二、 光通訊網路與光收發模組
2.4 光收發次模組 OSA (Optical Sub-assembly)
2.5.6 Z 軸調整環
如圖 2-20，主要目的為提供光纖跳線(或金屬連接座)與本體間的聯接 固定，Z 軸調整環提供了光學 Z 軸上的自由度，與 XY 軸平面的耦光平面，
當在空間上找到適當的耦光位置後，開始進行在本體與光纖跳線的雷射 銲接固定。
Z 軸調整環
光纖跳線
圖 2-1 光通訊產業/產品結構圖
圖 2-2 被動光網路架構圖
圖 2-3：EPON 網路架構
圖 2-4 光收發模組架構圖
圖 2-5 光電訊號轉換模組方塊圖
圖 2-6 光收發模組組合圖
圖 2-7 光主動元件製程圖
圖 2-8 光發射端 TO56 封裝
圖 2-9 TO56 圖 2-10 光發射次模組(TOSA)
圖 2-11 光接收端 TO46 封裝
圖 2-12 TO46 圖 2-13 光接收次模組(ROSA)
圖 2-14 光纖插座式 BOSA 外觀圖 圖 2-15 跳線式 BOSA 外觀圖
圖2-16 Laser的材料選擇
圖 2-17 0°濾波片 圖 2-18 45°濾波片
圖2-19 BOSA MIM不鏽鋼本體 圖2-20 光纖跳線與Z軸環
第三章 雙工次模組封裝與測試
3-1-4 光衰減器(Optical Attenuator)
選用Agilent公司產品之8156A型號，如圖3-6。光衰減器是能對光功
率進行一定量衰減的器件。波長範圍1200-1650nm 光纖類型衰減範圍 60dB 分辨率0.001dB重複性(典型值 ±0.005dB) 轉換時間 20-400ms 最大輸入功率+23dBm。
3-1-5 光功率計(Power Meter)
選用Anristu產品之5P200型號，如圖3-7。在光纖系統中，測量光功 率是最基本的，用於測量絕對光功率或透過一段光纖的光功率相對損 耗，透過測量發射端連接受測端來達到功率的量測。
3-1-6 UV紫外光照射器
選用HAMAMATS公司產品之Lightningcure 200型號，如圖3-8。主要 提供 UV 紫外光照射，作為 UV 膠點膠製程固化用途。
(一) 45°濾波片(45°Filter)上膠作業
使用設備：鑷子、353ND 膠、10倍顯微鏡。
3.用剪斷的棉花棒在 Filter 的正中央向下輕壓一下，以使Filter 貼 平（如圖3-14）。
4.將整個黏好 Filter 的Boay放在定時恆溫烤箱（如圖3-15）中，烘烤 110°C/0.5 小時。
5.烤完必須在10倍顯微鏡下檢查 Filter 是否有翹起，以及有明顯髒汙 或沾膠（如圖3-16，圖3-17，圖3-18），如有髒污，則用棉花棒沾酒精
Filter 放入凹槽內（如圖3-20）。
3.用剪斷的棉花棒在 Filter 的正中央向下輕壓一下，以使Filter 貼 平（如圖3-21）開槽。
4.將整個黏好 Filter 的不鏽鋼本體放在烤箱中，烘烤 110°C/ 0.5 小
使用設備：自動化雷射焊接平台、Power meter、Current Source、測 試線、Socket。
1.先把 Power Supply 的 output 電源關掉， 再將Body 上的 LD 插上 Socket 電源線。Power Supply 設定：電壓為 3.3V；電流為30ma（如 圖3-29）。
2.先將Body（PT孔位方向朝）裝入自動耦光下治具中（如圖3-30），再 將 Body 往下壓緊，最後轉動螺絲鎖緊固定（如圖3-31）。
3.Pigtail 插入自動耦光下治具中，然後將SUS Ferrule的向入耦光上
治具中，打開氣動開關上固定鎖緊 (如圖3-32）
4.觀察監控畫面（如圖3-33）），讓上治具緩緩降下，把 Power Supply 的 output 電源打開， 並開始程式化耦光。若Power 值未能達到標準1.2mw 以上時，則鬆開 Pigtail旋轉90°依序 180°、270°以最大的Power值時，
程式儲存該相對位置的位置。
5.拉高上治具，將 Z 軸套圈套入金屬Ferrule後，呼叫出前一步驟所紀 錄的相對位置，使Z軸（如圖3-34） 回到光功率最大的位置。 1.2mw以上之規範後，再取出發射端之Pigtail BOSA半成品。
3-2-3 檢光二極體TO46封裝作業：
使用設備：示波器 100M、Power Supply、光源、耦光 治具、衰減器、
測試線
1. 將TO46的接地腳對準 SOCKET的孔位插到底部，確認貼平、無縫隙。
然後用擦拭紙沾酒精清潔TO46上的Ball Lens(如圖3-40)。
