CN101718897B - 用于百兆级850nm光通讯的光接收组件和制备方法 - Google Patents

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Abstract

用于百兆级850nm光通讯的光接收组件和制备方法，提供一种与商业CMOS工艺兼容，可替代现有850nm光收发器中混合集成，可满足传输要求的用于百兆级850nm光通讯的光接收组件和制备方法。光接收组件设850nm光电单片集成接收芯片、管座、管帽、管脚和适配器。芯片设前置放大电路和光电探测器，前者设2个互阻式放大电路、3级差分放大器、输出缓冲电路和直流负反馈电路。光电探测器的纵向自下而上是低掺杂的P型硅衬底；P阱；N型重掺杂硅层、场氧层和铝层；三层SiO2绝缘介质层；Si3N4表面钝化层。采用CMOS工艺将芯片贴片于管座上；将芯片的焊盘与管脚用金丝线键合连接；盖上管帽，与适配器按同轴封装。

Description

用于百兆级850nm光通讯的光接收组件和制备方法
技术领域
本发明涉及一种光接收组件(Receiver Optical Sub-assembly，ROSA)，尤其是涉及一种应用于光纤接入网中850nm波长通讯的10M/100Mbps光收发器中，用于百兆级850nm光通讯的光接收组件和制备方法。
背景技术
接入网是连接光纤主干网与用户或用户驻地网的桥梁，是本地交换机到用户终端的实施系统。目前实现宽带接入网的技术主要有：非对称数字用户线路(Asymmetrical DigitalSubscriber Line，ADSL)、光纤同轴混合网(Hybrid Fiber Coax，HFC)、无线接入技术、高速以太网技术和光纤接入技术等。其中光纤接入网结合成熟的园区局域网络技术可以提供10M/100Mbps交换或共享到用户端。光收发器，特别是起到光接收作用的ROSA作为接入网系统的核心部件，已经成为研究的热点([1]余长亮，毛陆虹，肖新东.一种新颖全差分光电集成接收机的标准CMOS实现.光电子·激光，2009，20(4)：432-435)。目前，商用的ROSA中主要采用PD与前置放大器(Tran-Impedance Amplifier，TIA)混合集成封装在一个管壳内的设计。
由于光纤主干网中长波长1310nm、1550nm的激光器和探测器件成本高，在光纤入户的“最后一公里”中，接入网的价格太贵已成为通信业发展的瓶颈。近年来，850nm波长的垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)快速发展成熟([2]RashidSafaisini，John R.Joseph，Uniform high bandwidth，high CW power VCSEL arrays，OSA/CLEO/IQEC，2009)，降低了光纤到户中光源的成本，大大促进了光接入网中850nm光通讯的发展，这对如何解决降低850nm光接收组件ROSA的成本问题提出了挑战。考虑硅材料具备极其强大的集成电路功能，ROSA中前置放大电路就是在标准的硅生产工艺下完成的，结合硅材料在850nm波段还拥有较高的响应。Natalie Wong等人([3]Natalie Wong.Design ofMonolithic CMOS Photoreceivers with Low Substrate Crosstalk for Multi-Channel Application[D].Toronto：Master thesis of Toronoto University，2003)报道了一种CMOS工艺兼容下的探测器结构。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的硅光电探测器的短波响应差，制备工艺与CMOS集成电路不完全兼容等缺点，提供一种与商业CMOS工艺兼容的，可替代现有的10M/100Mbps的850nm光收发器中混合集成的，可满足传输要求的用于百兆级850nm光通讯的光接收组件和制备方法。
本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件设有850nm光电单片集成接收芯片、管座、管帽、管脚和光接收组件适配器，管帽设在管座上，850nm光电单片集成接收芯片设在管座上，管脚设于管座底部，850nm光电单片集成接收芯片与管脚通过导线连接，光接收组件适配器设于管帽顶部。
所述850nm光电单片集成接收芯片设有前置放大电路和光电探测器，前置放大电路和光电探测器均采用标准CMOS工艺制备在同一个硅衬底上。
