10Gb/s光收发模块封装技术

摘 要：本文介绍了10Gb／s光收发模块的封装技术。准平面封装技术非常适合于大规模制造的老器件，已广泛应用于各类激光器和接收器中。

关键词：光收发模块，准平面，封装技术,封装

中图分类号：TN305.94文献标识码：A文章编号：1681-1070(2005)07-10-04

1 10Gb／s光收发模块

众所周知，光通信市场连续增长的关键是低成本光器件技术的发展。光通信应用标准的开发和光收发器应用的增长，为发展10Gb／s速率光通信应用的低成本技术提供了机遇。为了充分利用这个机遇，光器件制造商们需要开发一种灵活的器件级封装方法。

10Gb／s光通信标准与主要应用如表1所示。目前，在l0Gb／s光通信数据率中有三个重要工业标准：Telcordia GR-253-CORE(OC-192)(及相关的ITU-T.G.691SDH『STM一64』和ITU-TG.709光传输网络标准)；IEEE802.3ae 10Gigabit以太网标准和10Gb／s变型的光纤信道标准。这些光通信标准也驱动了对新型封装技术的需求。虽然每种光通信标准的数据率和格式稍有不同，但是采用这些标准的光器件技术已可以满足实际应用需求。

10Gb／s光器件发展的一个重要趋势是将光发射和接收器件与高速电子学集成的模块。这种器件也称为收发器，常用于1Gb以太网和l～2Gb／s光纤信道中。近年来，已由分市立器件和高速电子元器件组合构成了0C-48(2.5Gb／s)和OC-192(10Gb／s)SONET线路卡。特别是在近两年，国际上已成立了几个有关10Gb／s光收发器的多源协议(MSAs)组织，发展趋势是采用这些MSA的10Gb／s光收发模块(见)逐渐替代分立器件。

微型模块可形成具有非致冷激光器和高性能PIN或APD基接收器的小管脚收发器。这些激光器和接收器模块与各种高速电子芯片集成，以便构成基于300针MSA或XENPAK模块MSA规范的光收发器。为Intel 公司开发的300针MSA SFF光收发器照片。

2 10Gb／s光收发模块的构成

10Gb／s光收发模块主要由激光器和接收器组成。为满足光纤链路的距离要求，通常在不同的光通信应用中要求不同的光功率预算和色散参数。为了获得实际应用中所要求的综合配置，则需要几种不同类型的激光器和接收器。表2为通用10Gb／s系列的应用和光器件技术。

2.1 激光器

在850nm波长工作的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)可用于企事业单位的甚短距离(VSR)多模光纤应用收发器。长波长(1 310nm)VCSEL还在发展之中，在解决了器件的关键特性参数之后可获得低成本器件，并日．将取代侧面发射的激光器。

工作在1 310nm波长的法布里-珀罗(FP)或分布反馈(DFB)激光器一般用于接入网和交接箱与交接箱之问互连的VSR和短距离(600m～20km)单模光纤应用。为满足10Gb／s FP和DFB激光器性能和寿命要求，要求激光器保持在适当的工作温度(35℃或35℃以下)，这就需要采用热电致冷器(TEC)。但是，采用TEC既增加了成本，又常常不可靠，而且在高温工作时还消耗了有效功率。如今已有无制冷器工作并仍可满足性能和寿命要求的DFB激光器。虽然它还有封装和控制的问题，并且还不够紧凑，但由于非致冷激光器在高温工作时有较低的消耗功率，所以与有制冷激光器相比还是有显著的优势。

一般是采用直接调制激光器，即通过接通和断开激光器进行调制。在1550nm波长工作的电吸收调制激光器(EML)一般用于中距离(25～40km)光通信。这种激光器由与外调制器的电吸收(EA)部分单片集成的DFB激光器构成。为了满足更多的应用和更长距离，可将EA作为一个分离的芯片单独制作，然后再与激光器芯片共封装，那么该器件的EA部分则可达到化。虽然这种激光器成本降低，但其调制器光谱较窄，并且又由于通过EA部分有较高的损耗，所以限制了光输出功率。因此，对于DWDM系统和长距离(80km)光通信应用，则需要将大功率DFB激光器与低损耗的M-Z干涉调制器结合在一起。

