光器件封装详解
有源光器件的结构和封装
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有源光器件的结构和封装
关键词：有源光器件、材料、封装
摘要：本文对光发送器件、光接收器件以及光收发一体模块等有源光器件的封装类型、材料、结构和电特性等各个方面进行了研究，给出了详细研究结果。
1有源光器件的分类
一般把能够实现光电（O/E）转换或者电光（E/O）转换的器件叫做有源光电子器件，其种类非常繁多，这里只讨论用于通信系统的光电子器件。在光通信系统中，常用的光电子器件可以分为以下几类：光发送器件、光接收器件、光发送模块、光接收模块和光收发一体模块。
光发送器件一般是在一个管壳内部集成了激光二极管、背光检测管、热敏电阻、TEC制冷器以及光学准直机构等元部件，实现电/光转换的功能，最少情况可以只包含一个激光二极管。而光发送模块则是在光发送器件的基础上增加了一些外围电路，如激光器驱动电路、自动功率控制电路等，比起光发送器件来说其集成度更高、使用更方便。
光接收器件一般是在一个管壳内部集成了光电探测器（APD管或PIN管）、前置放大器以及热敏电阻等元部件，实现光/电转换的功能，最少情况可以只包含一个光电探测器管芯。光接收模块则是在光接收器件的基础上增加了放大电路、数据时钟恢复电路等外围电路，同样使用起来更加方便。
把光发送模块和光接收模块再进一步集成到同一个器件内部便形成了光收发一体模块。它的集成度更高，使用也更加方便，目前广泛用于数据通信和光传输等领域。
2有源光器件的封装结构
前面提到，有源光器件的种类繁多且其封装形式也是多种多样，这样到目前为止，对于光发送和接收器件的封装，业界还没有统一的标准，各个厂家使用的封装形式、管壳外形尺寸等相差较大，但大体上可以分为同轴型和蝶形封装两种，如图所示。而对于光收发一体模块，其封装形式则较为规范，主要有1×9和2×9大封装、2×5和2×10小封装（SFF）以及支持热插拔的SFP和GBIC等封装。
图光通信系统常用的两种封装类型的有源光器件
光器件与一般的半导体器件不同，它除了含有电学部分外，还有光学准直机构，因此其封装结构比较复杂，并且通常由一些不同的子部件构成。其子部件一般有两种结构，一种是激光二极管、光电探测器等有源部分都安装在密闭型的封装里面，同一封装里面可以只含有一个有源光器件，也可以与其它的元部件集成在一起。TO-CAN就是最常见的一种，如图所示，它管帽上有透镜或玻璃窗，管脚一般采用“金属－玻璃”密封。这种以TO-CAN形式封装的部件一般用于更高一级的装配，
例如可以加上适当的光路准直机构和外围驱动电路构成光发送或接收模块以及收发一体模块。
图TO-CAN封装外形和结构图
另一种结构就是将激光器或者探测器管芯直接安装在一个子装配上（submount），然后再粘接到一个更大的基底上面以提供热沉，上面可能还有热敏电阻、透镜等元件，这样的单元一般称为光学子装配（OSA：optical subassembly）。光学子装配一般又分为两种：发送光学子装配（TOSA）和接收光学子装配（ROSA），图就是一个典型的蝶形封装用发送光学子装配实物图。光学子装配通常安装在TEC制冷器上或者直接安装在封装壳体的底座上。
图光学子装配（OSA）
2.1光发送器件的封装结构
光发送器件的封装主要分为两种类型：同轴型封装（coaxial type package）和蝶形封装（butterfly type package）。同轴型封装一般不带制冷器，而蝶形封装根据需要可以带制冷器也可以不带制冷器。
2.1.1同轴型光发送器件的封装结构
同轴型封装光发送器件的典型外形和内部结构如图所示，从图中可知，同轴型光发送器件主要
