1、OSA知识介绍,主要内容,一：前言 二：TO封装工艺 三：OSA工艺 四：有源器件的测试（TOSA),前言,产品简介,前言,产品简介,前言,产品简介,前言,产品简介,参加培训人员基本了解： 介绍姓名、工作部门、从事岗位、毕业学校、来公司多长时间、是否在其他同行业公司工作？ 随机点名介绍,前言,了解,各学科综合体现 半导体学 光学 光电子学 机械 电子电路 自动化/测试,前言,简述,TOSA: Transmitting Optical Sub-Assembly, 光发射组件 ROSA: Receiving Optical Sub-Assembly, 光接收组件 BOSA: Bi-Directio
2、nal Optical Sub-Assembly, 光发射接收组件 LD: Laser Diode, 激光二极管 PD: Photo-Diode, 光电二极管 FP: Fabry-Perot, 法布里-珀罗激光二极管 DFB: Distributed Feedback Laser, 分布反馈式激光二极管 VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 垂直腔面发射激光器 PIN: Positive Intrinsic Negative, 同质PN结光电二极管 APD: Avalanche Photo-Diode, 雪崩光电二极管 TIA: Tran
3、simpedance Amplifier, 跨阻放大器 TO-can: A kind of package method for active component OLT: Optical Line Termination光线路终端 ONU: Optical Network Unit光网络单元 SDH: Synchronous Digital Hierarchy, 同步数字体系 SONET: Synchronous Optical Network, 光同步网络 GBE: Gigabit Ethernet, 千兆以太网,前言,名词术语,主要内容,一：前言 二：TO工艺 三：OSA工艺 四：有源器
4、件的测试(TOSA）,TO工艺,从管芯（chip）到模块（Module）应用，关键在于封装！,外延材料,管芯,TO-Can,器件,模块,TO-Can封装,TO：Transistor Outline TO封装需要考虑的要素： 机械稳定性（剪切力，热膨胀）； 电连接（金丝的电感，寄生参数等）； 导热性能； 密封性能； 光耦合（同轴对准，焦距，远场特性） 成本,TO工艺,LD-TO封装结构,LD管芯，PD管芯（背光监控），镀金玻璃垫片，过度块（载体，热沉），焊料（导电银胶，AuSn合金） ，金线， TO底座，TO帽子,TO工艺,LD-TO封装结构,TO工艺,Chip,Monitor PD,Submo
5、unt,LD-TO制作工艺,主要工艺：胶粘，贴片，键合，封帽 胶粘：通过导电银胶，将垫片，PD管芯等固定到底座的准确位置，满足其光学及电学要求。 贴片：将LD管芯用AuSn焊料热压焊到过渡块上，焊料溶化及LD管芯位置满足要求。 键合：焊接设备（球焊或楔焊）将PD管芯，LD管芯与TO管脚实现电学连接，达到电学性能要求。 封帽：通过电容式储能封焊机，实现TO帽与底座之间的焊接，使帽子透镜中心与LD管芯发光面同轴对准，内部管芯和电路与外界环境隔绝，满足气密性要求。,问题一：激光器TO管脚定义主要有哪几类？如何区分？,TO工艺,LD-TO透镜-对称圆球透镜,球透镜半径R： 0.75mm小球 1.00m
6、m大球From Schott,TO工艺,LD-TO透镜-管芯发光面到球心距离,发光面到球心距离L： 3.9-1.27-0.75 =1.88mmFrom Mitsubishi,TO工艺,小球耦合效率：8-12% 大球耦合效率：15-20% 非球耦合效率：40%以上,各类球透镜耦合效率,TO工艺,LD-TO 管脚定义,TO工艺,PD-TO封装结构,PD管芯：光信号转换为电信号； 陶瓷片：载体； TIA: Transimpedance Amplifier 跨阻放大器： PD生成的光电流输入到TIA，TIA将电流放大后转换成电压信号，再经差分放大器实现双路输出。 电容：滤波作用，过滤噪声信号。 TO帽
