摘要:我们开发出一种无须对光轴进行对准的新型插座光模块。在此方案中，一般是通过简羊的平接方式将一个光子器件搞合到一个光纤上。而将器件焊接到一个平台上，将光纤连接到一个陶瓷套管则是自动完成的。为了实现这一耦合，应制作一块铝芯片基板以承载氧化锆套管。光纤和可焊芯片基板导电模的精度高于5μm。文章介绍了样品MU插座接收器模块。通过在芯片基板上焊接一个PD，可以在芯片基板上同时完成光耦合和电连接。在整个模块制造过程中，无须对光轴进行调节。在光二极管有源区直径为180μm和50μm条件下，该模块的带宽达到了1～5GHz。

关键词:套管;集成芯片基板;MU连接器标准;光二极管(PD);插座模块;自行对准

1 引言

光器件和光纤维(或波导管)之间的光轴对准是光模块制造必不可少的工序，但其制造过程往往会出现问题，因为必须对器件的光纤芯中极小的有源区进行对准。而且，在未来大型、高功能的平面型光波电路(PLC)大量光器件的集成过程中，其对准点的数量将会大大增加。因此，我们分析了简化对准光轴的方法，并阐述了可以同时自动对准光子器件和带有芯片的电连接的光波导管。这一方法利用的是焊接点独特的自行对准作用。这一方法不仅对开发未来的大规模PLC而且对传统光器件模块的光子器件光轴和光纤也颇具有吸引力。

目前，我们的主要兴趣在于光纤模块，因为它们在数量上超过了光纤模块制造中的平面型光波电路，其巨大的市场需求量将来也不会减弱。因此，我们利用自行对准方法来简化传统光纤模块的光轴对准。

图1 传统陶瓷螺线管光纤维模块剖面示意图

2 新型插座模块结构

图1和图2分别表示典型的传统陶瓷螺线管光纤维模块及其电路板制造流程。简化制造流程存在两大问题:一是模块制造所用的元件的装配过程比较复杂;光纤需要通过一个光纤座(图2(a))来增强其牢固性，光子器件需要封装一一一般采用一个晶体管外形或蝶形封装件(图2(b))。这些工序是在最终组装前单独完成的。此外，还要制备透镜系统，因为封装的光子器件与纤维之间的间隙往往很大，然后组装所有的元件(图2(b))。在最后的装配工序中，需要进行复杂而麻烦的光轴调节。

图2 传统陶瓷螺线管光纤维模块和电路板制造流程

我们在电路板上安装螺线管光纤维模块时，另一个问题也随之出现了。我们可以用最新推出的高产量安装机将电子元件安装到电路板上(图2(d))。不过，我们不能使用安装机来安装光纤模块，因为螺线管光纤容易断裂。这样，在安装好其它电子元件之后，我们必须单独安装光纤维模块(图2(e))。而且，纤维螺线管在电路板中占用了大量的净空。图3表示近年来开发的无调节式传统光纤模块的典型方案。其制造流程与传统陶瓷螺线管光纤维封装模块几乎相同，但是，其对准方法有所改进。这是通过结构键来完成的，所以被称为“无源对准”。一般采用化学或离子腐蚀或机械制造方法在光子器件或平台上而成的各异向性导向结构(切口、槽等)作为结构键。

这一方法也存在三个问题。首先，由于光子器件上的结构键本身是由脆性较大的晶体材料如砷化镓(GaAS)或磷酸铟(InP)制成，所以容易破碎。而且，光纤元件必须小心操作。这样，光纤插入结构键可能会损坏纤维或光子器件。最后，在电路板上安装光纤模块与上述传统陶瓷螺线管光纤维模块一样麻烦。