由TO-CAN、耦合部分、接口部分等组成。其中TO-CAN是主要部件，它的详细结构和外形如图所示，从图中可见激光器管芯和背光检测管粘接在热沉上，通过键合的方法与外部实现互联，并且TO-CAN一定要密闭封装。耦合部分一般都是透镜，透镜可以直接装在TO-CAN上，也可以不装在TO-CAN上，而装在图中所示的位置。接口部分可以是带尾纤和连接器的尾纤型，也可以是带连接器而不带尾纤的插拔型（根据具体的应用来选择）。尾纤的固定一般采用环氧树脂粘接或者采用激光焊接，另外可以使用单透镜结构或者直接在光纤端面制作透镜的方法来提高耦合效率。
图同轴型激光器外形及内部结构图
2.1.2蝶形光发送器件的封装结构
蝶形封装因其外形而得名，这种封装形式一直被光通信系统所采用。根据应用条件不同，蝶形封装可以带制冷器也可以不带。通常在长距光通信系统中，由于对光源的稳定性和可靠性要求较高，因此需要对激光器管芯温度进行控制而加制冷器，对于一些可靠性要求较低的数据通信或短距应用的激光器就可以不加制冷器。图是蝶形封装的常见结构，它在一个金属封装的管壳内集成了半导体激光器、集成调制器、背光检测管、制冷器、热敏电阻等部件，然后通过一定的光学系统将激光器发出的光信号耦合至光纤。一般光路上有两个透镜，第一透镜用于准直，第二透镜进行聚焦，当然也可以使用锥形光纤或者在尾部制作了透镜的光纤进行耦合。光纤的耦合可以在壳体外部完成也可以采用伸入壳体内部的结构，如图所示。
图带制冷器的蝶形封装光发送器件外形和内部结构图
图两种不同耦合方式的蝶形封装光发送器件结构图
2.2光接收器件的封装结构
与光发送器件一样，光接收器件的封装类型也主要是同轴型和蝶形两种。
2.2.1同轴型光接收器件的封装结构
同轴型封装光接收器件的典型外形和内部结构如图所示，从图中可知，同轴型光接收器件主要由TO-CAN、耦合部分、接口部分等组成。TO-CAN是主要部件，里面集成了探测器（PIN或者APD）
图同轴型光接收器件外形及内部结构图
和前置放大器，通过键合的方法与外部实现互联，并且一定要密闭封装。然后它和金属外壳、透镜、尾纤等组件通过焊接或粘接的方法固定在一起。耦合部分一般都是透镜，透镜可以直接装在TO-CAN
上，也可以不装在TO-CAN上。接口部分可以是带尾纤和连接器的尾纤型，也可以是带连接器而不带尾纤的插拔型（根据具体的应用来选择）。尾纤的固定一般采用环氧树脂粘接或者采用激光焊接，另外可以使用单透镜结构或者直接在光纤端面制作透镜的方法来提高耦合效率。
2.2.2蝶形光接收器件的封装结构
蝶形封装光接收器件的典型外形和内部结构如图所示，它主要有两种结构。一种是使用同轴型封装的探测器加上相应的放大电路等构成，如图中右下角所示，这种结构对管壳的密封性要求不高；另外一种就是将探测器以及放大电路等组件做在同一个壳体中实现，如图中右上角所示，这种结构要求管壳是全密闭封装。
图蝶形封装光接收器件外形和内部结构图
2.3光收发一体模块的封装结构
光收发一体模块就是将光发送和光接收两部分集成在同一个封装内部构成的一种新型光电子器件，它具有体积小、成本低、可靠性高以及较好的性能等优点。它一般由发送和接收两部分构成，发送部分输入一定码率的电信号（155M、622M、等）经内部驱动芯片处理后，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，并且其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光功率保持稳定。在接收部分，一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换成电信号，然后经前置放大器处理后输出相应码率的电信号，输出的电信号一般为PECL电平，同时在输入光功率小于一定值后会输出一个无光告警信号。
光收发一体模块封装有着比较规范的标准，目前主要有以下一些形式：1×9 footprint、2×9 footprint、GBIC（Gigabit Interface Converter）Transceiver、SFF（Small Form Factor）以及SFP（Small Form Factor Pluggable）。其中1X9和2X9两种封装为大封装，小封装的有2X5和2X10 SFF两种。光接口有SC、MTRJ、LC等形式。