2．2 接收器

接收器的技术要稍简单些，因为仅采用两种类型的光电二极管(PD)：PIN和APD。PIN一般用于较短距离；APD一般用于较长距离。PIN接收器给每个光子提供较低的增益，并且由于其结构简单，要比APD接收器便宜。PIN的一个重要优点是对光过载的敏感性较低，在大多数应用中，高性能、抗过载的PIN接收器可用于"背对背"(即距离很短的光纤链路)和静态功能。APD接收器在超过适当的输入光功率时可导致饱和或损坏，所以在用于短距离的光纤链路时，必须在APD接收器的前而加上光衰减器，以避免其饱和或损坏。

3 准平面封装技术

对光器件制造商来说，由于在10Gb／s光通信市场中有多种应用，则要求一种灵活的器件级封装方案，即采用激光器和接收器模块以及要求可调谐激光器的寻址排列。在综合封装方案的开发中，关键的要求是：

·激光器芯片或PD具有与高耦合效率单模光纤的对准能力，并且在满足Telcordia标准和其他可靠性要求的情况下，该产品在整个寿命期间都将保持这种对准。

·建立适用于不同产品数量和不同应用的灵活平台，以便不需要对每种新型器件的管壳进行重新设计。

·具有满足10Gb／s器件的RF、热性能和气密封装的能力，并具有可将这些器件直接集成进入管壳的能力，这些管壳具有降低成本、缩小空间和节省功率方面的优势。

·同时开发具有规模制作的低成本自动生产能力，以便满足市场的超前增长和低成本要求。

已采用不同的方法进行了单个模块光器件的封装。其中获得广泛应用的是适合于无消耗、低速(即1～2Gb／s)应用的TO型(晶体管外形)管壳，但它不适合于具有RF和热性能限制的10Gb／s光通信应用。在光泵浦应用中已采用了一种基于采用组合焊料同定光纤的可替代方案，但该技术在灵活性和自动化能力方面受到限制。新近的设计是采用光纤与金属套圈或芯片连接，将该金属圈或芯片焊接到管壳的侧面，然后弯曲到适当位置，以便将光纤与激光二极管(LD)或PD对准。一些设计还采用光台阶进行定位，一般是在Si片中腐蚀出V槽进行定位，并将光纤与有源器件对准。虽然这些方法均可采用，但是这些方法进行自动化封装较困难，必须逐个适用于所采用的每种新器件，这使降低成本受到限制。

准平面技术为器件级制作及封装提供了一种灵活的方法。可采用灵活、自动的准平面光平台建立包括具有驱动器集成的非致冷激光器模块、高性能PIN和APD基接收器和外腔可调谐激光器在内的各种元器件。

准平面光平台是基于金属化陶瓷基板和微弯曲对准原理，采用为很高速率元器件所设计的陶瓷基板，它具有高的热扩散能力，适合于组件装配。首先采用电子工业常用的选择安插技术，将光芯片(包括激光器、PD、监测二极管)和电子元器件(激光驱动器、互阻抗放大器、RF匹配电路)安放在陶瓷基板上。再采用约在10μm以内的无助熔剂的焊接工艺将元器件同定到陶瓷基板卜。由于该陶瓷基板为平面，并且在下一个步骤中将有源地进行光对准，所以采用比较简单的选择安插自动化技术，并可快速地对布局进行仪器观测。

