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摘要：光通信技术是目前应用广泛的信息通信技术。光通信器件作为光通信系统的重要组成部分，一般分为光有源器件和光无源器件。光有源器件包括光模块、半导体激光器、探测器等；光无源器件包括光纤耦合器、光隔离器等。本文对关键光通信器件，如光纤耦合器、激光器及光模块的装配要求进行探讨和解析，以确保光通信系统的装配质量。
关键词：光通信技术；光纤耦合器；激光器；光模块
Analysis of assembly requirements of key optical communication devices
Huang Fang
(The 34th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Guilin Guangxi,541000)
Abstract:optical communication technology is a widely used information communication technology.As an imp ortant part of optical communication system,optical communication devices are generally divided into optical ac tive devices and optical passive devices.Optical active devices mainly include optical modules,semiconductor la sers,detectors,etc.optical passive devices mainly includefiber couplers,optical isolators,etc.In this paper,the a ssembly requirements of key optical communication devices such asfiber coupler,laser and optical module are dis cussed and analyzed to ensure the assembly quality of optical communication system.
Key words:optical communication technology;fiber coupler;laser;optical module
信息技术革命以来，通信网发展经历了话线、光纤、无线传输等几大主要时期，其中，基于光纤传输的光通信技术对人类生活的影响较为显著。光通信技术是指以光纤为信息传输载体的通信技术。在实际应用的光纤通信系统中，关键光通信器件的装配情况会直接影响光纤通信质量，如光纤耦合器的规范安装、半导体激光器和光模块的装配。它们会影响光通信系统的装配可靠性，甚至直接影响光通信质量[1]。结合光通信技术实际应用与关键光通信器件的特性，下文将对关键光通信器件的装配要点进行分析。
一、光通信含义及其优势
光通信是当下受到广泛关注的一种信息传递方式，即一种以光波为信息载体的通信方式。光通信相较于传统通信方式的优势主要体现在五个方面：第一，超大带宽，这不仅能有效优化用户的使用体验，而且能有效抵御DDoS及cc攻击，提高信息传输的安全性；第二，能进行长距离的传输，而且传输过程中的信号损耗较少，部分光通信技术甚至可以实现上百公里的信号传输；第三，抗干扰性强，能保障传输质量；第四，传输保密性好；第五，材料来源丰富，成本相对较低，有助于经济的可持续发展[2]。我国抓住了信息革命的窗口期，大力发展光通信技术，不断突破相关技术瓶颈，在部分产品的开发与应用领域已经达到国际先进水平，涌现了一批具有较高国际知名度的企业。当下，我国已经成为全球重要的光通信器件生产国。