采用一种极为细致的对准方法如我们开发的焊接点技术就可以解决第一个问题。采用熔焊的表面张力可以让光子器件自行对准，进入预定的位置。改变模块制造流程可以解决第二个问题。为此，我们建议采用图4中所示的新的模块结构。其制造流程按图5所示的程序进行。首先，将一个光纤粘到一个陶瓷套管(图5(a))中，然后，将光子器件与平台(图5(b))连接，最后，只需要将平台安装到模块护套中即可。与此同时，平台的套管自动排列在模块护套内部套管中一个预先设定的位置。

第三个问题可以通过新的模块插座外形设计来解决。插座光纤模块非常适合周围的电工元件，因为它们没有任何光纤螺线管。因此，我们可以采用一种多功能、高产安装机(图5(e))将光纤模块同时安装到一块电路板上。

图3 无调节式传统光纤模块的典型结构

图4 采用套管集成芯片基板(平台)的新型插座光纤维模块剖面图

图5 新型插座光纤维模块和电路板制造流程

3 套管集成芯片基板

我们建议采用的模块结构是一种新的套管集成平台。图6表示带有光纤套管的新型芯片基板。10/125μm单模纤维插入一个直径为1.25mm、符合MU光纤连接器标准的氧化锆套管中。套管端面采用先进的物理接触(AdPC)抛光技术进行表面抛光。这就保证了套管-套管接触点处形成良好的光特性。其它端面只是简单地进行平面抛光。然后套管插入一个铝陶瓷芯片基板，该基板上有一种导电模，可以在10mm×10mm顶部焊接光子器件。通过套管集成芯片基板的制造，我们就采用一种具有高玻璃过渡温度(Tg>300°，一个高于后面所进行的回流焊接的高温)的粘胶。

图6 带有光纤套管的新型芯片基板:(a)侧视图，(b)俯视图

图7 试验芯片基板插入损耗

图7表示采用一种1550nm分布反馈LD光源测得的插入损耗分布图(从第一批60件中抽出10件)。其插入损耗低于0.2dB，与我们研制的原MU连接器的插入损耗几乎相同。用一台带有测微计的光仪器测量套管中的光纤芯与顶端金属化导电模之间的剩余对准误差。其制造精度优于5μm(50%的累积分布)。

在我们的方案中，光子器件与纤维之间的总体对准精度取决于上述芯片基板的制造精度和焊接对准精度。我们已经通过试验确认几百微米直径焊接点和几十微米直径焊接点的亚微米精度为2～3μm。因此，光子器件与套管集成芯片基板之间的横向对准误差在目前的制造精确度下最低为10μm。下面我们通过一个关键参数值来讨论该试验芯片基板对实用耦合光子器件的适用性。

图8 试验芯片基板光纤-金属化导电模对准误差

图9 测得的高斯光束的发散性(光束中部=5μm，λ=1.55μm)。图中显示具有不同有源区的三种光二极管

首先，我们来看一下它对光二极管(PD)的适用性。图9表示光束中部尺寸为5μm的高斯光束的发散性(我们设定高斯光束来自其纤芯直径为10μm的光纤维)。当我们要耦合一个带宽高达lGHz的光二极管时，可以实现100%的光耦合，尽管存在10μm的误差。因为光二极管具有一个很大的有源区，其直径一般有几百微米。随着器件电容量的减小，光二极管工作速度会增大。减小有源区面积即可达到这一目的。一个带宽高达几个GHz的光二极管其有源区域一般小于几百微米，但仍然大于10μm的误差，所以可以实现损失较小的光耦合。不过，如果光二极管的带宽高达20～30GHz，则其有源区一般小于30～20μm，与10μm的误差相比，其光耦合具有较大的损失。

