如何讓光模塊滿足工業(yè)級(jí)溫度標(biāo)準(zhǔn)？工業(yè)級(jí)光模塊為什么比較貴？（附案例）

我們?cè)谶x購光模塊時(shí)，依據(jù)工作溫度，除了最常見的商業(yè)級(jí)，我們還能看到有擴(kuò)展級(jí)和工業(yè)級(jí)等選項(xiàng)。光模塊為什么需要?jiǎng)澐诌@么多的溫度等級(jí)，它們之間有什么區(qū)別？

工作溫度作為光模塊最重要的參數(shù)之一，它能影響光模塊的其他各項(xiàng)參數(shù)。當(dāng)光模塊應(yīng)用的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，其工作電流等其他參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而影響它的正常傳輸，擴(kuò)展級(jí)和工業(yè)級(jí)光模塊便是針對(duì)這一問題而研發(fā)的產(chǎn)品。

普通光模塊多為商業(yè)級(jí)（C-Temp），正常工作溫度為0～+70℃；擴(kuò)展級(jí)（E-Temp）為-20℃～+85℃；而工業(yè)級(jí)（I-Temp）的工作溫度為-40℃～+85℃，可在超高或超低溫下的惡劣環(huán)境中工作。除此之外，工業(yè)級(jí)光模塊在電氣組件、外殼等方面都必須采用場(chǎng)景硬化部件設(shè)計(jì)，以保證模塊的使用壽命。

光模塊不同溫度等級(jí)的區(qū)別

芯片承受溫度不同

商業(yè)級(jí)光模塊0℃～70℃，擴(kuò)展級(jí)為-20℃～+85℃，工業(yè)級(jí)光模塊-40℃～85℃，與所能支持工作溫度一樣。

測(cè)試方式不同

商業(yè)級(jí)光模塊只需要進(jìn)行常溫老化測(cè)試即可，而工業(yè)級(jí)光模塊則需要進(jìn)行高低溫老化測(cè)試。

價(jià)格不同

由于工業(yè)級(jí)光模塊進(jìn)行了物理降溫和溫度補(bǔ)償，導(dǎo)致它的原材料成本和制造成本增加。因此在傳輸速率和波長等參數(shù)相同的情況下，工業(yè)級(jí)光模塊的價(jià)格往往比商業(yè)級(jí)光模塊的價(jià)格貴，如下表所示（價(jià)格來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考）：

應(yīng)用場(chǎng)景不同

商業(yè)級(jí)光模塊：是市場(chǎng)上最常見的、應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品，一般應(yīng)用于企業(yè)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、機(jī)房等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中；

擴(kuò)展級(jí)光模塊：是應(yīng)用相對(duì)較惡劣的環(huán)境中，工作溫差很大，比如野外偏遠(yuǎn)山區(qū)、隧道等；

工業(yè)級(jí)光模塊比擴(kuò)展級(jí)可承受溫度更低， 工業(yè)級(jí)光模塊一般與工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)搭配使用，應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、鐵路和智能交通系統(tǒng)（ITS）、電力設(shè)施變電站、海洋、石油、天然氣、采礦等行業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，工業(yè)級(jí)光模塊可滿足在惡劣的工作環(huán)境中持久穩(wěn)定傳輸。

如何讓光模塊滿足工業(yè)級(jí)溫度標(biāo)準(zhǔn)？

硬件達(dá)標(biāo)

工業(yè)級(jí)光模塊所使用的芯片及激光器必須采用達(dá)到工業(yè)級(jí)溫度等級(jí)的產(chǎn)品，且在進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候需要進(jìn)行高溫加熱。

溫度補(bǔ)償

當(dāng)工業(yè)級(jí)光模塊在零下的低溫中進(jìn)行運(yùn)作時(shí)，為了保證光模塊有穩(wěn)定的發(fā)射功率，必須對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償來保證其在低溫下的正常運(yùn)作。

物理降溫

工業(yè)級(jí)光模塊要滿足在高溫中穩(wěn)定運(yùn)作就必須具備自我降溫功能，主要采用散熱硅膠來進(jìn)行物理降溫，使激光器所產(chǎn)生的熱量盡快散出去。

舉例：易飛揚(yáng)完整的工業(yè)級(jí)溫控設(shè)計(jì)方案

工業(yè)級(jí)關(guān)鍵芯片選型

芯片選型需要滿足工業(yè)級(jí)溫度需求；

25G LD芯片是AFCD-V61XT/BROADCOM，工業(yè)級(jí)VCSEL；

100G LD芯片是AFCD-V64XT/BROADCOM，工業(yè)級(jí)VCSEL。

工業(yè)級(jí)光器件設(shè)計(jì)