目前，光通信的理论研究已经十分成熟，其应用的难点主要有四点，分别是传输媒介、光源、光接收及编码。其中，传输媒介就是光纤，光纤要实现光信号的互联就必须借助光纤耦合器实现光信号的输出与接收；光源包括发射光模块、激光器等；光接收主要包括接收光模块、探测器等。由此可见，影响光通信应用的难点之一是关键光通信器件封装质量和装配质量的控制。光通信器件是光纤通信网络中实现光信号放大、转换、传输等功能的器件，其产品质量的优劣将直接决定光通信质量的好坏，既是光通信系统的核心零部件，也是光通信产业链的重要组成部分。关键光通信器件的装配将直接影响光通信系统的可靠性。
二、关键光通信器件概述
(一)光纤耦合器
光通信中最常见的传输媒介是光纤，针对不同的传输要求，需要连接不同类型的光纤。目前，在实际应用时，光纤连接主要分为热连接和冷连接两大类。其中，热连接是通过光纤熔接机将需要对接的两路光纤熔接在一起。普通单模和多模光纤的应用技术相对成熟，但对保偏光纤而言，技术难度较高。光纤熔接后需要使用光纤热缩管进行补强保护，并对光纤热缩管进行再次加固，该工艺复杂且可靠性不高。冷连接是通过设计固定槽位装配需要对接的光纤，使用胶粘固等方式进行加固处理，此方式插入损耗较大，抗机械强度不高，不适用有较高振动要求的应用场景。
相比于热连接和冷连接，还有一种更简单、更高效的连接方式，即不同类型的光纤直接借助光纤耦合器实现连接。光纤耦合器能够实现不同类型光纤端面的快速对接，在保障信号质量的前提下，实现光纤端面的精准连接。光纤耦合器的工作原理是将两根光纤的光纤孔导通来实现光纤间的精准连通，同时可对多模信号进行耦合，使其形成单模信号，提高信号传输的稳定性。常见的光纤耦合器有SC光纤耦合器、LC光纤耦合器、FC光纤耦合器及ST光纤耦合器四类，相关人员在选择光纤耦合器时，需要根据不同的应用要求，对插入损耗、回波损耗、互换性、储存温度、抗振动性、抗拉强度及重复性等多个指标进行考量，选择合适的光纤耦合器[3]。
(二)半导体激光器
激光器是光通信系统中将电信号转换成光信号、提供光源的关键器件，是光通信系统的心脏，在光通信领域占据重要的地位。激光器一般为半导体激光器。与其他类型激光器相比，半导体激光器效率高(达70%)、体积小、重量轻、寿命长(数万小时)、波长丰富(可见至红外任意波长输出)及可直接电驱动[4]。半导体激光器的光功率和输出波长是在实际应用中对光通信系统性能影响最大的指标。半导体激光器一般采用蝶形封装，激光器裸芯片通过金属合金焊锡贴在过渡块上，过渡块底部又集成了半导体制冷器TEC，TEC与壳体之间通过金属合金焊锡进行焊接。因为半导体激光器对光功率稳定性的要求较高，受温度影响较大，所以在安装设计时需要进行散热设计。半导体激光器内部焊接使用的合金焊锡熔点一般高于217℃(SnAgCu)、低于280℃(AuSn)，工作人员在后续装配时需要控制焊接温度和时间，防止激光器内部焊锡融化、部件位移导致耦合失效。此外，半导体激光器为静电敏感器件，需要特别注意静电防护。
(三)光模块
光模块是光通信系统的核心器件，主要用于光电转换，包括发射光模块和接收光模块。光模块的工作原理为，在发送端，电信号经驱动芯片处理后，驱动激光器发射出相应速率的调制光信号，通过光功率自动控制电路，输出功率稳定的光信号。通过光纤传送后，在接收端，一定速率的光信号输入接收模块后由光探测器转换成电信号，再经前置放大器输出相应速率的电信号。
光模块是光通信架构中的基础模块，按照封装形式可划分为以下五种常见类型：SFP、SFP+、SFP28、QSFP+和QSFP28，速率分别为百兆/千兆、万兆(10G)、25G、40G、100G，可以用在光纤收发器、交换机、光路由器和光纤网卡等设备上。在装配之前，工作人员需要先结合具体的工作要求选择合适的光模块，考虑到光信号在传输过程中存在衰减和色散情况，选择光模块时应保证其传输距离稍大于实际要求的传输距离。
三、关键光通信器件的装配要求
(一)光纤耦合器的装配
