光器件封装工艺有哪些？

光收发一体模块有三大部分组成，它们分别是光电器件（TOSA/ROSA）、贴有电子元器件的电路板（PCBA）和LC、SC、MPO等光接口（外壳）。

光收发一体模块介绍

光发射部分由光源、驱动电路、控制电路（如APC)三部分构成。主要测试光功率、消光比这两个参数。

光发射部分

接收部分以PIN为例，是由PINTIA(InGaAs PIN 和跨阻放大器)和限幅放大器组成。将输入的光信号通过PIN管转换成光电流。光电流又通过跨阻放大器转换成电压信号。电压信号经限幅放大，并通过整形滤波器与限幅放大器产生差分DATA与/DATA的数据信号交流输出。并具有无光告警功能，当光功率不足以维持模块正常工作时，SD端产生逻辑低信号，产生告警。

接收部分

光模块封装的基本结构为光发射侧模块(TOSA)和驱动电路，光接收侧模块(ROSA)和接收电路。TOSA、ROSA中的技术壁垒主要在于两方面：光芯片和封装技术，这也正是易飞扬的核心竞争力，易飞扬在封装技术工艺上拥有一整套完备的技术平台，可用于各封装工艺类型的研发、生产。

易飞扬在封装技术工艺上拥有一整套完备的技术平台

一般ROSA中封装有分光器、光电二极管(将光压装换成电压)和跨阻放大器(放大电压信号)，TOSA中封装有激光驱动器、激光器和复用器。TOSA、ROSA的封装工艺主要有以下四种：

1)TO-CAN同轴封装

TO-CAN同轴封装：壳体通常为圆柱形，因为其体积小，难以内置制冷，散热困难，难以用于大电流下的高功率输出，故而难以用于长距离传输。目前最主要的用途还在于2.5Gbit/s及10Gbit/s短距离传输。但成本低廉，工艺简单。

TO-CAN同轴封装

易飞扬采用TO-CAN同轴封装工艺制作的10G SFP+ AOC产品（爆炸图）：

易飞扬采用TO-CAN同轴封装工艺制作的10G SFP+ AOC产品（爆炸图）

2)蝶形封装

蝶形封装：壳体通常为长方体，结构及实现功能通常比较复杂，可以内置制冷器、热沉、陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控，并且可以支持所有以上部件的键合引线，壳体面积大，散热好，可以用于各种速率及80km长距离传输。

蝶形封装

3)COB(Chip On Board)封装

COB封装：即板上芯片封装，将激光芯片粘附在PCB基板上，可以做到小型化、轻型化、高可靠、低成本。

COB封装

传统的单路10Gb/s或25Gb/s速率的光模块采用SFP封装将电芯片和TO封装的光收发组件焊接到PCB板上组成光模块。而100Gb/s光模块，在采用25Gb/s芯片时，需要4组组件，若采用SFP封装，将需要4倍空间。COB封装可以将TIA/LA芯片、激光阵列和接收器阵列集成封装在一个小空间内，以实现小型化。技术难点在于对光芯片贴片的定位精度(影响光耦合效果)和打线质量(影响信号质量、误码率)。易飞扬拥有一整套COB工艺制程设备，在手动耦合满足定制化，而自动耦合则满足批量的一致性要求：

易飞扬拥有一整套COB工艺制程设备

易飞扬采用COB工艺制作的10G SFP+ AOC产品（爆炸图）：

易飞扬采用COB工艺制作的10G SFP+ AOC产品

4)BOX封装

BOX封装：属于蝶形封装，用于多通道并行封装。

BOX封装

易飞扬采用BOX封装工艺制作的100G QSFP28 LR4：

易飞扬采用BOX封装工艺制作的100G QSFP28 LR4

25G及以下速率光模块多采用单通道TO或蝶形封装，有标准的制程和自动化设备，技术壁垒低。但对于40G及以上速率的高速光模块，受激光器速率限制(多为25G)，主要通过多通道并行实现，如40G由4*10G实现，而100G则由4*25G实现。高速光模块的封装对并行光学设计、高速率电磁干扰、体积缩小、功耗增加下的散热问题提出了更高的要求。