所述前置放大电路设有2个互阻式放大电路(TIA)、3级差分放大器(Differential Amplier，DA)、输出缓冲电路(Output Buffer，OB)和直流负反馈电路；光电探测器的2个输出端分别连接一个互阻式放大电路，2个互阻式放大电路的输出端分别作为差分放大器的2个输入端；直流互反馈电路由4个反馈电阻组成，4个反馈电阻两两串联分别连接差分放大器的输入端和输出端；差分放大器的2个输出端分别作为输出缓冲电路的输入端；所述850nm光电单片集成接收芯片由光电探测器接收的光信号为其输入端，输出缓冲电路的2个输出端即为所述850nm光电单片集成接收芯片的输出端。
所述光电探测器的纵向结构自下而上依次是：第一层是低掺杂的P型硅衬底；第二层是P阱；第三层是N型重掺杂硅层、场氧层和金属铝层；第四层到第六层为三层的SiO2绝缘介质层；第七层是Si3N4表面钝化层；所述光电探测器的横向结构设有10个长方形的P阱区，所述10个长方形的P阱区中的单指的P阱宽度为3μm，长度为70μm，两个P阱的间隔宽度为4μm；在间隔P阱区上采用屏蔽金属铝层覆盖并与未被金属屏蔽P阱交叉，其中屏蔽金属区的宽度为7μm，长度为71.6μm，两金属区间距为14μm。
上述光电探测器是由N+/P-Well/P-Sub结构两组探测器组成，一个称为参考探测器(被屏蔽金属覆盖)，一个称为实际探测器(未被屏蔽金属覆盖)。金属铝层与N型重掺杂(N+)形成欧姆接触，参考探测器的金属铝层连线与跟随的放大电路的其中一个互阻式放大电路相连接；实际探测器的金属铝层连线与跟随的放大电路的其中另一个互阻式放大电路相连接。这样，当光电探测器工作时，将输入的光信号转换成一对差分电流信号，由跟随的电路进行放大处理。
所述管脚可设4个管脚，其中一个接电源，一个接地，另外两个作为信号输出端。
互阻式放大电路采用调节式共源共栅(Regulated Cascade，RGC)结构，具有稳定的直流偏置及非常小的输入阻抗，电源电压为5V。差分放大器采用了有源电感作负载的差分放大器结构，利用并联峰化技术来拓宽带宽。输出缓冲电路用来实现输出的阻抗匹配。直流负反馈电路中的4个电阻组成了直流负反馈网络来稳定直流作点和交流增益。
本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件的制备方法如下：
1)采用0.5μm的标准CMOS工艺将850nm光电单片集成接收芯片贴片于管座上；
2)采用键合机将850nm光电单片集成接收芯片的焊盘与管脚用4条金丝线键合连接；
3)用盖帽机盖上管帽，完成后与光接收组件适配器通过激光焊接按同轴封装而成用于百兆级850nm光通讯的光接收组件。
本发明中光接收组件封装省去了混合集成中的电容和器件混合集成的焊线。由于单片集成将光接收组件的封装简单化，降低封装成本，同时还减少电容电感等参数的影响，提高了器件性能。
与现有的10M/100Mbps的850nm光收发器中混合集成的光接收组件相比，本发明的光接收组件中的集成芯片大大简化了封装过程；由于单片集成中芯片采用的是标准CMOS工艺，芯片的制备也比原来的独立器件制备简单；在设计过程中针对光电探测器建立了Spice新模型，很好指导了整个光电集成芯片的设计及制备。其中的芯片实现了850nm光电探测器(Photo-Detector，PD)和前置放大电路的单片光电集成，进行TO(Transistor Outline)封装后，与光接收组件适配器通过激光焊接按同轴封装制备成光接收组件。
本发明提出了将硅探测器和前置放大电路在0.5μm标准CMOS工艺下一同制备，实现接收芯片的单片光电集成，并进行光接收组件封装，降低了10M/100Mbps收发器成本。其中的集成芯片，采用CMOS工艺可比双极型(Bipolar)、BiCMOS等工艺具备更低的成本，与NatalieWong[3]等人的研究相比，CMOS工艺兼容下的探测器结构有所不同。相比于原来传统的混合集成，单片光电集成的光接收组件主要有以下优点：减少了系统元件，简化了组装过程，提高了系统工作可靠性并大大降低了成本；器件间的互连线减少到最少，电容、电感等寄生参量减少，提高了器件性能；单片集成体积小、重量轻、功能齐全。
附图说明
图1是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的纵向剖面结构图。
图2是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的俯视图。
图3是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的CMOS硅光电探测器的纵向剖面结构图。
图4是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的CMOS硅光电探测器的俯视图。
图5是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的850nm光电单片集成接收芯片的电路组成框图。