光纤耦合器装配后的关键检验指标为插入损耗，插入损耗过大会导致系统性能指标临界甚至不合格，而影响插入损耗的其中一个因素是光纤耦合端面质量。因此，在光纤耦合器与光纤连接器对接装配前，工作人员需要使用光纤端面检测仪对光纤耦合器的端面与光纤连接器的端面进行损伤和清洁度检查，若存在明显损伤，则需更换新的光纤耦合器和光纤连接器，若仅仅是脏污，则使用光纤清洁笔或其他清洁材料清除脏污，待端面检验合格后方可进行下一步对接装配。
装配时，把光纤连接器的适配器直接插进相应的光纤耦合器，装配过程中会听见“啪”的响声，表示装配成功。为避免光纤连接器在运输或振动的过程中从光纤耦合器里松脱出来，装配完成后，工作人员须在光纤连接器与光纤耦合器的接触面间使用硅橡胶加固，确保装配质量。
(二)半导体激光器的装配
半导体激光器(蝶形)的装配分为安装和焊接两个过程。半导体激光器为静电敏感器件，因此在整个装配过程中，需要做好静电防护，如仪器设备需接地，操作人员需穿戴防静电服等。
1.半导体激光器的安装
半导体激光器为大功率器件，需要进行散热安装，即在预先设计好的散热凸台上垫一层绝缘导热垫或涂一层导热硅脂，再把半导体激光器安装至对应位置，用螺钉固定。
2.半导体激光器的焊接
半导体激光器的引脚较软，推荐采用软导线方式进行电气连接，以减小引脚所受应力。工作人员可先在电路板上焊接导线，再把导线翻折至激光器的引脚，对引脚与导线进行勾焊或搭焊。焊接时热量会通过激光器的金属引脚传导至壳体内部，若累积的温度过高，会导致激光器内部组件组装焊锡融化，致使耦合失效。因此，需要重点控制焊接温度和焊接时间，具体以实测温度为准。这样一来，既能保证焊点的良好润湿，又能确保设备不过温。
(三)光模块的装配
光模块装配前，要确保光模块本身的封装质量合格。光模块经常会出现光功率不足、眼图不佳、接收端异常及工作电流异常等问题，很多问题是光模块自身组装工艺不到位导致的。以IG SFP光模块装配为例，若TOSA PINs PD+焊接质量不佳，焊接后未进行器件加固，经过运输或振动等过程，TOSA PINs PD+出现接触不良，就会造成光功率超过额定范围或BIAS短路等问题。同时，部分类型光模块采用柔性板作为对外焊接接口，在后续焊接装配过程中，柔性板需要成形，成形过程会对内部焊点产生一定的应力，导致内部焊点虚焊或脱落。因此，光模块组装后，工作人员需对柔性板接口位置进行点胶加固，避免后续装配时的应力传导引发内部焊点问题。
光模块在装配过程中要注重端口的清洁保护，若光纤连接器或光模块端口脏污，会导致光模块性能故障；若使用未倒角的非标光纤连接器，在光纤拔插过程中则会损坏光模块。因此，在装配光模块的过程中，工作人员要对光模块的光口加强清洁与保护。首先，需要选择正确的光纤连接器进行匹配装配。其次，在装配前，应使用光纤端面检测仪对光模块的端口和光纤连接器的端面进行清洁度检查，确保端口和端面干净才能进行装配。最后，为防止光纤连接器从光模块的端口松脱，工作人员在装配完成后还须进行点胶加固处理，以此保证光模块的装配质量。
四、结语
随着光通信技术的不断发展，光通信技术的大容量和长距离已不再是幻想。同时，随着光通信技术中各类光器件的发展和进步，光通信的通信距离与通信容量正在进一步升级。关键光通信器件作为光通信系统的核心部件，在装配过程中须进行重点工艺控制，明确装配要求，以此确保装配后的光通信系统正常运行，保证光通信产品的长期可靠。只有提高我国关键光通信器件的装配水平，才能有效推动光通信技术在各个领域的广泛应用。
【参考文献】
[1]许新勇,谭乃悦,马拥华,马建军.基于无线光通信设备的多光轴平行度校正系统研究[J].广东通信技术,2021(06).
[2]王峰,李兴华,李晓龙,刘瑞增,庄浩涛,赵永利.基于健康画像的光通信设备故障预测算法[J].光通信技术,2021(09).
[3]蔡玮.可见光通信关键器件及通信芯片研究[D].南京：南京邮电大学,2019.
[4]张俊,陈泳屹,秦莉,彭航宇,宁永强,王立军.高功率、高光束质量半导体激光器研究进展[J].科学通报,2017(32).
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