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