光器件封装详解-有源光器件的结构和封装(3)

图2.10 GBIC收发一体模块外形及内部结构图

2.3.3 SFF（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2.11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2.12所示。

图2.11 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2.12 SFF型2×5封装MTRJ光接口收发一体模块外形和内部结构图

2.3.4 SFP（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2.13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2.13 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2.14和2.15所示。

图2.14 两种接收光学子装配的结构及实物图

图2.15 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2.16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2.16 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2.17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2.17 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3.1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3.1 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3.2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3.2 单层陶瓷

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