2.將Pigtail半成品置入另一頭的卡溝治具固定（如圖3-41）
3.打開 Power Supply 的電源（如圖3-42），然後開始耦光調整到最佳 值（調整波形接觸到基準線）（如圖3-43）。
使用設備：誤碼儀、Power Supply、光源組、測試板、可調式衰減器、測 試線、光功率計。
1.先將可調式光衰減器的輸出與光功率計作衰減值的校正。
2.將光收發次模組之接收端TO46的金屬腳位插入測試機板中，並將 Pigtail端插入光源組內，以接收光信號。
3.打開電源，監看誤碼儀是否呈現是無誤碼狀態(無誤碼狀態需維持30 秒鐘才算通過)。
4. 將可調式光衰減器每隔0.1dB作一次誤碼值檢驗(如圖3-47)，直至該 光衰減器的數字經誤碼值檢驗後，沒有出現誤碼，該值即為靈敏度 (Sensitivity)數值。
3-3-2 發射端L-I-V(光-電流-電壓)測試：
目的: L-I-V測試主要為測試電流-電壓對應發光功率的關係，於產品進 高低溫測試前後量測一次，比較前後差異來篩選良品。
1.首先將標準的光源，使用光功率計作光功率的量測，並校正LIV測試 系統。
2.將發射端TO56 TO46的金屬腳位插入測試盒的Socket上，並將Pigtail 端插入LIV系統之收光模組的接頭上，以便LIV系統接收光信號，來轉 換輸出成電氣訊號，來量測產品特性。
3.在LIV系統監控畫面(如圖3-48)，讓程式判斷量測結果是否與設定規 格相符，量測完按下儲存，NG與良品分開擺放，即完成LIV量測。
圖 3-1 雷射銲接設備
圖 3-2 YAG 雷射機 圖 3-3 程式自動化雷射銲接平台
圖 3-4 光檢測二極體耦光調整治具
圖 3-5 L-I-V(光-電流-電壓)測試系統
圖3-6 光衰減器 圖3-7 光功率計
圖3-8 UV紫光照射器
圖 3-9 誤碼儀
圖 3-10 誤碼率計算公式
圖3-11 程式化高低溫循環測試機
圖3-12 45°Filter上膠 圖3-13 45°濾波片置入與定位
圖 3-14 45°濾波片輕壓平貼
圖 3-15 定時恆溫烤箱
圖 3-16 Filter 翹起或歪斜 圖 3-17 Filter 髒污
圖 3-18 Filter 沾膠污染 圖 3-19 0°Filter 上膠
圖 3-20 0°Filter 置入與定位 圖 3-21 0°Filter 平放
圖 3-22 0°Filter 歪斜 圖 3-23 0°Filter 髒污、刮傷
圖 3-24 0°Filter 溢膠 圖 3-25 TO56 針腳對位置入上壓頭治具
圖 3-26 Body 置放下鉚壓治具 圖 3-27 目視上下工件對位
圖 3-28 不鏽鋼本體補滿黑膠
圖 3-29 Power Supply
圖 3-30 自動耦光下治具圖 圖 3-31 下治具旋轉鎖緊
圖 3-32 上治具氣壓開關固定 Socket
Ferrule
圖 3-33 耦光監視程式畫面
圖 3-34 Z 軸套圈套入金屬 Ferrule
跳線金屬Ferrule
金屬Z 軸環
圖 3-35 Z 軸環銲接位置
圖 3-36 工件平面貼合 0.5mm
工件間有縫隙 工件間有縫隙
工件間無縫隙
圖 3-37 耦光機光功率讀值
圖 3-38 XY 平面銲接
圖 3-39 Pigtail BOSA 半成品 功率讀值
波長設定
銲點
圖3-40 TO46對位置入上治具 圖 3-41 不鏽鋼本體置入治具
圖3-42 啟動電源供應器 圖3-43 檢視示波器
圖3-44 TO46上三點UV膠
圖3-45 套上UV照射治具
圖3-46 TO46塗一圈黑膠與TO46排列固化烘烤
圖3-47 可調式光衰減器調整靈敏度 靈敏度(Sensitivity)
圖3-48 LIV系統特性量測畫面 光功率-電流
PD 監控電流-電流
電壓-電流
第四章 實驗原理與光學模擬 4-1 光收發次模組原理
本文實驗用的BOSA組成零件 （如圖4-1）主要由光纖跳接線端 （含 Fiber， Sleeve， SUS tube， Fiber stub）、雷射二極體 LD(Laser Diode)、 光感測二極體（PIN-TIA）、45°濾光片（45° Filter）、0°
濾光片（0°Filter）和 BOSA 本體（Body）所組成。其中雷射二極體 由一個 TO56 封裝的半導體雷射和球形聚光透鏡組成。感測二極體組
入雷射二極體（LD），形成雷射的三大要素(圖4-3)，為pumping source， gain medium and resonant cavity。雷射光源由其表面 向四面八方輻射能量，由能量之分佈而得控制其特性。光源一般依
emission)。注入二極體之光輸出功率-驅動電流曲線與發光二極體
