光模块作为光通信中实现光信号和电信号转换的重要产品，在5G时代也将迎来巨大机遇，对光模块需求量的激增，对其高速率、长距离、低成本和低功耗的要求更加迫切。从目前市场规模来看， 2021年光模块市场规模达156亿美元，100G光模块市场规模预计2015~2021年复合增长率23%。

   目前常用的光模块的光信号传输（中心波长）所使用的光波段主要有3种：850nm波段、1310nm波段以及1550nm波段。850nm波段多用于≤2km短距离传输，1310nm和1550nm波段多用于中长距离＞2km传输。

   光模块中实现光电转换的关键部分称为光组件，或统称为OSA，主要包括TOSA：发射组件、ROSA：接收组件、BOSA：收发一体组件。根据作用不同，在光通信中用于调制光信号的发射或者接收，将需要传输的数据信息通过调制，以不同频率或者波长的光的形式传输。

光模块封装流程

   其中TOSA 主要用于实现电信号转化成光信号，封装构件包括：LD TO-Can（发射管芯，核心为激光器）、封焊管体、陶瓷插芯、陶瓷套管、适配器、调节环。

   光模块在封装前需要对核心的TOSA（近红外波长850nm、1310nm、1550nm）进行检测，观测其光斑的直径、大小、圆度、能量分布图等信息，由于LD的结构特殊，光斑只有几到几十微米，因此生产中对精度和速度的要求限制了检测效率。

   同时，最主要的通信波长1550nm是近红外波段，传统可见光解决方案无法探测，而随着对光模块数量与质量的高要求，急需一种高效、确准的视觉自动化检测方案。

光模块的内部结构

TOSA质检传统视觉解决方案

   TOSA形式有200~300种，每种的焦距都不同，有球面镜、有非球面镜，但是都需要找到最佳的耦合点，一般最佳耦合点为光斑最小点即焦点。精度要求±5μm，单模光纤直径在9μm。并且需要测量光斑大小，光斑为椭圆，需测量X、Y直径，测量精度要求100μm。

   TOSA质检传统视觉解决方案是在生产加工过程中，通过红外相机成像的方式对模块进行检测。传统的检测系统由短波红外相机Bobcat320-GigE搭配4~6倍放大镜头，由于激光光斑强度较高，图像很容易饱和，在镜头和相机之间安装适量的衰减片，使图像易于观察。

   观测样品需要底座供电发光，人工进行对准工序，对准后呈现光斑图像，通过手动调节运动平台，使激光光斑呈现最圆的状态，人工主观判断确认，然后读出电子压力测距仪器的读数，记录当前样品编号及光斑大小，挑拣出不合格品，分开存放。

    因为同批次样品可以使用一个标定参数，但是不同样品的标准不同，标定参数不同，标定过程繁琐。人工检测需要精力高度集中，误差较大，效率低，每人每天仅可检测500左右同种样品数量。

传统视觉检测解决方案存在的问题：

1、每种产品都需要标定，标定太麻烦，想采用一种方法实现测试所有种类的TO；

2、测量光斑大小，光斑为椭圆，需测量X、Y直径，测量精度要求100μm。球型透镜样品标定值测量非球型透镜样品，测量结果误差在300μm，超出范围；

3、采用6x镜头，球型透镜样品发生衍射发生了衍射，同心圆，非球型没发现衍射；

4、人工检测误差较大，效率低，每人每天仅可检测500左右同种样品数量。

TOSA质检凌云解决方案

   基于传统视觉解决方案的技术难点，凌云推出TOSA质检优化解决方案。该解决方案采用InGaAs 640×512,20μm像元短波相机一台，搭配20x显微放大物镜，1xtubelens，配合高精度三维运动平台，移动精度1μm，每秒1um的移动速度采集图像，分析图像的变化。

   当前分析方法结合光斑直径，光斑能量分布，光斑z轴坐标，采用多种方法通过曲线拟合的方式，找光斑最小的点，确定为焦点。自动记录计算后的样品长短轴读数，并且判断是否为合格品。

凌云TO-CAN质检解决方案部分测试结果

方案优势：

• 有效的解决了每种产品都需要标定，标定过程繁琐的问题；

• 有效解决了球型透镜样品标定值测量非球型透镜样品的测量结果误差大的问题；

• 有效解决了球型透镜样品采用低倍放大镜头光斑容易产生衍射现象，影响测量结果的问题；

• 避免了人工检测误差大的弊端，降低误检率；

• 提高了样品检测效率，自动化的测试流程，每人每天可检测1500左右不同种样品，效率可提高3倍；

• 结构简单，操作方便。

凌云TOSA质检产品包

   凌云TOSA质检产品包主要由InGaAs 640×512,20μm像元，短波相机一台，采用20x显微放大物镜，1xtubelens，高精度运动平台，移动精度1μm，自动检测软件构成。

核心短波红外探测器主要参数

核心短波红外探测器光谱曲线图

自主软件功能