接下来，我们再讨论它对表面发射二极管如LED和VCSEL PD的适用性。通过器件发出的光束和光纤维基本传播方式发出的光束的叠加积分可以计算出从发光器件到单模纤维的光嘱合效率。不过，本文只讨论根据射线光学的光耦合量化分析OP分析由于漏光而导致的光耦合衰减现象)。新型插座的基本步骤是表面发射二极管与光纤维实现平接。它不存在任何透镜组件。在这种情况下，当二极管的有源区域大于光纤纤芯尺寸时，就会发生漏光现象。试验芯片基板(图6)有一条纤芯直径为10μm的单模纤维，这样，有源区域直径应小于10μm，以免产生这种漏光现象。遗憾的是，这些尺寸相当于10μm的制造精度。因此，即使在有源区域直径小于10μm的情况下，也会产生大量漏光现象。在目前的制造精度条件下，我们几乎无法期望达到一个很高的耦合效率。

4 插座接收器样品

在前一章讨论试验芯片基板适用性的量化分析之后，我们制备了样品接收器模块。光二极管(PD):图10表示第一件样品插座PIN-PD芯片示意图。芯片尺寸为1.5mm×1.5mm，有源区直径为180μm(其中，3个用于N极，其余用于P极:将一块聚酰亚胺基片插入馈电线和N基极以防止电容量升高)。晶片上的带宽为800MHz～1GHz(-3dB)。

图10 第一批样品插座PIN-PD

表1 光纤维通信和所需的光纤模块

注：OE表示光→电，EO表示电→光。

4.1 焊接点连接

图11表示焊接工序。首先，在芯片基板上放置直径为100μm的球形焊料(Sn/Pb=3/7)，用一块金属罩作为模板，然后用红外光短脉冲进行局部点加热，使之形成焊接点(图11(a))。球形焊料的熔点温度低于套管集成陶瓷芯片基板制造过程中所采用的粘胶的溶化温度。而且，金属挡板充当热的屏蔽板，以便在整个回流焊接过程中使芯片基板内的套管端面保持低温状态。接着将PIN-PD芯片面朝下放置于芯片基板上。再采用回流焊接即可完成焊接点连接(图11(b))。PIN-PD的电连接无须采用单独的连接线，同时还可以实现光稠合。此时，光二极管芯片本身充作隔热屏蔽板。在普通的焊料清除器中采用一种超声波浴液即可去除松香基焊料。样品参见图12所示。

图11 焊接工序:(1)焊接点的形成(2)PD芯片连接

图12 套管集成陶瓷芯片基板:(上)侧视剖面图，(下)俯视图照片(PD芯片已经采用焊接点连接)

4.2 最后装配

只要装上芯片基板，将一个光二极管插入护套中，然后封上盖子即可完成模块的最后装配。图13表示样品插座接收器。芯片基板套管自动排列在模块护套内套管中的一个预定位置，如图4所示。接收器光二极管模块有一个MU光接口，这样只需按压一下，MU型光纤插头就很容易与芯片基板套管实现物理连接，无须采用任何调节程序。

图13 样品插座接收器:带有PD芯片和MU套管的芯片基板安装在一个插座护套中，这样芯片基板套管和MU光纤连接器套管可以实现物理连接

4.3 特征曲线

模块的直流(DC)特征曲线参见图14。由MU光插头发光所产生的光子电流符合PIN-PD和纤维之间的光耦合要求，频率特征曲线如图15所示。其带宽超过800MHz，这与PIN-PD晶片上的几乎相同。曲线图中出现的峰值和急速下降是由于模块和网络分析器之间的外部电路(即发射线路、偏压T形组件和线缆等)的插入所引起的。

偏压(V)

图14 样品插座接收器的直流(DC)特征曲线

图15 样品插座接收器的频率特征曲线

5 MU型插座接收器

图16表示微型化样品单模MU插座PD模块。我们制备了一种截面为4.5mm×4.5mm的套管集成芯片基板(图17)，使其模块护套适合于单模MU连接器的标准尺寸。此外，我们还为更为先进的MU连接器制备了其它的PIN-PD芯片。其器件的结构与图10所示的结构相同，只是在高速应用中，其模具和有源区域的尺寸分别降至1.0mm×10mm和φ50μm，见图18所示。在上述减小的情况下，晶片带宽扩展到5-8GHz。