2.3.11×9和2×9大封装光收发一体模块
大封装的有1X9和2X9两种封装，2X9的前一排9个管脚与1X9的完全兼容，另外9个管脚有激光器功率和偏置监控以及时钟恢复等功能（2X9封装虽然带偏置和功率监控以及时钟恢复，但由于无
国际标准支持，为非主流产品，使用较少，生产厂家也少，且目前部分厂家已停产）。光接口一般采用无尾纤SC接头，但也有少量厂家生产ST接口和带尾纤的FC、SC接头。模块内部主要由两大部分组成：发送部分和接收部分。发送部分由同轴型激光器（它的详细结构和封装参见节）、驱动电路、控制电路等几部分构成，有些模块还具有发送使能、检测输出以及自动温度补偿等；接收部分主要由PIN-FET前放组件（它的详细结构和封装参见节）和主放电路两部分组成，并具有无光告警；模块内部的详细结构如图所示，图中左边是大封装模块的典型外形图，右边是两个不同厂家模块的内部结构图（1×9封装和2×9封装模块的外形和内部结构一样）。
图 1×9 SC收发一体模块外形和内部结构
2.3.2GBIC（Gigabit Interface Converter）光收发一体模块
由于部分系统需要在运行中更换光模块，为了不影响系统的正常运行，出现了不需关掉系统电源而直接插拔的光模块。目前支持热插拔的光模块主要有GBIC（Gigabit Interface Converter）和SFP （Small Form Factor Plugable）两种。图是GBIC光收发一体模块的典型外形和内部结构图，从图中可知，GBIC模块和1X9以及2X9大封装的模块在光接口类型、内部结构、外形尺寸等方面都相同。GBIC模块的光接口类型也是SC型，外形也是大尺寸，内部也是包含发送和接收两部分。它们不同之处在于GBIC模块的电接口采用的是卡边沿型电连接器（20-pin SCA 连接器），以满足模块热插拔时的上下电顺序，另外，模块内部还有一个EEPROM用来保存模块的信息。
图 GBIC收发一体模块外形及内部结构图
2.3.3SFF（Small Form Factor）小封装光收发一体模块
SFF小封装光收发一体模块外形尺寸只有1×9大封装的一半，有2X5和2X10两种封装形式。2X10的器件前面2X5个管脚与2X5封装的器件完全兼容，其余2X5个管脚有激光器功率和偏置监控等功能。小封装光收发模块的光接口形式有多种，如MTRJ、LC、MU、VF－45、E3000等。我司主要使用的有MTRJ和LC光接口。图是SFF型2×10封装LC型光接口收发一体模块典型外形和内部详细结构图，从图中可知它由接收光学子装配（结构参见同轴型光接收器）、发送光学子装配（结构参见同轴型光发送器）、光接口、内部电路板、导热架和外壳等部分组成。MTRJ光接口的2×5封装SFF模块和LC型的SFF模块只有光接口部分不同，其它部分都一样，如图所示。
图SFF型2×10封装LC光接口收发一体模块外形和内部详细结构图
图 SFF型2×5封装MTRJ光接口收发一体模块外形和内部结构图
2.3.4SFP（Small Form Factor Pluggable）小型可插拔式光收发一体模块
SFP为支持热插拔的小型光收发一体模块，光接口类型主要有LC和MTRJ两种，其体积是1×9大封装的一半，因此单板上可以获得更高的集成度。SFP收发一体模块采用的是卡边沿型电连接器以满足模块热插拔时的上下电顺序。另外，模块内部还有一个EEPROM用来保存模块的信息。图是SFP型封装LC型光接口收发一体模块外形和内部结构图。
图 SFP封装LC型光接口收发一体模块外形和内部结构图
2.3.5光收发模块的子部件
光收发一体模块从结构上来看主要由光学子装配（OSA）、电路板和外壳等构成，下面对这些子部件进行详细讲述。
（1）光学子装配（OSA）
光学子装配（OSA）包括发送光学子装配（TOSA）和接收光学子装配（ROSA），是收发一体模块的主要部件。它主要由机械结构、光路以及TO-CAN封装的有源部分（激光器、探测器及放大电路等）构成，如图和所示。
