLD芯片的可靠性n，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