图16 微型化样品MU插座PD模块，芯片基板套管和MU光纤连接器套管在插座护套中实现物理连接

图19表示安装高速PIN-PD后的微型化样品插座接收器的频率特征曲线。光二极管的带宽几乎没有受到什么影响。在这一试验中，我们再次观察到出现峰值、随后急速下降的现象。不过，通过对模块的电特性进行精心设计，使之适用于外部环境中电气设备，即可消除这些影响。图20表示符合接发射器MU连接器标准的样品两柱MU插座光二极管模块。在这一模块中安装两块4.5mm×4.5mm的套管集成芯片基板。我们将开发四芯和八芯插座模块以适应四芯和八芯MU连接器的标准要求。

我们的新型插座模块在未来的光纤通信等许多领域极具吸引力。表l概述了其应用领域和我们样品所在的位置。

表l 新型插座模块的应用领域及安装位置

从图15和图19可以看出，对于几百Mb/s和2.5Gb/s数据传输速率来说，单芯插座就够了，但其制造精度并不符合带宽为20～30GHz的超高速接收器和发射器的要求。为了生产这种模块，就必须改进每一个步骤的生产技术即芯片基板上的套管集成、焊接点连接和光子器件的制造。

图17 4.5×4.5mm密封式套管集成芯片基板实物照片

我们认为，多芯插座模块也可以用作基于并行或波分多址(WDM)技术形成的大容量通信的接收发器。许多研究人员认为阵列式光子器件将成为这些应用领域最具发展前景的解决方案。然而，我们并不这样认为。因为采用了阵列光子器件之后许多问题依然存在。例如，随着阵列光子器件中信道数量的增加，其生产数量趋于减少，而且需要解决复杂的散热问题，尤其是阵列发射器件。因为这类器件有源区分布密集一一在焊剂密度极高的情况下，这就是热源。相比之下，其制造工序和冷却方法相当完备，适合于单信道光子器件。因此，我们相信，利用传统单信道器件的多芯插座模块对于并联线路和波分多址(WDM)系统来说是更加行之有效的方法。

图18 两种PIN-PD的尺寸对比

图19 微型化样品插座接收器的频率特征曲线(装有直径为50μm有源区的PIN-PD)

我们还将多芯插座模块应用于一些复杂领域的接收发器组合模块，如双向模块、转发器、分配器、集线器和转换开关。这些元件对于高速计算机-计算机之间的光纤互连网络如光纤分配数据接口(FDDI)、光纤通道和G比特以太网来说是非常有用的。

图20 样品两柱MU插座PD模块，两个带有PD芯片的芯片基板与插座护套进行卡缘安装

6 结论

我们在采用焊接点中应用一种自行对准方法光纤模块中的光子器件-纤维对准，并产生微型和简单的、不需要采用任何光纤维轴调整的插座接收器。

为了设计新的结构，我们制备了带有一个直径为1.25mm氧化锆套管的铝芯片基板，氧化锆套管中装有一条直径为10/125μm的单模光纤。光纤和可焊芯片基板导电模的精度高于5μm(累积分布为50%)。通过在芯片基板上焊接一个光二极管，可以在芯片基板上同时完成光耦合和电连接。光模块的装配工序非常简单。芯片基板装入一个模块护套中而无须进行任何光纤维轴调整。模块装配后，光二极管(PD)的带宽几乎没有出现任何不良影响。有效接触区直径为180μm和50μm的光二极管，其带宽分别达到了800MHz和5GHz。

与普通的螺线管模块相比，新式微型插座外形易于操作。而且，新式样易于扩展变成应用领域广阔的多芯模块，如并联光纤连接、WDM和高速计算机-计算机光纤互连。因此，焊接点芯片连接和新开发的套管芯片基板的相互配合对于推动光纤模块的升级换代具有很大的优势。