采用准平面技术制作及封装的10Gb／s收发器的工艺步骤如下：
首先将其他光器件(如透镜、隔离器和金属化光纤)预先安装在被称为"微弯曲"的可弯曲金属构件上。在预安装时，先在陶瓷平台上粗略地进行光对准，再采用仪器进行观测。采用有源模式系统提供对准的光反馈，通过轻微的弯曲变形可自动获得微细对准。 在器件对准之后，采用激光焊接将该弯曲构件焊接到陶瓷基板上的金属焊片上。所设计的弯曲构件使其在焊接之后可保持对准状态，即使在有剧烈的温度漂移和机械应力状态下，该产品器件在其寿命期间都将保持对准状态。可在蝶形管壳内安装光组件，在该蝶形管壳内高速电路线与导线键合，并且将管壳盖和光纤馈线通道密封，以便进行气密封装。

然后，自动安插、对准包括特殊设计的隔离器组件在内的光学元件，并采用弯曲方式与基板的金属顶部进行焊接。常规设计的选择安插和对准机构采用仪器观测和有源反馈相结合的方法，以便进行单模光纤对准。在完成对准之后，采用激光焊接技术将弯曲构件同定到基板上。将盖板安放在整个组件上，并环绕该基板的边缘进行气密焊接，以便完成封装。 传统的蝶形管壳应用较多，并且可靠，但它比较笨重且价格昂贵。现已有采用多层高速陶瓷基板作为互连平台和管壳的底座，则可获得较商l生能和较低成本的封装。通过采用高热导率材料作为平台，在用于非致冷激光器时可使芯片有很好的散热能力，并可将驱动器也放置在管壳内。在这种"微型模块"中，管壳的管脚是该平台的一个整体构件，在管壳的边缘、光纤的对面直接安放不同的10Gb／s高速输入／输出引线。为J，便于表面安装焊接和RF接人，在管壳的每个边还安插了低速连接。在具有可控制阻抗的平面多层陶瓷内部选定高速信号路由，并将该平面多层陶瓷与位于陶瓷表面上放置的子座组件相连接。

完成的微型封装仅有9mm×16mm，尺寸的管脚。这种封装技术已成功地用于构建非致冷10Gb／DFB激光模块(包括集成的驱动器)和10Gb／s PIN和APD接收模块。这些微型模块还可以是表面安装型组件。在与10Gb／s复用和解复用芯片连接中，这种高速微分输出可获得极好的信号完整性。集成的芯片驱动器具有较低的阻抗和高速接口，与采用外封装驱动器的传统激光模块相比，还降低了功率、减小了空间和节约了成本。
4 采用可调谐激光器的光收发模块

日前10Gb／s光收发模块的发展趋势是采用可调谐激光器，由于大功率激光器的实现，宽可调谐的激光器将是下一代光网络的新特点之一。特别是在长距离通信和城域网应用中都要采用可调谐激光器，可调谐激光器与同定波长激光器相比较，其带给用户的主要优势足：

·与具有单一波长激光器相比，减少了与规划设计、采购和节约相关的后勤和资源成本。

·为所需信道提供一个可接通、调谐和锁定的""线路卡，从而减少了提供一个新信道的时间。
·在较长时间内，提供了动态提供波长、插入／分出波长和／或间接和自动恢复波长的一种方法。

准平面光平台特别适合于组装可调谐激光器模块。激光器设计包括完全安装在陶瓷平台上的外腔式二极管激光器(ECDL)。该陶瓷平台位于具有14个管脚的蝶形管壳内的TEC上。该ECDL可调谐激光器特点是具有大的输出功率(20mW)，整个波长锁定，并可在整个C波段或L波段进行调谐。它采用基于新型标准具的宽调谐滤波器，可实现波长选择的单模工作。此外，由于在这种类型的可调谐激光器中没有活动的部件，所以没有其他宽可调谐激光器中所同有的冲击和震动问题。
5 结语

同前，10Gb／s收发模块正在形成市场，准平面封装技术非常适合于大规模制造的光器件。封装技术必须具有灵活性，以适应各种类型的激光器和接收器。其发展趋势是小管脚收发器，目前正在发展满足非致冷激光器和更高速率电子器件要求的封装技术。在不久的将来，将会开发出具有更为复杂结构的低成本可调谐激光器封装技术，以满足该市场不断降低成本的需求。