如何让光模块满足工业级温度标准？（附案例）

易飞扬

我们在选购光模块时，依据工作温度，除了最常见的商业级，我们还能看到有扩展级和工业级等选项。光模块为什么需要划分这么多的温度等级，它们之间有什么区别？

工作温度作为光模块最重要的参数之一，它能影响光模块的其他各项参数。当光模块应用的环境温度发生变化时，其工作电流等其他参数也会随之发生变化，从而影响它的正常传输，扩展级和工业级光模块便是针对这一问题而研发的产品。

普通光模块多为商业级（C-Temp），正常工作温度为0～+70℃；扩展级（E-Temp）为-20℃～+85℃；而工业级（I-Temp）的工作温度为-40℃～+85℃，可在超高或超低温下的恶劣环境中工作。除此之外，工业级光模块在电气组件、外壳等方面都必须采用场景硬化部件设计，以保证模块的使用寿命。

光模块不同温度等级的区别芯片承受温度不同

商业级光模块0℃～70℃，扩展级为-20℃～+85℃，工业级光模块-40℃～85℃，与所能支持工作温度一样。

测试方式不同

商业级光模块只需要进行常温老化测试即可，而工业级光模块则需要进行高低温老化测试。

价格不同

由于工业级光模块进行了物理降温和温度补偿，导致它的原材料成本和制造成本增加。因此在传输速率和波长等参数相同的情况下，工业级光模块的价格往往比商业级光模块的价格贵，如下表所示（价格来源网络，仅供参考）：

应用场景不同

商业级光模块：是市场上最常见的、应用最广泛的产品，一般应用于企业网、数据中心、机房等网络环境中；

扩展级光模块：是应用相对较恶劣的环境中，工作温差很大，比如野外偏远山区、隧道等；

工业级光模块比扩展级可承受温度更低， 工业级光模块一般与工业级以太网交换机搭配使用，应用于工厂自动化、铁路和智能交通系统（ITS）、电力设施变电站、海洋、石油、天然气、采矿等行业的工业以太网应用场景中，工业级光模块可满足在恶劣的工作环境中持久稳定传输。

如何让光模块满足工业级温度标准？
硬件达标

工业级光模块所使用的芯片及激光器必须采用达到工业级温度等级的产品，且在进行测试的时候需要进行高温加热。

温度补偿

当工业级光模块在零下的低温中进行运作时，为了保证光模块有稳定的发射功率，必须对其进行温度补偿来保证其在低温下的正常运作。

物理降温

工业级光模块要满足在高温中稳定运作就必须具备自我降温功能，主要采用散热硅胶来进行物理降温，使激光器所产生的热量尽快散出去。

举例：易飞扬完整的工业级温控设计方案


工业级关键芯片选型

• 芯片选型需要满足工业级温度需求；
• 25G LD芯片是AFCD-V61XT/BROADCOM，工业级VCSEL；
• 100G LD芯片是AFCD-V64XT/BROADCOM，工业级VCSEL。
  
  

工业级光器件设计

• 光器件设计满足工业级工作环境，保障高低温极端条件下光功率平稳；
• COB方案底部采用嵌铜方案，散热效果更好；
• 添加加热电阻设计，为满足低温-40℃工作。
  
  

工业级结构设计

• 光模块内部结构都是按最优的散热设计，通过热设计模拟保障；
• 内部使用相对较大的硅胶散热片；
• 工业级光模块外壳表面粗糙度要求更高（更光滑）， 不然会影响跟散热器接触，导致散热效果变差。
  
  

工业级软件温度补偿

• 激光器的特性之一是出光功率随着温度的变化而变化，优秀的宽温补偿软件控制尤为重要；
• 由于VCSEL在没有自动温控TEC电路的条件下，因而在设计模块电路时，必须采用温度监控系统来实时监控和对各种参数进行补偿，以保证光模块的消光比和发光功率稳定性，确保光通信系统正常运行。
• 做温度补偿这项工作，会花费技术人员大量的时间，以每上升或低5度为一个节点来找到最佳补偿参数，得出结果后再写入光模块相应的IC（芯片）里，从而增加了生产时间和提高工业级产品的成本。
  
  

工业级生产工艺设计

• 工业级光模块批量转产PVT验证良率：
• 产品满足90%以上的良率，则定义该BOM为工业级产品；
• 工业热仿真设计，按照最新布局及散热方案评估现在散热方案是否满足要求
  
  

工业级光模块和商业级光模块如何选择

综上所述，工业级光模块工作温度范围比商业级光模块要大，且性能更加稳定。因此在温差较大的室外环境中，如基站，必须选择工业级光模块。相较于商业级光模块来说，其安全性和可靠性较高；而在温差相对稳定的室内环境中，如机房，工业级光模块和商业级光模块都可以满足实际的应用需求，但考虑到布线成本，选择商业级光模块即可。