李穎，方再平，侯愷，張克非（.西南科技大學理學院，四川綿陽，600；.西南科技大學計算機科學與技術學院，四川綿陽，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.西南科技大學理學院，四川綿陽，621010；2.西南科技大學計算機科學與技術學院，四川綿陽，621010）

摘要：介紹了BOSA的結構和原理，針對BOSA在生產過程中的焊接偏移問題，提出了一種采用離軸設計對器件進行預處理的新型設計方案。描述了離軸設計的原理和思路，并對采用該方案改進的BOSA的偏移距離進行了理論推導。

關鍵詞：光纖通訊；單纖雙向器件；焊接偏移；離軸設計

0　引言

近年來,隨著電話會議、網絡互動游戲、數(shù)字點播和高清電視等高帶寬業(yè)務的增長，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鍵器件之一，由收發(fā)獨立發(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，廣泛應用于高速率和長距離的激光通信中。目前國內外已有不少廠商宣布擁有10G、80km以上的BOSA生產技術，但普遍使用的是同軸型器件模型，存在光組件焊接偏移過大和耦合光功率低的問題。通過對光通信器件制造商進行調研和工藝考察，本文提出一種離軸設計方案以優(yōu)化BOSA的焊接偏移問題。

1　BOSA產品的結構和原理

BOSA結構圖如圖1所示。底座（base）的3個開孔分別對應放置半導體激光器（LD）、光電二極管（PD）和過渡環(huán)，放置LD與放置過渡環(huán)的孔相對。在base內部有一傾斜度為45°，通過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開孔。利用波分復用技術，使BOSA實現(xiàn)雙向傳輸功能。0°波片和45°波片為BOSA的核心器件，兩者均屬于光學窄帶通濾光片，利用光學干涉原理和合理的結構設計讓所選波長在一定帶寬內通過[2]，實現(xiàn)濾波。45°濾波片正面鍍增透膜，反面鍍增反膜，實現(xiàn)光的復、分功能；0°波片正面鍍了一層膜，能阻擋光波以外的光信號。鍍膜的設計使BOSA光組件具備光收發(fā)一體的功能。

圖1　BOSA結構圖

同軸設計型BOSA的耦合過程為：裝置將過渡環(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個分別對應X、Y、Z方向的精度為0.001mm的旋鈕，耦合時可通過這3個旋鈕調節(jié)軸向與徑向。另外，由于焊接后產生的應力會使組件在軸向失配，因此，在焊接前要調節(jié)Z向旋鈕（離焦）以補償軸向失配。觀察光功率計讀數(shù)，當耦合光功率滿足器件要求時，使用4光束激光焊接機將其焊牢。

在同軸型BOSA耦合焊接的過程中，由于焊接偏移的存在，光功率會存在較大損失，造成器件達不到要求，成為廢品。表1為實驗小組成員在四川省華拓光通信股份有限公司進行BOSA焊接實驗時獲得的光功率變化數(shù)據(jù)，光功率損失嚴重。

表1　焊接前后光功率

2　離軸設計

在BOSA中，LD發(fā)出的光穿過置于器件中的45°濾波片，我們將45°濾波片近似看作是許多層均勻介質的疊加。由于光經過均勻介質時，光路會發(fā)生偏折，出射光與入射光平行，因此，相對于原光路，出射光會向上偏折一定距離。LD的耦合對軸向失配較敏感，為得到較好的光功率，本文提前將base上的過渡環(huán)開孔向相應方向偏移，避免開孔與過渡環(huán)有錯位，從而消除因光路偏移引起的應力不平衡現(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，達到優(yōu)化器件的目的。離軸設計與同軸設計的對比圖如圖2所示。

圖2　離軸設計與同軸設計的對比

3　偏移距離的理論推導和應用

考慮到國內模型加工精度的問題，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體激光器輸出光束近似高斯型激光束，由高斯光束穿過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，ω0表示高斯光束的束腰。

本文中，激光通過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的原理近似處理。激光通過濾波片的情況如圖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。

本文采用離軸設計方案對BOSA進行了改進，改進后的BOSA結構圖如圖4所示。通過監(jiān)測該BOSA可以發(fā)現(xiàn)，其在耦合時的錯位已經消除，表明采用離軸設計方法確實能減小BOSA的焊接偏移。

圖3　激光通過濾波片情況

圖4　改進的BOSA結構圖

4　結束語

本文在現(xiàn)有同軸型BOSA設計方案的基礎上提出了離軸設計，將base上面的過渡環(huán)開孔向下方（PD所在方向）平移0.11mm，有效地減小了同軸設計的固有焊接缺陷，提高了光組件焊接封裝的效率，最終達到減少焊接時由于應力過大造成的BOSA光功率下降嚴重的問題，有效提高了10G BOSA器件的良品率。

參考文獻：

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[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].實驗室研究與探索,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：TN929.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）01-0032-02

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.010

收稿日期：2015-10-21。

基金項目：大學生創(chuàng)新訓練項目（201410619013）；四川省教育廳科技項目(項目編號：11ZA139，學校編號：11zd1111)資助課題。

作者簡介：李穎（1993-），女，本科，主要研究方向為光信息科學與技術。