7、子：高帽、矮帽、平窗帽、光面、毛面、镀膜。,TO工艺,PD-TO封装结构,TO工艺,主要内容,一：前言 二：TO工艺 三：OSA工艺 四：有源器件的测试(TOSA),OSA工艺,器件（组件）封装,常见：TOSA、ROSA、BOSA TOSA：Transmitter Optical Sub-Assembly ROSA：Receiver Optical Sub-Assembly BOSA（BD）：Bi-directional Optical Sub-Assembly 尾纤器件 ，模拟器件（蝶形封装） 器件封装需要考虑的因素： 耦合效率（焦距，光路，插芯APC面角度）； 反射（插芯APC面角度，角度
8、大，反射小，但耦合效率降低）； 插拔重复性及四向性（陶瓷套筒，插芯3D尺寸）； 机械性能/工艺 （管体封焊，激光焊接，胶粘）； 结构匹配（尺寸适合模块装配，适配器结构符合跳线接口要求），与PCB板尺寸匹配； 成本；,TOSA封装结构,基本构件： LD TO-Can； 封焊管体（Housing）； 陶瓷插芯（Fiber Stub）； 陶瓷套筒（Sleeve）; 适配器（Receptacle） ； 调节环（Ring）； 插针组件（Receptacle）；,问题二： 如图是什么产品结构图？ 与我司常规TOSA产品有哪些差异性？,OSA工艺,TOSA制作工艺,金属件清洗：除去油污、铁屑、灰尘； 管体封
9、焊：电容储能式焊接机将金属管体封焊在TO-Can上（下件）。 封焊检验：目检封焊质量。 适配器组装（LC/SC）：插芯、套筒、适配器通过激光焊接组合在一起（上件）。 同轴耦合：下件同上件（LC/SC/插针组件）耦合对中，输出光功率满足规范要求。 激光焊接：激光焊接机焊接上下件，达到机械和光路稳定。 焊接检验：目检焊点质量（焊斑、气泡等）。 端面清洗：插芯端面经过耦合步骤后，可能有脏污，需清洗干净。 初测PIV：测试器件的阈值，串联电阻，工作电流时的光功率、背光电流，斜效率等。 温度循环：器件在高温和低温循环环境中储放一定时间。 终测PIV：筛选出不合格产品。,OSA工艺,TOSA制作工艺,关键
10、工序：同轴耦合，激光焊接。 耦合夹具：手动耦合夹具和自动耦合设备。 手动耦合：X-Y方向找光，Z方向压光，使耦合光功率达到规范要求。耦合光功率不一定是可以耦合的最大光功率。 自动耦合：在X-Y方向以作较小位移，自动记录每个位置时的光功率，然后在最大值对应的X-Y位置焊接，这样焊接前后光功率变化相对较小。自动耦合对来料的一致性要求较高。 激光焊接机：三光束激光，相隔120。可以是水平焊接，也可以与水平面成一定角度。激光的能量、焦距控制 ，一般焊接后剪切力要大于300N，焊斑大小和熔深要符合要求。,OSA工艺,插芯APC角度，3D尺寸,插芯与TO耦合端一般为APC面，与跳线耦合端为PC面： APC
11、 角度（APC Angle）,APC的角度一般为8度 。 PC是Physical Contact的缩写，表明其对接端面是物理接触，即端面呈凸面拱型球面结构。,OSA工艺,基本构件： PD TO-Can； 塑封适配器； 封焊管体; 金属适配器； 闭口套筒； 除特殊外，一般不使用插芯；,ROSA封装结构,主要有塑封结构和金属结构,OSA工艺,ROSA制作工艺,ROSA种类较多，不同类型工艺有所差异。主要有粘胶工艺和焊接工艺。 粘胶工艺： 胶水选型： 胶水的粘性，挥发性，膨胀系数，储存条件，使用条件，固化条件，硬度，强度。 点胶过程： 手工或自动点胶机完成，胶量的控制，点胶位置的控制。 烘烤：温度，
12、时间。 焊接工艺： 类似激光器，使用激光焊接机焊接管体和金属适配器，达到稳定结构和光路的目的。,金属胶粘工艺流程,OSA工艺,ROSA 制作工艺,塑封工艺流程,金属封焊工艺流程,OSA工艺,BOSA 封装结构,基本构件： LD TO-Can，PD TO-Can； LD封焊管体； PD陶瓷压配（或陶瓷胶粘）管体； 方形外套; 插针适配器； 45度膜片（发射光透射，接收光反射）； 0度膜片（透射45度膜片反射过来的接收光）,OSA工艺,BOSA制作工艺,管体封焊：LD TO封焊时，需要注意管脚与封焊管体的相对位置。 粘贴膜片：膜片粘在激光器管体上面（0度膜片也有粘在探测器管体里），注意膜片方向和胶