图两种接收光学子装配的结构及实物图
图两种发送光学子装配的结构及实物图
由于探测器的光敏面较大，对光路的对准精度要求不高，所以接收光学子装配（ROSA）的结构要简单些，一般为TO-CAN直接套接在一个金属套筒（或塑料套筒）中构成，而且一些厂家在光接口内部不使用陶瓷套筒；在固定方式上一般直接采用简单的粘胶进行固定，同时也有用激光点焊等其它固定方法。而发送光学子装配（TOSA）由于对准精度要求较高，因而结构复杂，一般为金属结构且光接口多使用陶瓷套筒，固定方法多采用激光点焊进行固定。另外，采用何种光路结构还与器件的类别有关，一般单模激光器要求对准精度较高，因此多采用金属结构且光接口多用陶瓷套筒，而多模激光器由于对准精度要求不高而采用塑料结构。
（2）电路板
光收发一体模块内部使用的电路板主要有FR-4材料的PCB板、柔性板或者在陶瓷基板上制作的电路板三种，如图所示。其中FR-4材料的PCB板使用最多，陶瓷基板虽然高频特性较好但价格较贵，而柔性板的加工难度要求较高，且不能多次弯折，所以这两种使用较少。
图光收发一体模块内部常见的几种电路板
在电路设计上，光收发一体模块主要采用专用集成电路构成，也有直接在PCB板上绑定芯片的形式（COB：chip on board），如图所示。COB的生产过程是将集成电路芯片用含银的环氧树脂胶直接粘接在电路板上，并经过引线键合（wire bonding），再加上适当抗垂流性的环氧树脂或硅烷树脂（silicone）将COB区域密封，这样可以省掉集成电路的封装成本，但使用这种封装的模块生产工
艺复杂，且可靠性不高。
图光收发一体模块内部所用的电路芯片
3有源光器件的外壳
有源光器件的外壳主要实现以下一些功能：
a．机械以及环境保护
b．热传递
c．保证光路的稳定性
d．提供光通路和电通路
3.1机械及环境保护
用于传输系统的元器件要求具有较高的可靠性，特别是对于光器件要求就更高。所以，传输用光电子器件一般采用密闭封装。典型的管壳由基底（base）、密封环（seal-ring）、电通路以及尾纤导管（fiber pipe）等部分构成，这些部分为内部芯片和电路提供了机械和环境保护，并且要求这些部件的热膨胀系数相匹配，以便保证整个工作温度范围内壳体密封性能的可靠性。而对于一些数据通信用的光电子器件，由于可靠性要求没有传输系统高，有时候基于成本的考虑可以采用非密闭封装，而且壳体可以使用铸模塑料。
3.2热传递
对于一些发热量较大或者需要工作温度稳定的有源光器件，管壳内通常还会包含一个TEC制冷器（Thermo-Electric Cooler），这种情况下，管壳的基底一般采用铜钨合金（copper-tungsten）构成，以便起到良好的热传递功能。
3.3电通路
为了实现封装的可靠密封，管壳上电通路所使用的电介质一般为非有机材料――玻璃或者陶瓷。而可伐合金（Kovar）的热膨胀系数与陶瓷接近，所以密封环和尾纤导管一般采用可伐合金，但可伐合金的导热性能并不理想，所以在不是特别需要低热阻的情况下，可伐合金才可以用来做基底。有时，管壳也用多层陶瓷来制作。
根据电信号速率的不同，电通路主要有以下结构：
a．玻璃密封管脚
b．单层陶瓷
c．多层陶瓷
d．同轴连接器
3.3.1玻璃密封引脚
玻璃密封引脚是直接利用玻璃介质将电引脚密封于管壳上的过孔内（如图所示），内部元件与管脚间电信号的互联一般通过键合实现。该方法成本较低，但仅适用于信号速率低于500-800Mb/s 的场合，我司的单收/单发模块常采用（速率一般都在622Mb/s以下）这种玻璃密封引脚。
图玻璃密封引脚
3.3.2单层陶瓷
单层陶瓷引线与玻璃密封管脚相类似，只不过介质使用的是陶瓷，如图所示。由于陶瓷材料有更好的电性能，因此这种方式的信号速率可以达到2Gb/s。
图单层陶瓷
3.3.3多层陶瓷
多层陶瓷引线是在陶瓷层上通过金属化的方法生成走线以实现模块内外的互联，如图所示。该方法如果使用差分的形式可以获得高达10Gb/s的信号速率。
