CN103401614B - 用于塑料光纤通信的光发射组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

用于塑料光纤通信的光发射组件及其制备方法，涉及光发射芯片。芯片设有基底、光发射驱动电路和光源谐振腔光发射二极管；驱动电路设在基底上表面左半侧，在驱动电路左侧设有3个焊盘，在驱动电路右侧设有2个焊盘，在基底上表面右侧部分设有预留焊盘，右下焊盘与预留焊盘之间通过导线连接；二极管阴极端面通过银浆粘在预留焊盘上，阳极通过键合线与右上焊盘连接。在硅基底上左半侧形成光发射驱动电路，在驱动电路上左侧形成3个焊盘；在驱动电路右侧形成2个焊盘；在基底上右侧部分进行淀积金属铝板形成预留焊盘；在右下焊盘和预留焊盘之间相连；在预留焊盘上点上银浆，将二极管阴极端面粘在焊盘上，将二极管阳极接驱动电路右上焊盘上。

Description

用于塑料光纤通信的光发射组件及其制备方法

技术领域

本发明涉及光发射芯片，尤其是涉及一种用于塑料光纤通信的光发射组件及其制备方法。

背景技术

塑料光纤通信是新一代短距离传输系统，具有简便、高速、低成本和光纤柔性可弯曲等优点，可成功解决光纤通信中“最后100m”的接入难题，代替现有的铜质线缆实现光纤到桌面的全光网络通信。塑料光纤通信的发展既顺应国家“十二五”规划中光纤宽带到户和“光进铜退”的发展战略，又在推进三网融合、智能家庭网络、工业控制、物联网等领域发挥重要的作用。随着科技的发展，塑料光纤通信的应用领域越来越广，其市场的发展会越来越广阔。塑料光纤通信设备如媒体转换器、路由器、集线器、交换机和光纤网卡等都以650nm±17nm光收发模块为核心，其中光发射模块由分立的650nm±17nm谐振腔发光二极管和驱动电路芯片组成；光接收模块由分立的650nm±17nm光电探测器芯片和前置互阻放大器芯片组成。目前这些芯片都是分立状态，成本高，不利于塑料光纤通信技术的推广和普及。

由于以硅为材料的BCD（即为Bipolar,CMOS and DMOS）工艺的集成电路与以化合物为材料的650nm±17nm的光源RCLED的材料不兼容性，现有的光发射芯片多采用将光发射驱动电路和光源RCLED单独封装，这样不仅增加了系统元件和体积，使组装过程复杂，降低了系统工作可靠性，大大增加了成本，而且器件间的互连线较多，电容、电感等寄生参量较大，降低了器件性能。

目前，各类硅基光电集成电路几乎涉及了Bipolar、CMOS、BiCMOS、BCD、SOI等工艺，其中BCD标准工艺可在同一衬底上集成Bipolar器件、CMOS器件和DMOS器件，综合了双极型器件高跨导、强负载驱动能力、CMOS集成度高、低功耗等优点，成为硅基光电集成电路研究的一个创新思路和有益探索。另外，现有的封装和键合技术也已越来越成熟，也被运用到单片集成电路的研究中。此外，现有的商业用塑料光纤通信用的光发射模块中的主芯片多为进口国外的产品。国内较少有人做相关研究。

本申请人在中国专利CN102856324A中公开一种用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片。所述芯片是一种用于塑料光纤通信的650nm±17.8nm单片光电集成接收芯片，该芯片可替代现有的塑料光纤通信用的650nm±17.8nm光接收模块里的光电探测器芯片和前置放大集成电路芯片，实现650nm±17.8nm光电探测器和前置放大集成电路的单片光电集成，可满足塑料光纤通信100Mbps传输速率要求，用于塑料光纤通信650nm±17.8nm波长的光接收端。可采用标准的0.5μm BCD工艺制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于塑料光纤通信的光发射组件及其制备方法。

本发明所述用于塑料光纤通信的光发射组件设有基底、光发射驱动电路和光源谐振腔光发射二极管（RCLED）；所述光发射驱动电路设在基底上表面左半侧，在光发射驱动电路上的左侧从上至下依次设有左上焊盘、左中焊盘和左下焊盘，在光发射驱动电路上的右侧从上至下设有右上焊盘和右下焊盘，在基底上表面右侧部分设有预留焊盘，右下焊盘与预留焊盘之间通过导线连接；所述光源谐振腔光发射二极管（RCLED）的阴极端面通过银浆粘在预留焊盘上，光源谐振腔光发射二极管（RCLED）的阳极通过键合线与右上焊盘连接。