性偏振光會顯示較大的變異性；而雜亂偏振或圓偏振則有較小甚或
數值孔徑簡單地說明光源輻射之角度範圍。 焦點處，故光束之半發射角近似於鏡前之光腰半徑(beam waist radius)r0與鏡焦距之比值。其數值孔徑計算如下：
孔徑大於光纖數值孔徑時。若數值孔徑與半徑乘積光源大於光纖，
則減少光源之數值孔徑以適合光纖數值孔徑，此不會增加耦合效 率。
光纖與半導體光源之耦合一般可分為兩種方法，直接耦合
（butt-coupling）和分立式光學元件耦合（butt components coupling）兩種。
所謂直接耦合即是將光纖端面與半導體光源之雷射鏡片直接接 近，經過精密的調整使光纖輸出最大之功率。利用雷射焊接
（weldding）或光學膠（epoxy）將光纖固定於基座上，為了提高 耦合效率，常在光纖端面做成漸漸變細的型式。而分立式光學元件 耦合，較常用於包裝型式。
若光纖為直接耦合，則光纖接收之功率與光源輻射之功率比為：
Pf Ps 0 5. m 1
2
N A2 (5)其中α為光纖指數曲線。
一般而言，斜射率光纖（α=∞）或級射率光纖（α=2）之耦合 係數與光源數值孔徑的平方及光纖指向性的增量（m）成正比。耦 合損失為10log P P10 f s，圖4-9為針對不同之m值，顯示理論耦合 損失與NA之關係。欲獲得適當的耦合效率，需要將光源的半徑與光 纖纖核之半徑匹配。圖4-9 使用公式(2)繪出不同m值，光纖數值孔 徑與耦合損失的關係。
4-4 光學模擬與耦合效率計算
我們令 q=6.5 mm，n=1.804(為N-Lasf44材質在1310nm時的折射率) R1=R2=1 mm
計算得 q=1.538 mm(即LD雷射二極體到Ball lens的距離)
圖4-13 是雷射二極體光源部份穿透2mm直徑之球形透鏡後，之
4-4-2 耦光效率的計算
以下為耦光效率(C.E，Coupling Efficiency)的計算公式:
(7) (如圖4-31)，一般稱之為光纖插芯(Fiber stub) ，其在一端接收雷
射光的光纖面上研磨成有角度斜面， 一 般 使 用 6°或8°的設計，來避免
本實驗BOSA使用同一件6°光纖之fiber stub，其光接收角度為2.8
°， 欲使耦合效率得到最大，其TO的雷射出光角度應控制接近於2.8
固定的，此處焦距設定為6.7為mm，得到的三組耦光效率再與晶片未
圖4-1 BOSA零件組成爆炸圖
圖4-2 BOSA光信號傳輸示意圖
圖4-3 雷射的三大要素
圖4-4 簡單的半導體雷射結構
圖4-5 光源之驅動電流與光輸出功率之關係
圖4-6 典型發光二極體與雷射二極體之輻射場型
a c
nc1
nco nc1
圖4-7 光入射Fiber與折射示意圖
圖4-8 擴散光源之數值孔徑計算
圖4-9 數值孔徑NA與光損失關係
圖4-10 雷射二極體TO56外觀尺寸圖
圖4-11 球形透鏡光路圖
L1 L2
圖4-12 球形透鏡光斑圖
圖4-13 雷射穿過球形透鏡、濾波片之光路圖
圖4-14 增加45°濾波片的光斑圖
圖4-15 Chip offset下增加45°濾波片之光路圖 60μm
圖4-16 Chip offset下增加45°濾波片的光斑圖
圖4-17 Chip offset 10μm 之光路圖與光斑圖
圖4-18 Chip offset 20μm 之光路圖與光斑圖
圖4-19 Chip offset 30μm 之光路圖與光斑圖
圖4-20 Chip offset 40μm 之光路圖與光斑圖
圖4-21 Chip offset 50μm 之光路圖與光斑圖
圖4-22 Chip offset 60μm 之光路圖與光斑圖
圖4-23 Chip offset 70μm 之光路圖與光斑圖
圖4-24 Chip offset 80μm 之光路圖與光斑圖
圖4-25 Chip offset 90μm 之光路圖與光斑圖
圖4-26 Chip offset 100μm 之光路圖與光斑圖
圖 4-27 光纖偏斜角度計算公式
圖4-28 雷射光反射示意
圖4-29 正常的光功率對應電流之微分曲線
圖4-30 抖動異常之光功率對應電流之微分曲線
圖4-31 各類光纖插芯(Fiber stub)
圖4-32 晶片偏移前後收光之示意圖
-3 -2 -1 0 1 2 3
-3 -2 -1 0 1 2 3
FL:6.7mm,Offset 90um FL:6.7mm,Offset 30um FL:6.7mm,Offset 60um FL:6.7mm,Offset 0 um
圖4-33 晶片不同偏移對應其出光位置之分布圖