随着光模块速率越来越高，易飞扬在单通道的波特率提升上已成功量产400G（单通道56G），而采用并行光学设计的800G产品也正已研发，值得期待。

图解激光器知识点

用于光通信的激光器，以半导体激光器为主，主要分两种类型，边发射与面发射

▲边发射

▲面发射

VCSEL

VCSEL，叫垂直腔面发射

☝垂直腔，两组布拉格光栅做发射腔

▲VCSEL历史

▲VCSEL应用

▲典型氧化物限制结构

这个限制，一是限制光场，二是降低阈值电流

FP与DFB

FP与DFB都是边发射激光器，FP结构的激光器，是通过两侧反射镜做光反馈，DFB是通过光栅做光反馈

▲FP的反射腔

▲DFB的布拉格反射

▲FP无需刻蚀光栅，工艺简单

▲DFB需要刻蚀光栅，工艺复杂

▲FP是多纵模激光器

▲DFB是单纵模激光器

DFB的RWG与BH结构

DFB激光器应用广泛，常用的RWG结构，与BH结构

▲紫色是波导结构

RWG，脊波导，上图紫色是波导设计，工艺简单

BH，异质掩埋，掩埋的是有源层，工艺复杂

为什么要掩埋？

RWG结构的有源层是下图这样

脊型波导，再通过两侧折射率差，将光场压缩至椭圆形，下图

掩埋结构，把有源层做窄

那它的光场压下来，就是接近于圆形

BH结构的圆形光斑，非常适用于通信，与光纤耦合效率高，功率大，阈值电流低（功耗低）

EML

EML，是DFB结构与EAM电吸收调制器的集成器件

半导体有激子吸收效应，也就是可以吸收光，那DFB的光，一会儿吸收一会儿不吸收，对外界看起来就是1,0的区别

▲EML ▼DML

电吸收调制器原理

外加电场后，能带发射概念

吸收波长偏移，产生调制效果

DBR激光器

DBR激光器与DFB类似，只一半光栅，可以通过电流调整相位，也就是说可以通过电流的大小，调谐输出波长

可调谐激光器

可调谐激光器，就是能调输出波长，上一类的DBR是可以做调谐的。

最简单的一种，就是温度调谐，DFB激光器可以随温度变化而变化，那让他工作在不同温度，就可以实现不同波长

把激光器级联起来，就可以调更多的波长了的。

另一种，就是双臂结构，设计俩激光器（各种类型都行），用游标效应。

咱FP出来的是多纵模，

两组FP，纵模间隔略作差异设计

能对准的就可以激射，向游标卡尺一样

这种双臂结构，有好些设计，原理都类同

还有已与采样光栅的DBR

量子级联激光器

量子级联激光器主要用在

咱们DFB是多量子阱结构（十来个），量子级联就是3个，通过量子隧穿三步完成激射

电子不断从高能级向低能级跳，辐射出光子能量

QCL量子级联激光器，同样可以做FP、DFB、外腔调制各种类型，波长集中在红外

气体激光器

气体激光器是用气体做增益物质，CO2激光器是应用比较多的一种，主要在激光加工行业

CO2激光器，有一种辅助气体氮气，电击中氮气后，能量增加会被CO2吸收，再通过两侧反射镜，就激射出光

光纤激光器

光纤激光器，增益物质叫增益光纤

普通传输信号的光纤是单包层，不产生增益

增益光纤是双包层

在泵浦光的作用下，纤芯就吸收能量，产生增益。增，就是放大

光纤激光器，主要用于激光加工行业

准分子激光器

准分子激光器，也是一种气体激光器，他俩的区别在于CO2做不了超快激光器，它的加工过程产生热量，对加工面有损伤

准分子激光器，破坏的是物质的肽键，对加工面不产生破坏力

准分子的准，是说常态下这些分子不存在，只有激发状态下才有，常用这些惰性气体做准分子激光器，193nm是半导体光刻工艺中最常用的

常态下没有ArF这种分子，分别是蓝色的氟和红色的氩

收到激发时，产生一个极端时间的ArF分子，从高能级跳下时分开同时产生一颗光子

这个超短脉冲，破坏分子肽键，这就是加工过程

世界上第一台激光器--红宝石激光器

1960年，梅曼发明第一台激光器，是红宝石激光器

用红宝石做增益物质，在泵浦灯光作用下产生辐射，通过两个反射片进行放大，就是LASER，受激辐射光放大

YAG激光器

类似，把红宝石晶体，换成钇铝石榴石，就叫YAG激光器，也是用于激光加工市场

自由电子激光器

这是用于军事上的一类能量激光武器，可以穿透钢板

目前体积也很大

它的原理很简单，用电子摆动起来（像波），光是电磁波

用波动的电子做谐振，产生加速，产生巨大的光能量

如何让电子产生波动性？磁可以改变电的方向

用一组极性交替分布的磁，让电子穿过去

电子就产生扭摆

这就成了自由电子激光器

太赫兹激光器

太赫兹，是个新兴技术，它的电磁波频谱介于微波与红外之间，（国华用绿色标志），刚好位于电学与光学范畴的交接点，太赫兹可以用于安检、以及早期癌症检测等等领域

它既可以做太赫兹电学应用，也可以做光学应用，光学上加反射腔等也可以做激光器

用超短激光打在两片电极中间，就可以激射出太赫兹波

它的电极（电学范畴这样）

太赫兹的传输，发射与接收

去年，MIT 在nature发表一个中红外太赫兹激光器，波长100um

▲激射太赫兹

▲同频同相，进行锁频放大

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