光器件設(shè)計(jì)滿足工業(yè)級(jí)工作環(huán)境，保障高低溫極端條件下光功率平穩(wěn)；

COB方案底部采用嵌銅方案，散熱效果更好；

添加加熱電阻設(shè)計(jì)，為滿足低溫-40℃工作。

工業(yè)級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是按最優(yōu)的散熱設(shè)計(jì)，通過熱設(shè)計(jì)模擬保障；

內(nèi)部使用相對(duì)較大的硅膠散熱片；

工業(yè)級(jí)光模塊外殼表面粗糙度要求更高（更光滑）， 不然會(huì)影響跟散熱器接觸，導(dǎo)致散熱效果變差。

工業(yè)級(jí)軟件溫度補(bǔ)償

激光器的特性之一是出光功率隨著溫度的變化而變化，優(yōu)秀的寬溫補(bǔ)償軟件控制尤為重要；

由于VCSEL在沒有自動(dòng)溫控TEC電路的條件下，因而在設(shè)計(jì)模塊電路時(shí)，必須采用溫度監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以保證光模塊的消光比和發(fā)光功率穩(wěn)定性，確保光通信系統(tǒng)正常運(yùn)行。

做溫度補(bǔ)償這項(xiàng)工作，會(huì)花費(fèi)技術(shù)人員大量的時(shí)間，以每上升或低5度為一個(gè)節(jié)點(diǎn)來找到最佳補(bǔ)償參數(shù)，得出結(jié)果后再寫入光模塊相應(yīng)的IC（芯片）里，從而增加了生產(chǎn)時(shí)間和提高工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的成本。

工業(yè)級(jí)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

工業(yè)級(jí)光模塊批量轉(zhuǎn)產(chǎn)PVT驗(yàn)證良率：

產(chǎn)品滿足90%以上的良率，則定義該BOM為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；

工業(yè)熱仿真設(shè)計(jì)，按照最新布局及散熱方案評(píng)估現(xiàn)在散熱方案是否滿足要求

工業(yè)級(jí)光模塊和商業(yè)級(jí)光模塊如何選擇

綜上所述，工業(yè)級(jí)光模塊工作溫度范圍比商業(yè)級(jí)光模塊要大，且性能更加穩(wěn)定。因此在溫差較大的室外環(huán)境中，如基站，必須選擇工業(yè)級(jí)光模塊。相較于商業(yè)級(jí)光模塊來說，其安全性和可靠性較高；而在溫差相對(duì)穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境中，如機(jī)房，工業(yè)級(jí)光模塊和商業(yè)級(jí)光模塊都可以滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，但考慮到布線成本，選擇商業(yè)級(jí)光模塊即可。

實(shí)際應(yīng)用案例

愛立信基帶系統(tǒng)互聯(lián)應(yīng)用需求

基帶產(chǎn)品互聯(lián)是一個(gè)比較復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，環(huán)境溫度在-40℃～+85℃，且可能是高濕、高鹽、高濃霧的外部環(huán)境，因此要求氣密性和溫度的完整結(jié)合。

除了外在環(huán)境的要求，愛立信基帶系統(tǒng)也要求能靈活組網(wǎng)節(jié)省資源，設(shè)計(jì)了基帶板卡100轉(zhuǎn)4×25G互聯(lián)，因此對(duì)100G MPO接口的基帶板卡與其它單25G基帶板卡互聯(lián)提出了靈活互通的要求，中間的布線可以由布線工程師靈活設(shè)計(jì)。

選用產(chǎn)品：易飛揚(yáng)100G HAOC

易飛揚(yáng)的100G QSFP28轉(zhuǎn)4×25G SFP28 HAOC是一款工業(yè)級(jí)的緊固型有源光纜，專為5G Open RAN的前傳應(yīng)用而設(shè)計(jì)，支持4路25GE/eCPRI信號(hào)的雙向傳輸，采用多模光纖，最大傳輸距離可達(dá)100米（OM4）。

愛立信中國是世界聞名的移動(dòng)通信設(shè)備制造商，對(duì)所有產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求極為苛刻。本次愛立信中國研發(fā)中心對(duì)多個(gè)工業(yè)級(jí)光模塊廠家進(jìn)行工業(yè)級(jí)光模塊溫度控制方案詢問，其中易飛揚(yáng)的溫度控制方案使愛立信的工程師們感受到了易飛揚(yáng)在工業(yè)級(jí)光模塊十年磨一劍的歷練，最終選用。信任的背后是易飛揚(yáng)對(duì)產(chǎn)品革新的一種態(tài)度，對(duì)工匠精神的一種追求。

審核編輯 黃昊宇