图多层陶瓷
3.3.4同轴连接器
前面提到的几种引脚设计，对于器件的安装来说都是直接将器件焊接在PCB板上，而一般的PCB 材料对于超过3-5Gb/s左右的信号很难提供良好的传输特性。因此，对于高速率的信号间互联一般通过同轴电缆来实现，这样业界对于10Gb/s或更高速率的有源光器件的电接口都采用同轴电缆的方式，如图、和所示。我司所使用的10Gb/s以上速率的有源光器件也是采用这种方式。
图同轴连接头
图器件引脚到内部部件间的互联
图器件引脚的结构图以及电参数的测试实例
3.4光通路--------------------------------------------------------------------------
激光器发出的光信号要进入光纤以及从光纤传来的光信号要进入光探测器都得经过一定的光通路，光通路的结构一般有两种，如图所示。从图中可知，b结构是将光纤直接延伸到管壳内部
图两种光通路结构
进行耦合，此时就需要对光纤进行金属化，然后通过焊锡与外壳上的金属套管密封起来，最后光纤尾部通过粘胶来固定，以增强其机械性能。由于光纤和套管间有很多的空隙，所以焊锡用量较大，有时为了减小焊锡的用量，先将光纤焊接到一个小的金属套管上，然后再焊接到管壳的套管中，但
这样会有两次焊接操作并需要不同熔点的焊料，增加了工艺的复杂度，不利于自动化生产。但如果采用直接耦合方式，则不得不采用这样的结构。当光路中使用透镜耦合时，则可以通过使用集成了透镜或隔离器的管壳来实现光路的耦合，如图中的a结构，这样就不存在光纤的金属化和密封焊接等问题，这种结构的耦合对准在外部的第二透镜处完成。
总的来说，两种光路结构除了生产过程不同外（a结构更易于生产），在可靠性方面也都有各自的问题。采用透镜耦合方式，从激光器到光纤间的距离较长，整个光路上元件的微小位移都会引起耦合下降。如底座、壳体以及器件尾部耦合部分受到机械应力的作用都会引起光路发生位移，从而使得耦合效率下降，这也是该类器件的常见失效模式。而对于直接耦合方式，由于尾纤对准激光器，而且通常与激光器位于同一个模块上，因此壳体以及器件尾部受力对耦合光路的影响不大，但器件内部光纤夹子的固定会影响到光路的耦合（有激光点焊和焊料固定两种方式），焊接质量不好，应力的缓慢释放都会导致光路位移，从而使得耦合效率下降。
3.5几种封装外壳的制作工艺和电特性实例
3.5.1小型双列直插封装（MiniDIL）
小型双列直插封装适用于无制冷激光器、探测器和小功率泵浦激光器，具有高可靠性和低成本的特点，可根据需要设计成25ohm或50ohm匹配，并可集成透镜，如图、所示。图是小型双列直插封装的外形尺寸图，图是小型双列直插封装制作流程图。
图小型双列直插封装管壳外形尺寸图
图小型双列直插封装管壳制作流程图
3.5.2多层陶瓷蝶形封装（Multilayer ceramic butterfly type packages）
多层陶瓷蝶形封装是光通信系统中激光器和泵浦激光器常用的一种封装结构，其主要应用范围是OC192（STM-64）、OC48（STM-16）、DWDM等高速率激光器、泵浦激光器、可调激光器以及激光调制器等，其可靠性较高并且易于满足客户的各种需求，而且陶瓷电通路还可采用射频连接器，所以该封装的应用范围很广。图是多层陶瓷蝶形封装的外形尺寸和频率特性，图是多层陶瓷蝶形封装制作流程图。
图多层陶瓷封装外形尺寸和频率特性
图多层陶瓷蝶形封装管壳制作流程图
3.5.3射频连接器型封装
射频连接器型封装一般应用于10G以上速率，使用射频连接器可获得较好的电性能，如图所示。图中给出了射频连接器型的常见封装和不同类型的电性能。
图射频连接器型封装管壳外形及频率特性
4有源光器件的耦合和对准
4.1耦合方式
激光器发出的光信号进入光纤的途径主要有两种方式：直接耦合、透镜耦合，其中透镜耦合又分为单透镜耦合和多透镜耦合，如图所示。利用透镜耦合可以获得比直接耦合更高的耦合效率。而