李穎，方再平，侯愷，張克非（.西南科技大學(xué)理學(xué)院，四川綿陽(yáng)，600；.西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽(yáng)，600）

一種制備激光通信BOSA的新方案

李穎1，方再平1，侯愷1，張克非2
（1.西南科技大學(xué)理學(xué)院，四川綿陽(yáng)，621010；2.西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽(yáng)，621010）

摘要：介紹了BOSA的結(jié)構(gòu)和原理，針對(duì)BOSA在生產(chǎn)過(guò)程中的焊接偏移問(wèn)題，提出了一種采用離軸設(shè)計(jì)對(duì)器件進(jìn)行預(yù)處理的新型設(shè)計(jì)方案。描述了離軸設(shè)計(jì)的原理和思路，并對(duì)采用該方案改進(jìn)的BOSA的偏移距離進(jìn)行了理論推導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：光纖通訊；單纖雙向器件；焊接偏移；離軸設(shè)計(jì)

0　引言

近年來(lái),隨著電話會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)游戲、數(shù)字點(diǎn)播和高清電視等高帶寬業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，光纖通信向著10G、40G甚至100G的高速率方向發(fā)展[1]。光模塊作為光纖通信的關(guān)鍵器件之一，由收發(fā)獨(dú)立發(fā)展到收發(fā)一體，由單纖單向發(fā)展到單纖雙向，甚至單纖三向。光發(fā)射接收組件（BOSA）作為一種單纖雙向器件，廣泛應(yīng)用于高速率和長(zhǎng)距離的激光通信中。目前國(guó)內(nèi)外已有不少?gòu)S商宣布擁有10G、80km以上的BOSA生產(chǎn)技術(shù)，但普遍使用的是同軸型器件模型，存在光組件焊接偏移過(guò)大和耦合光功率低的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)光通信器件制造商進(jìn)行調(diào)研和工藝考察，本文提出一種離軸設(shè)計(jì)方案以優(yōu)化BOSA的焊接偏移問(wèn)題。

1　BOSA產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和原理

BOSA結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。底座（base）的3個(gè)開(kāi)孔分別對(duì)應(yīng)放置半導(dǎo)體激光器（LD）、光電二極管（PD）和過(guò)渡環(huán)，放置LD與放置過(guò)渡環(huán)的孔相對(duì)。在base內(nèi)部有一傾斜度為45°，通過(guò)精加工去除了表面毛刺的斜面，用于放置45°濾波片，斜面正上方是PD開(kāi)孔。利用波分復(fù)用技術(shù)，使BOSA實(shí)現(xiàn)雙向傳輸功能。0°波片和45°波片為BOSA的核心器件，兩者均屬于光學(xué)窄帶通濾光片，利用光學(xué)干涉原理和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓所選波長(zhǎng)在一定帶寬內(nèi)通過(guò)[2]，實(shí)現(xiàn)濾波。45°濾波片正面鍍?cè)鐾改?，反面鍍?cè)龇茨?，?shí)現(xiàn)光的復(fù)、分功能；0°波片正面鍍了一層膜，能阻擋光波以外的光信號(hào)。鍍膜的設(shè)計(jì)使BOSA光組件具備光收發(fā)一體的功能。

圖1　BOSA結(jié)構(gòu)圖

同軸設(shè)計(jì)型BOSA的耦合過(guò)程為：裝置將過(guò)渡環(huán)固定在上端，LD與base組裝的組件固定在下端，耦合夾具有3個(gè)分別對(duì)應(yīng)X、Y、Z方向的精度為0.001mm的旋鈕，耦合時(shí)可通過(guò)這3個(gè)旋鈕調(diào)節(jié)軸向與徑向。另外，由于焊接后產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使組件在軸向失配，因此，在焊接前要調(diào)節(jié)Z向旋鈕（離焦）以補(bǔ)償軸向失配。觀察光功率計(jì)讀數(shù)，當(dāng)耦合光功率滿足器件要求時(shí)，使用4光束激光焊接機(jī)將其焊牢。

在同軸型BOSA耦合焊接的過(guò)程中，由于焊接偏移的存在，光功率會(huì)存在較大損失，造成器件達(dá)不到要求，成為廢品。表1為實(shí)驗(yàn)小組成員在四川省華拓光通信股份有限公司進(jìn)行BOSA焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)獲得的光功率變化數(shù)據(jù)，光功率損失嚴(yán)重。

表1　焊接前后光功率

2　離軸設(shè)計(jì)

