论文总字数：24137字

摘 要

随着数据通信和电信传输技术的快速发展，光网络信息容量激增，高速宽带光模块成为当前光通信领域的一大研究热点。围绕高速宽带光模块封装中热场作用的综合设计进行研究，具有重要的科学意义。本文主要研究了100G光模块CFP的封装结构设计。围绕光收发模块的散热问题，提出相应的设计方案以提高模块整体的散热效率。本文通过Flotherm软件对所涉及的光模块进行模拟仿真，首先介绍了物体的热量传递的几种模式及其各自的定义。再通过各种传递模式，分别对该光模块进行设计。本文通过模拟仿真找出合理的设计结果，最终将整个光模块的温度降低至标准的70度以下。

关键词：CFP光模块；热设计；热阻；散热路径

Abstract

With the rapid development of data communication and telecommunication, the information capacity of the optical network increases sharply, high-speed and broadband optical modules currently become a hot research topic. Key issues on the heat dissipation for the high-speed and broadband optical modules are widely studied, and the comprehensive design on module packaging has been deeply investigated. Firstly, the internal layout of components is given and hence the thermal field distributions inside the module under high speed data rate are simulated; Secondly, the certain encapsulation design to improve the heat dissipation efficiency is put forward. Using the designed heat dissipation structure simulated by Flotherm software, the temperature of the optical module is controlled below 70℃.

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论

1.1引言

1.2光子集成芯片和高速光模块简介

1.2.1光子集成芯片 1

1.2.2光模块 4

1.3热设计要求 6

1.4本文主要研究内容 7

第二章 高速宽带光模块热设计理论 8

2.1热设计理论 8

2.1.1传导 8

2.1.2对流 12

2.1.3辐射

2.1.4热阻

2.2导热介质

2.2.1常用的导热介质 13

2.2.2导热脂 15

2.3 空气冷却器 16

2.4 本章小结

第三章 基于有限体积法的仿真及建模

3.1 Flotherm仿真工具 18

3.2光模块散热结构一般模型 21

第四章 热设计分析 23

4.1. 结构设计 23

4.1.1TOSA与ROSA的位置关系 23

4.1.2散热器 25

4.1.3散热通道 27

4.1.4打孔设计 29

4.1.5 CFP和CFP2散热结构设计 29

4.2.空气冷却器仿真

4.3.本章小结

第五章 全文总结

参考文献

第一章 绪 论

1.1 引言

光模块的光网络信息的容量增大高速宽带成为研究光通信领域的一大焦点，对光信号的处理实现，构成各类小型化高集成度片上光子系统和光网络的核心部件。竞争对手的电信运营商争相部署100G，甚至是400G的网络建设，光纤路由器线卡和40G / 100G光模块的需求增加。因此需要对高速宽带光模块封装中光与热、电磁多场互作用和综合设计关键问题进行研究。

目前光网络的收发模块主要向着小型化、低成本、低功耗、高速率、可插拔这几个方向发展。随着40Gb/s密集波分光传输系统光网络的广泛应用，相应的100Gb/s产品也即将来临。基于4x25G或10x10G的CFP MSA是100G光模块主流封装形式，满足业界IEEE std 802.3-ba (2010.6)、CFP-MSA-HWS (2010.6)、CFP-MSA-MIS (2013.7)、 10x10 MSA Technical Spec(2012.8)、OIF-MSA-100GLH-EM-02.0 (2013.8)等标准和规范。其核心框架如图1.1所示，包括TOSA组件（Tx Mux）、ROSA组件（Rx Dmux）以及驱动和控制IC。

CFP MSA（多源协议）还规定了两种下一代的100G光模块即CFP2和CFP4^[1]，与已有的CFP模块相比，它们的前板端口密度分别变为2倍和4倍，集成度增加尺寸大小相应减小且耗电量大幅降低。

目前，40公里工作距离，功率大于24W的100GB的ASE-ER4 / 10光模块的发送功率和整体能耗水平非常大，其CFP / CFP2 / CFP4的外部封装决定了组件与PCB的内部布局。

在另一方面，电子技术和现代先进的热控技术的飞速发展密切相关，热设计已成为光电元件，器件和模块化设计的重要组成部分。选择性能热控制方案，可靠性和成本有深远的影响，作为一个多芯片模块的状态的重要性更高的水平，热分析和热设计更为重要。积木热设计技术以其多芯片模块必须高度集成，微型化技术同时开发了三种尺寸。因此，研究光模块的内部热量和国家重要的散热设计的分布。

1.2光子集成芯片和光模块

1.2.1光子集成芯片

PIC片是半导体加工（即晶片处理）在光子集成技术在光纤通信中，最有前途的领域的前沿。自1990年以来密集波分复用（DWDM）的大型应用程序，使光通信系统快速发展。 DWDM系统，调制数据信号复用在光纤的一端多达80个不同的激光波长，然后在一个细如发丝的光纤传输。在光纤的另一端是光信号分成不同波长，不同波长的多路分解

通过光电转换的数据信号的长度最终给到计算机中。在信息传输过程中，光多路复用器，用于信号多路复用/多路分解的激光光，信号调制器进行编码，调制检测器光检测器等。 2004年，大规模光子集成芯片 - 一对光子集成芯片50展现在人们的面前。那么，光子集成技术取得成功并通过多达240集成光学器件达到1.6T 400G芯片。光学透明介质（石英玻璃）传输或引导结构使得光波局限于和周围的波导传播的有限区域的电磁光频波的光子晶体结构。有实际的光导纤维（见​​光纤），薄膜波导，波导带等类别。平板波导具有三个媒体时，平均膜厚度为约1至约10微米，所述折射率n0和n2上层和底层介质（通常是空气中的）小于n1的。如果膜的宽度是有限的大小，称为条波导。波能量集中在一个矩形带结构宽×D。

采用不同的方法，未来芯片产业集成光学芯片的半导体加工方法，对光学芯片代工生产线的处理更加年轻的行业。光芯片作为高端产品的核心技术，通过高速光学芯片加工技术的发展，市场份额大部分的光芯片的高端产品的西方国家。中国拥有核心技术掌握在高端人才极度缺乏的领域，基于平面光波导技术，加工技术的集成光学芯片的研发，设计，晶圆制造，国内制造是空的，这中国的光电子研究和通信技术巨大的市场需求是非常一致的。

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