图6是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的CMOS硅光电探测器的等效电路模型图。
图7是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的前置放大电路中的互阻式放大电路的组成原理图。
图8是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的前置放大电路中的差分放大器的组成原理图。
图9是本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的前置放大电路中的输出缓冲电路的组成原理图。
具体实施方式
参见图1和2，将850nm光电单片集成接收芯片1贴片于管座2上，采用键合机将芯片的焊盘与管脚3用4条金丝线4键合连接，用盖帽机盖上管帽5，完成后与光接收组件适配器6通过激光焊接按同轴封装而成用于百兆级850nm光通讯的光接收组件。
本发明中的850nm光电单片集成接收芯片采用0.5μm的标准CMOS工艺，通过版图交付代工厂进行制备。其中的硅光电探测器的具体制备方法结合图3和4阐述如下：
首先，采用P型的硅片作为衬底7；在P型衬底采用离子注入工艺实现10个P阱区8，厚度约2.5μm；光刻N+区，通过离子注入实现10个P阱区8内的10个N+区9，厚度约为0.12μm；沉积第一层SiO2绝缘介质层，厚度约1.3μm；在第1、3、5、7、9个扩散区(从左往右数，奇数)上光刻接触孔10，大小约为0.5μm*0.5μm，通过第一层金属铝层11实现这5个扩散区的连接，并与放大IC电路的输入端12连接；在第2、4、6、8、10个扩散区(从左往右数，偶数)上光刻沉积第一层金属铝层11，厚度约为0.15μm，使得金属铝层覆盖住这些扩散区不透光；沉积第二层SiO2绝缘介质层，厚度约1μm，并在第2、4、6、8、10个扩散区上光刻接触孔13，大小约为0.5μm*0.5μm，通过第二层金属铝层14实现这5个扩散区的连接，并与放大IC电路的输入端15连接；最后沉积第三层SiO2绝缘介质层和Si3N4表面钝化层，厚度为0.3μm。在探测器制备的同时，形成四方环状P+扩散区16，宽约12μm，作为保护环包围整个探测器，与芯片的GND端17连接。
当硅光探测器工作时，其中未被金属屏蔽的N+接前置放大电路中的一个互阻式放大器的输入端12，被金属屏蔽的N+接前置放大电路中的另一个互阻式放大器的输入端15。根据硅光电探测器的结构可知，屏蔽的N+/P-Well/P-Sub与未屏蔽的N+/P-Well/P-Sub的形状，尺寸和面积都完全相同，当探测器正常工作时不但产生了一对全差分光生电流信号流入到放大电路中，而且使得电路的两个输入端具有相同的负载，也就是说这种探测器具有全差分特性。N+/P-Well/P-Sub结构的实际探测器PD2工作时，可分为3个光生电流的产生区域：P-Sub区、P-Well/P-Sub区和PN+结耗尽层区域。而被金属覆盖的参考探测器PD1工作时，参考探测器PD1的光电流仅由收集衬底部分扩散的光生载流子中的一部分形成。这样，从实际探测器PD2中减掉衬底中扩散少子形成的光电流即参考探测器PD1的光电流可以提高整个探测器的速度。
标准的CMOS工艺仅提供电子器件的模型，EDA设计软件一般都不具有光电探测器的模型结构，因此在OEIC设计中探测器需要通过建立其等效电路模型来实现。对于现有的光电探测器模型或是不能反映器件的内部特征，或是无法准确模拟器件的噪声特性，且都忽略了探测器端电压的影响，存在很大的近似性，特别不适合PN结构的光电探测器。本发明在设计过程中建立一个完整的新探测器模型，包含光电流、暗电流、暗电阻和结电容模型构成，克服现有模型的缺点。
本发明的PD采用一个四端网络结构(如图6所示)来等效，以Vin+和Vin-两端的电压差，即电压源V0，来等效入射光的光功率；标记12和15分别是探测器连接跟随放大IC电路的两个输出端。从PD 3个区域的载流子运动方程出发，采用拉普拉斯(Laplace)变换法，可以分析获得各区的光生电流密度。利用CMOS工艺参数，对探测器各区的响应度进行数值计算，为探测器的光电流模型Fp提供数值基础。通过采用CANDENCE SPECTRE仿真器建立的探测器Spice模型。