在BOSA中，LD發(fā)出的光穿過(guò)置于器件中的45°濾波片，我們將45°濾波片近似看作是許多層均勻介質(zhì)的疊加。由于光經(jīng)過(guò)均勻介質(zhì)時(shí)，光路會(huì)發(fā)生偏折，出射光與入射光平行，因此，相對(duì)于原光路，出射光會(huì)向上偏折一定距離。LD的耦合對(duì)軸向失配較敏感，為得到較好的光功率，本文提前將base上的過(guò)渡環(huán)開(kāi)孔向相應(yīng)方向偏移，避免開(kāi)孔與過(guò)渡環(huán)有錯(cuò)位，從而消除因光路偏移引起的應(yīng)力不平衡現(xiàn)象，在一定程度上減小了焊后光功率的下跌，提高了耦合效率，達(dá)到優(yōu)化器件的目的。離軸設(shè)計(jì)與同軸設(shè)計(jì)的對(duì)比圖如圖2所示。

圖2　離軸設(shè)計(jì)與同軸設(shè)計(jì)的對(duì)比

3　偏移距離的理論推導(dǎo)和應(yīng)用

考慮到國(guó)內(nèi)模型加工精度的問(wèn)題，忽略濾波片涂層影響光路的情況，目前10G及以下速率光模塊使用半導(dǎo)體激光器輸出光束近似高斯型激光束，由高斯光束穿過(guò)透鏡的成像公式可知：

其中，f表示透鏡物方焦距，z和z′分別表示物距和像距，λ表示波長(zhǎng)，ω0表示高斯光束的束腰。

本文中，激光通過(guò)45°濾波片，波片表面平滑，可看做f→∞,滿足式（2）的情況，因此可使用幾何光學(xué)的原理近似處理。激光通過(guò)濾波片的情況如圖3所示，可得出偏移距離L為：

不同速率和通信距離的BOSA采用的濾波片規(guī)格不同，本文采用10G、80km系列光模塊中BOSA使用的濾波片,其尺寸規(guī)格為1.4×1.4nm2,厚度0.33mm，通帶插損小于0.3dB，通過(guò)45°角入射。將以上參數(shù)代入式（4），得到L=0.11mm。

本文采用離軸設(shè)計(jì)方案對(duì)BOSA進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的BOSA結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。通過(guò)監(jiān)測(cè)該BOSA可以發(fā)現(xiàn)，其在耦合時(shí)的錯(cuò)位已經(jīng)消除，表明采用離軸設(shè)計(jì)方法確實(shí)能減小BOSA的焊接偏移。

圖3　激光通過(guò)濾波片情況

圖4　改進(jìn)的BOSA結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文在現(xiàn)有同軸型BOSA設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提出了離軸設(shè)計(jì)，將base上面的過(guò)渡環(huán)開(kāi)孔向下方（PD所在方向）平移0.11mm，有效地減小了同軸設(shè)計(jì)的固有焊接缺陷，提高了光組件焊接封裝的效率，最終達(dá)到減少焊接時(shí)由于應(yīng)力過(guò)大造成的BOSA光功率下降嚴(yán)重的問(wèn)題，有效提高了10G BOSA器件的良品率。

參考文獻(xiàn)：

[1] avago. 40G/100G Component technology advances[Z].Lightwave：2012.

[2]張榮君，鄭玉祥，陳良堯.光纖通信WDM系統(tǒng)用帶通濾波片[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011，30(3)：11-13.

[3] WILSON R G. Ball-Lens Coupling Efficiency for Laser Diode to Single Mode Fiber:Coparison of Independent Studies by Distinct Methods [J]. Applied optics, 2008, 37 (15), 3201-3205.

New project for preparing laser communication BOSA

LIYing1, FANGZai-ping1，HOUKai1，ZHANGKe-fei2
(1. School of Science, Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010, China；2. School of Computer Science and Technology, Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China)

Abstract:The paper introduces the structure and principle of BOSA, in order to resolve the problem of the welding deviation in the production process of the BOSA, proposes a new scheme which uses off-axis design to carry out preprocess of the device. It describes the off-axis design principle and idea, what's more, using the program, the paper gets the theoretical derivation of offset distance to improve yield of BOSA.

Key words:optical fiber communication, single fiber bi-directional devices, welding offset, off-axis design

中圖分類號(hào)：TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）01-0032-02

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.010

收稿日期：2015-10-21。

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201410619013）；四川省教育廳科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：11ZA139，學(xué)校編號(hào)：11zd1111)資助課題。

作者簡(jiǎn)介：李穎（1993-），女，本科，主要研究方向?yàn)楣庑畔⒖茖W(xué)與技術(shù)。