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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃登鍵
研究生(外文):Huang, Teng-Chien
論文名稱:雙工次模組封裝與耦光效率之改善
論文名稱(外文):Package of Bi-directional optical sub-assembly and the improvement of coupling efficiency
指導教授:陳仁浩
指導教授(外文):Chen, Ren-Haw
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:工學院精密與自動化工程學程
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:雙工次模組耦光效率被動光網路雷射銲接
外文關鍵詞:BOSAPassive Optical NetworksCoupling efficiencyLaser welding
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雙工次模組在結構方面,係包含了光發射次模組與接收次模組兩個部份,文中提供了一套雙工次模組封裝與測試的方式,主要利用膠封與雷射銲接的固定方式,分別地將光發射次模組與接收次模組固定於雙工次模組本體上,再依所訂立之電性規範,以篩出符合測試及可靠度條件之完成品。
本論文利用ZEMAX光學模擬軟體,找出當光耦合效率理論值為最大時,探討晶片位移量相對於符合光纖端面角度之出光角度值,實驗中選取了當光耦光效率達最大時,其該對應晶片位移量來進行實驗驗證,經過一連串的模擬嘗試與實驗驗證,我們證明當晶片以每10μm單位距離做偏移時,其TO的出光角度變化約為0.5度,依此關係來實際驗證當6°光纖斜面所對應的晶片偏移距離為60μm,其耦合效率的確為最大,比起晶片在中心位置的條件下,其耦合效率還大了5.46%,驗證了晶片偏移對於雙工次模組發射端的耦光有效性。此成果對於雷射銲接製程所產生的銲後位移,提供了一個更大的容許度。

BOSA (Bi-directional Sub-Optical Assembly) mainly includes the optical transmitter module and receiver module. This paper provides a testing and packaging method for duplex module. We treat the receiver module using epoxy gel sealing packaging method and laser welding technique for the transmitter module respectively to fix these two parts onto the metal main body. And sieve out the finished product with the laid-down electrical specifications to meet the conditions of testing and reliability.

This thesis employs optics simulation tool ZEMAX to explore the influence of active chip offset on the optical beam angle at which the beam enters the fiber end face while optical coupling efficiency reaches a maximum in theory. The experiments are conducted to observe the corresponding effect of chip offset when the coupling efficiency is fine tuned to the maximum. After a series of simulations and experiments, it can be concluded that the every 10μm chip offset gives a 0.5° TO light angle deviation. By this rule, the desired value of chip offset is calculated to be 60μm when a 6° fiber inclined plane is deployed in the BOSA structure. The coupling efficiency is also improved to the best and 5.46% higher than the conventional zero chip offset case. The effectiveness of the chip offset method is verified. The results also provide a greater tolerance for post-weld displacements generated by laser welding.

一、 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 光纖通信的演進 2
1.2.2 光纖耦合效率 2
1.3 研究動機與目的 5
1.4 研究方法 6
二、 光通訊網路與光收發模組 9
2.1 光通訊產業發展現況 9
2.2 被動光網路 PON(Passive Optical Networks)介紹 9
2.2.1 被動光網路 PON(Passive Optical Networks)的標準 10
2.2.2 EPON(Ethernet Passive Optical Network)的網路架構 12
2.3 光收發模組(Optical Transceiver Module)13
2.4 光收發次模組 OSA (Optical Sub-assembly) 14
2.4.1 光發射次模組TOSA(Transmitter OpticalSub-assembly) 14
2.4.2 接收次模組 ROSA(Receiver Optical Sub-assembly) 15
2.5 雙工次模組BOSA(Bi-directional optical subassembly) 15
2.5.1 通訊用之半導體雷射 16
2.5.2 通訊用之檢光二極體 18
2.5.3 0°濾片 19
2.5.4 45°濾片 19
2.5.5 金屬粉末射出成形(Metal Powder Injection Molding)
MIM不鏽鋼體 20
2.5.6 Z軸調整環 20
三、 雙工次模組封裝與測試實驗 27
3.1 實驗設備 27
3.1.1 雷射銲接平台 27
3.1.2 光檢測二極體耦光調整治具 27
3.1.3 L-I-V(光-電流-電壓)測試儀 27
3.1.4 光衰減器(Optical Attenuator) 27
3.1.5 光功率計(Power Meter) 28
3.1.6 UV紫光照射器 28
3.1.7 誤碼儀 28
3.1.8 程式化高低溫循環測試機 28
3.2 實驗條件與方法 28
3.2.1 前段組裝作業 28
3.2.2 耦光作業 30
3.2.3 檢光二極體封裝作業 32
3.3 測試作業 32
3.3.1 接收端靈敏度(Sensitivity)測試 32
3.3.2 發射端L-I-V(光-電流-電壓)測試 33
四、 光學模擬與提升耦合效率實驗 47
4.1 光收發次模組原理 47
4.2 雷射光源基本原理 47
4.3 雷射光源與光纖的耦合 50
4.4 光學模擬與耦合效率計算 53
4.4.1 發射端之光路模擬 53
4.4.2 耦合效率計算 55
4-5 提升耦合效率設計 56
4-6 耦合效率量測與驗證 56
五、 結論 76
參考文獻 78

[1]W. H. Cheng, W. H. Wang.,Y.M. Huang,H. Y. Chen,and H. H. Lin, 1995,”Failure mechanism of hole formation in laser welding technique for optoelectronic packaging,”Electronic Components an Technology Coference,Proceedings.,45th,pp.914-916.
[2]W. H. Cheng, W. H. Wang., Y.M. Huang,and H. H. Lin,1995,”Reduction of mircomovement in optoelectronic packaging,”Laser welding for Electro-Optics Society Annual Meeting Conference Proceedings 8th,Vol.1,pp.248-249 .
[3]B. Valk,R. Batting,and O. Anthamatten, 1995,”Laser welding for fiber pigtailing with long-term stability and sub micron accuracy,”Opt. Eng.,Vol.34,pp.2675-2682.
[4]P. Mueller and B. Valk,2000,”Automated fiber attachment for 980 nm pump modules,”Electronic Components and Technology Conference,Proceedings.50th,pp. 5-9.
[5]J.H. Kuang,M. T. Sheen,Z. C. Wang,G. L. Wang,and W. Cheng,2001,”Post-weld-shift in dual-in-line package,”IEEE Trans. On Advanced packaging.Vol.24,NO.1,pp.81-85.
[6]趙芝山,「雷射銲接於光通訊元件封裝之有限元素分析」, 國立交通大學碩士論文,民國九十年六月.
[7] 蘇麗華,「光收發模組之光軸設計研究」,國立海洋大學碩士論文,民國九十六年六月。
[8]許吉成,「以橢圓透鏡增加光纖訊號耦合效率之研究」,國立臺灣科技大學碩士論文,民國九十四年六月。
[9]胡志允,「橢面微透鏡於雷射與光纖耦合效率」,國立臺灣科技大學碩士論文,民國九十七年六月。
[10]張朝揚,「雷射光次模組中熱效應與耦光效率之分析」,國立國立高雄應用科技大學碩士論文,民國九十八年六月。

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