卓立汉光产品在光通信行业中的应用——光有源器件篇

1、有源光器件的分类
    在光通信系统中，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。根据不同的用途和封装形式，常用的 光电子器件可以分为以下几类：光发送器件(LED、FP/DFB/DBR-LD、VCSEL-LD、EML)；光接收器件(PIN-PD、APD- PD)；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封装管壳内部集成了激光二极管(LD Chip)、背光检测管(PIN Chip)、热敏电阻、TEC致冷器以及光学准直机构等元件。而实现电/光转换的功能，至少包含一个激光二极管。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，比发光器件集成度更高，使用更方便。
    光接收器件一般是在封装管壳内集成了探测器芯片(PIN Chip或APD Chip)、前置放大器(TIA)以及热敏电阻等元件。实现光/电转换的功能，至少包含一个光探测器芯片。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，使用起来同样更加方便。
    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，目前广泛应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，尽管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（TO-CAN、带尾纤的封装）和蝶形封装，如图2.1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、小封装（SFF）以及支持热 插拔的SFP、SFP+、XFP、 GBIC等封装。

图2.1  光通信系统常用的两种封装类型的有源光器件

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。
2.11TO-CAN类型光发送器件的封装结构
    常见的光发送器件的封装结构为同轴TO-CAN的封装形式。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封的底座里面，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。FP/DFB/DBR-LD TO-CAN就是最常见的一种，如图2.2所示；VCSEL-LD TO-CAN也是最常见的一种，有类似的封装结构。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2.2  FP/DFB/DBR-LD TO-CAN封装外形和结构图

2.12 带尾纤的同轴型光发送器件的封装结构
    带尾纤同轴型封装光发送器件的典型外形和内部结构如图2.3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2.2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2.3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2.3 带尾纤的同轴型激光器外形及内部结构图

2.13 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 2.4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2.5所示。

图2.4  带制冷器的蝶形封装光发送器件外形和内部结构图                                       

图2.5 两种不同耦合方式的蝶形封装光发送器件结构图

    在光通信行业中，除了常用的直接调制激光器(例如：FP/DFB/DBR/VCSEL- LD)，还有一种外调制器激光器(常用的为EML,电吸收调制激光器)。外调制技术速率高、光功率大、消光比高并易于啁啾控制，在高速、大容量和长距离光 纤通信系统中得到了广泛的应用。电光强度外调制器主要有LiNbO3调制器、半导体电吸收调制器和聚合物调制器。EML的结构和碟形封装形式如下图所示。

图2.6 DFB激光器和EA调制器集成的EML的蝶形封装光发送器件结构图

    近年来，光放大器作为光有源器件的新秀得到了迅速发展，应用较多的为半导体光放大器 (SOA)、掺铒光纤放大器（EDFA），是一种对信号光放大的一种有源光器件。掺饵光纤放大器的诞生是光纤通信领域革命性的突破，它使长距离、大容量、 高速率的光纤通信成为可能，是DWDM系统及未来高速系统、全光网络不可缺少的重要器件。正在研究并很有应用前景的是拉曼光纤激光放大器(RFA)。 SOA通常也采用蝶形封装的形式,如下图所示为英国CIP公司生产的SOA。

图2.7 半导体光放大器(SOA)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。
2.2.1TO-CAN同轴型光接收器件的封装结构
    和LD TO-CAN的封装形式类似，PIN/APD TO-CAN也采用“金属-玻璃”密封结构，如下图所示。

图2.8 PIN/APD TO-CAN封装外形图

2.2.2带尾纤的同轴型光接收器件的封装结构
    带尾纤的同轴型封装光接收器件的典型外形和内部结构如图2.9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）

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。