13、水用量及位置。 方形外套焊接：一般管体与方形外套来料时是一一搭配好的，因此一般要求焊接方形外套时，与出厂时一致。 激光器耦合焊接： 探测器耦合焊接/胶粘： 贴标签，测试，温循：,BOSA为单纤双向，同时有发射(TOSA)和接收(ROSA) ，除了相关的工艺外，还需注意以下问题：,OSA工艺,BOSA 光路,利用折射率定律，在几何光学基础上作图绘出添加膜片前后的光路，可以清晰地看出：加入膜片后，不仅光路中心发生改变，而且器件的焦距也发生改变。,OSA工艺,BOSA 光路-偏心,若： 膜片入射光的入射角为； 膜片折射率为n； 膜片厚度为D；,则： 发射端光路中心与插芯中心偏移d为：,通常=45 D
14、=0.3mm n=1.5,OSA工艺,BOSA 光路-偏心,OSA工艺,尾纤器件封装结构,基本构件： LD TO-Can 激光器管体 光纤插针 插针套 隔离器 可焊外套,OSA工艺,主要内容,一：前言 二：TO工艺 三：OSA工艺 四：有源器件的测试(TOSA）,阈值电流Ith 输出光功率Po 背光电流/探测器监控电流Imon 串联电阻 斜率效率SE 跟踪误差TE 中心波长或峰值波长c/p 光谱宽度（RMS、-20dB） 边模抑制比SMSR,有源器件的测试,根据光通信对激光器的要求和激光器的阈值特性、温度特性和光谱特性，LD激光器主要测试以下参数,P-I-V测试,光谱测试,有源器件的测试,LD
15、 P-I-V测试 激光器P-I-V特性是指：输出光功率和正向输入电流以及正向电压之间的关系。是激光器组件的重要特性之一，它反映出激光器组件的多项性能指标。我们现在所使用的测试系统如ILX、KEITHLEY等都具备测试P-I-V特性的功能。,P-I-V测试系统,有源器件的测试,KEITHLEY测试系统,1.LPA-9082激光器参数分析仪：LPA-9082每秒钟可测量5000个点的数据，能够快速和精确的得到LIV曲线，一般取电流最大值为50mA。 2.Keithley吉时利：一台Keithley2400电源，两台Keithley6485皮安表，一台测电流，一台测光功率。,P-I-V曲线：,有源器
16、件的测试,直接读取的参数： 串联电阻； P0(Ith+20mA); Im(Ith+20mA); 斜率效率SE； 阈值电流。,PIV曲线图,红色=正向电压=Vf 蓝色=背光电流=Im 黑色=光功率=Po 绿色=一次微分=dL/dI,有源器件的测试,P-I-V曲线意义之阈值电流（Ith）计算：,有源器件的测试,我们把激光器开始产生激光发射时的正向驱动电流称之为阈值电流。用符号Ith表示。通常阈值电流是通过如下四种计算方法计算得出：,单直线线性拟合； 双直线线性拟合； 一阶微分（dL/dI）； 二阶微分（d2L/dI2）。,阈值电流指激光器由自发辐射转换到受激辐射状态时的正向电流值，它与激光器的材料
17、和结构相关。 对于LD而言，Ith越小越好 一般在25时 VCSEL-LD ，Ith=12mA FP-LD， Ith=510mA DFB-LD， Ith=520mAIth随温度的升高而增加，关系式为Ith=I0 eT/T0 I0为25时的阈值电流，T0为特征温度，表示激光器对温度敏感的程度,P-I-V曲线意义之阈值电流（Ith）计算：,有源器件的测试,P-I-V曲线意义之阈值电流（Ith）计算：,有源器件的测试,单直线线性拟合,阈值依赖于激光器的斜率效率，斜率效率大，阈值计算值大，斜率效率小，阈值计算值小； 两点连线时，点的选择至关重要；阈值弯曲区和高功率非线性区的影响。,P-I-V曲线意义之
18、阈值电流（Ith）计算：,有源器件的测试,双直线线性拟合,阈值对于激光器斜率效率的依赖有所降低； 依然有选两点连线的方式存在，所以仍会受到直线生成方法的影响。由于曲线的凸出，非线性将被放大。,P-I-V曲线意义之阈值电流（Ith）计算：,有源器件的测试,一阶微分（dL/dI）,一阶微分最大值一半所对应的电流值为阈值电流； 有可能受非线性影响，导致一阶微分最大值不容易给定。,P-I-V曲线意义之阈值电流（Ith）计算：,有源器件的测试,二阶微分（ d2L/dI2 ）,二阶微分法定位L/I曲线变化率的最大值点为阈值电流，该点也是一阶微分曲线的拐点； 二阶微分方法不会受到阈值弯曲区前后部分非线性的影