本发明的放大电路为一个全差分跨阻放大器，全差分宽带放大器(DA)和全差分输出缓冲级(OB)都采用标准CMOS工艺实现。其中全差分跨阻放大器包含2个互阻式放大器，这2个互阻式放大器都具有相同的结构(如图7所示)，采用了调节式共源共栅结构，由电阻R1、RS，Rb和晶体管M1、Mb构成，具有带宽大、增益高的特点。它的两个输出端的直流电压约为电源电压的一半，保证了后续全差分宽带放大器的直流输入电压与直流输出电压相等。全差分宽带放大器是采用了有源电感作负载的差分放大器(如图8所示)，由三个低增益，高带宽的全差分放大器级联而成。每一级的全差分放大器均采用并联峰化技术提高了全差分宽带放大器的整体带宽。通过这三个全差分放大器的级联使得全差分放大器具有了足够的增益和带宽，将全差分跨阻前置放大器输出的差分电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平，保证了信号的无损传输。全差分输出缓冲级具体电路如图9所示，提供足够大的驱动能力和实现与后续电路的阻抗匹配，用以保证信号的无损传输。由于PD1和PD2的直流输入电流不一样以及器件不匹配等因素产生的DC失调电压经过放大后，会导致后级放大单元直流工作点大幅度的偏移，为了稳定直流作点和交流增益，采用负反馈的原理，将输出信号的直流反馈到输入端来实现直流失调补偿，电路中4个电阻R(如图5所示)组成了直流负反馈网络。结合探测器的Spice等效电路模型，可以通过仿真获得OEIC芯片的带宽、增益、功耗等参数。
将OEIC裸片经过贴片、键合、封帽的TO封装后，进行对光与光接收组件适配器通过激光焊接按同轴封装形成用于百兆级850nm光通讯的光接收组件，免去了传统混合封装的贴片电容、器件间的键合等封装步骤。
图1和2分别给出本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的纵向剖面结构图和俯视图。
图5给出本发明所述用于百兆级850nm光通讯的光接收组件实施例的850nm光电单片集成接收芯片的电路组成框图。本发明的集成芯片包含光电探测器PD和前置放大电路两大部分，这两部分都是在标准CMOS工艺下在同一个硅衬底上同步制备获得的，区别于传统的由两个分立的芯片混合连接。其中前置放大电路具体包含两个互阻放大器、三级差分放大器、输出缓冲电路和直流负反馈电路(由4个电阻组成)。PD的两个输出端分别连接一个互阻式放大器，2个互阻式放大器的输出端Tout1、Tout2分别作为差分放大器的两个输入端。4个反馈电阻，两两串联分别连接差分放大器的输入与输出端；差分放大器的两个输出端Dout+、Dout-分别作为输出缓冲电路的输入端。整个芯片由PD接收的光信号为其输入端，输出缓冲电路的两个输出端Vout+、Vout-即为整个芯片的输出端。本发明的光电集成芯片关键的技术在于如何制备出与标准工艺CMOS兼容的PD。

Claims (3)

1.用于百兆级850nm光通讯的光接收组件，其特征在于设有850nm光电单片集成接收芯片、管座、管帽、管脚和光接收组件适配器，管帽设在管座上，850nm光电单片集成接收芯片设在管座上，管脚设于管座底部，850nm光电单片集成接收芯片与管脚通过导线连接，光接收组件适配器设于管帽顶部；
所述850nm光电单片集成接收芯片设有前置放大电路和光电探测器，前置放大电路和光电探测器均采用标准CMOS工艺制备在同一个硅衬底上；
所述前置放大电路设有2个互阻式放大电路、3级差分放大器、输出缓冲电路和直流负反馈电路；光电探测器的2个输出端分别连接一个互阻式放大电路，2个互阻式放大电路的输出端分别作为差分放大器的2个输入端；直流负反馈电路由4个反馈电阻组成，4个反馈电阻两两串联分别连接差分放大器的输入端和输出端；差分放大器的2个输出端分别作为输出缓冲电路的输入端；所述850nm光电单片集成接收芯片由光电探测器接收的光信号为其输入端，输出缓冲电路的2个输出端即为所述850nm光电单片集成接收芯片的输出端；
所述光电探测器的纵向结构自下而上依次是：第一层是低掺杂的P型硅衬底；第二层是P阱；第三层是N型重掺杂硅层、场氧层和金属铝层的复合层；第四层到第六层为三层的SiO2绝缘介质层；第七层是Si3N4表面钝化层；所述光电探测器的横向结构设有10个长方形的P阱区，所述10个长方形的P阱区中的单个的P阱宽度为3μm，长度为70μm，两个P阱的间隔宽度为4μm；在间隔P阱区上采用屏蔽金属铝层覆盖并与未被金属屏蔽P阱交叉，其中屏蔽金属区的宽度为7μm，长度为71.6μm，两金属区间距为14μm。
2.如权利要求1所述的用于百兆级850nm光通讯的光接收组件，其特征在于所述管脚设4个管脚，其中一个接电源，一个接地，另外两个作为信号输出端。
3.如权利要求1所述的用于百兆级850nm光通讯的光接收组件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用0.5μm的标准CMOS工艺将850nm光电单片集成接收芯片贴片于管座上；
2)采用键合机将850nm光电单片集成接收芯片的焊盘与管脚用4条金丝线键合连接；
3)用盖帽机盖上管帽，完成后与光接收组件适配器通过激光焊接按同轴封装而成用于百兆级850nm光通讯的光接收组件。
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