19、响。 虽然可能出现多个二阶微分峰值（Kink引起），但是很容易判断哪个峰值是真实的。,PI曲线的斜率：半导体激光器，除了希望低的阈值电流（Ith）外，还希望使用最小的电流就能得到较大的光输出功率。也就是说，在慢慢地注入电流后，能够获得快速增加的光功率。这就是我们通常所说的斜向效率。即是指在Ith以上的PI曲线的斜率，用P/I表示。其单位是W /A或mW/mA。其测试方法如右图所示。,= P/I （mW/mA）,有源器件的测试,P-I-V曲线意义之斜率效率（Slope Efficiency）计算：,IthIth+20mA之间的点，扣除靠近Ith的10%的点，其余点线性拟合得一直线，该直线的斜率为
20、激光器的斜率效率。,有源器件的测试,P-I-V曲线意义之斜率效率（Slope Efficiency）计算：,激光器组件内部通常都带有背光探测器，其作用是监测激光器背光变化，在P-I-V曲线中可以得到背光数据。其测试原理如下图所示。PD光电流大小由皮安表测出。,有源器件的测试,P-I-V曲线意义之背光电流Im：,LD 前后出光按一定比例，且基本恒定，监控背光大小，可以知道前出光大小，并反馈给激光器驱动电路，控制注入电流大小，从而可以实现激光器的稳定输出。,有源器件的测试,P-I-V曲线意义之背光电流Im：,通过背光来判定器件失效的根源：背光OK，功率小器件耦合问题,背光电流曲线,P-I曲线,跟踪
21、误差Tracking Error,跟踪误差指的是在两个不同管壳温度条件下的激光器组件输出功率的比值，用以衡量器件耦合效率的稳定性。其测试方法为在保持恒定的背面光电流（典型值为200A）的条件下，先测量25时的光功率，再测量预期的工作温度的两个极值（典型值为0和65）时的光功率。其计算方法如下：,式中Pi为两个温度极值下的光功率。,有源器件的测试,光谱特性测试,测试原理如下图所示。其中M为光谱仪。,Q8384 optical spectral analyzer,有源器件的测试,测试方法： 激光器接驱动电源，输出光接光谱仪光口，光功率在光谱仪最大可接收功率范围以内，光谱仪扫描所需波长范围内的光功率
22、，得到光功率随波长的分布图。 GR468上写明：对于非连续波工作的光源的光谱测试一般要在调制状况下测试。,F-P LD 光谱图,有源器件的测试,典型光谱图-FP,DFB LD 光谱图,有源器件的测试,典型光谱图-DFB,LED 光谱图,有源器件的测试,典型光谱图-LED,有源器件的测试,有源器件的测试,光谱图意义之中心波长 ：,根据GR468，对于不同的光源，发光光谱的中心波长概念略有差异。 对于多纵模激光器（如F-P LD）： 中心波长（Central Wavelength，c）为各模式波长的统计权重中心，公式计算为：对于单纵模激光器（如DFB LD）： 中心波长（Central Wavel
23、ength c，或Peak Wavelength p ）为光谱中输出功率最大点对应的波长。 对于发光二极管LED： 峰值波长（Peak Wavelength p ）：光谱中最大功率点波长； 中心波长（Central Wavelength c）：光谱中统计权重中心点波长； 平均波长（Average Wavelength a）：光谱中光功率下降至峰值功率一半处对应两个波长的平均值。,其中：,均方根（root-mean-square）谱宽（rms）对于多纵模激光器，均方根谱宽是一个计算量，计算公式为：,有源器件的测试,光谱图意义之光谱宽度（） ：,其中：,左图是一多纵模激光器光谱，带入公式计算得出：
24、,-3dB谱宽/半高全宽（FWHM）在标准工作条件下，主纵模峰值波长的幅度下降一半/3dB处光谱线两点间的波长间隔。,有源器件的测试,光谱图意义之光谱宽度（） ：,-20dB谱宽（20）在标准工作条件下，主纵模峰值波长的幅度下降20dB 处光谱线两点间的波长间隔。,有源器件的测试,光谱图意义之光谱宽度（） ：,有源器件的测试,光谱图意义之光谱宽度（） ：,一般情况下: RMS谱宽用于描述多纵模光源，如FP LD； -20dB谱宽用于描述单纵模光源，如DFB LD; 而LED多用FWHM或RMS描述其谱宽。,对于高斯函数型的光谱曲线，几种谱宽存在如下关系：,边模抑制比（SMSR）Side-Mode Suppression Ratio在发射光谱中，在规定的输出光功率和规定的调制（或CW）时最高光谱峰强度与次高光谱峰强度之比。该参数仅用于单频（单纵模）激光器，如DFB激光器的光谱测试中。,有源器件的测试,光谱图意义之边模抑制比（SMSR） ：,有源器件的测试,谢 谢！,