所述基底可采用硅基底，杂质为硼，可采用100晶向，电阻率为20Ω·cm。

所述导线可采用铝线。

左上焊盘和左中焊盘作为信号输入端，左下焊盘作为接地端，右下焊盘为光发射驱动电路的输出端。

所述光发射驱动电路可设有输入缓冲器（即为Input Buffer，简写为IB）、预驱动放大电路（即为Pre-Drive Amplifier，简写为PDA）、主驱动放大电路（即为Main Driver Amplifier，简写为MDA）、温度补偿电路（即为Temperature Compensation Circuit，简写为TCC）和参考电压产生电路（即为Reference Voltage Generating Circuit，简写为RVGC）；所述输入缓冲器的两个输入端分别接两个输入信号端，输入缓冲器的两个输出端接预驱动放大电路的两个输入端，预驱动放大电路的两个输出端接到主驱动放大电路的两个输入端，主驱动放大电路的一个输出端接第1电阻的一端，第1电阻的另一端接电源，主驱动放大电路另一个输出端通过第2电阻连接到光源谐振腔光发射二极管（RCLED）的阴极，光源谐振腔光发射二极管（RCLED）的阳极接电源；参考电压产生电路设有7个输出端，所述7个输出端包括4个参考电流输出端和3个参考电压输出端；4个参考电流输出端中的2个接输入缓冲器，1个接预驱动放大电路，1个接主驱动放大电路；3个参考电压输出端中的1个参考电压输出端作为输入缓冲器和预驱动放大电路的电源电压，另2个参考电压输出端接温度补偿电路的输入端，温度补偿电路的输出端接主驱动放大电路的一端。

所述用于塑料光纤通信的光发射组件的制备方法，包括以下步骤：

1）采用0.5μm BCD标准的硅集成电路工艺在单晶硅基底上左半侧进行生长、氧化、涂胶、曝光、杂质注入、扩散、退火，形成光发射驱动电路，在驱动电路上左侧进行淀积金属铝板形成左上焊盘、左中焊盘和左下焊盘；在驱动电路上右侧进行淀积金属铝板形成右上焊盘和右下焊盘；在基底上右侧部分进行淀积金属铝板形成预留焊盘；

2）在右下焊盘和预留焊盘之间通过淀积金属铝线相连，左上焊盘和左中焊盘是芯片的信号输入端，左下焊盘是接地端，右下焊盘作为驱动电路的输出端；

3）在光发射驱动电路完成后，在预留焊盘上点上银浆，将光源谐振腔光发射二极管（RCLED）的阴极端面粘在焊盘上，并在大气环境中、温度150℃下进行烘烤1h；

4）将光源谐振腔光发射二极管（RCLED）的阳极通过键合线连接到光发射驱动电路的右上焊盘上，得用于塑料光纤通信的光发射组件。

与现有的650nm±17nm光发射器比较，本发明具有以下突出优点：

1、本发明采用键合方式，将RCLED和光发射驱动芯片混合集成在同一个芯片上，减少了器件间的互连，降低了寄生电容和电感，缩小了元器件的体积，提高了器件的性能。

2、本发明采用的RLCED是塑料光纤通信中的常用光源，其成本较低，没有阈值电压，不需要大的偏置电流，降低了电路的复杂性，克服了激光器需要高偏置电流开启器件的缺点。

3、本发明采用了温度补偿电路，使得光发射器的输出光更具稳定性，而且不像激光器需要光敏二极管来稳定输出光功率，大大降低了器件的复杂性。

4、本发明650nm±17nm光发射模块的封装过程。由于采用键合的混合片内集成方法，光发射驱动电路和RCLED芯片置于同一衬底上，直接采用一个芯片的透明光电子封装，不需要对RCLED芯片进行另外封装，降低了塑料光纤通信的成本。

本发明的硅基光电集成发射芯片流片后用于塑料光纤通信测试，在误码率10^-9下传输速率为250Mbps。

附图说明

图1为本发明的用于塑料光纤通信的光发射组件的结构俯视示意图。

图2图1的A-A剖面示意图。

图3为一般RCLED结构示意图。

图4为本发明中的用于塑料光纤通信的光发射驱动集成电路框图。

图5为本发明的驱动电路中输入缓冲电路组成原理图。

图6为本发明的驱动电路中预驱动放大电路组成原理图。

图7为本发明的驱动电路中主驱动放大电路组成原理图。

图8为本发明的驱动电路中温度补偿电路组成原理图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1和2，本发明所述用于塑料光纤通信的光发射组件实施例设有基底10、光发射驱动电路4和光源谐振腔光发射二极管（RCLED）8；所述光发射驱动电路4设在基底10上表面左半侧，在光发射驱动电路4上的左侧从上至下依次设有左上焊盘1、左中焊盘2和左下焊盘3，在光发射驱动电路4上的右侧从上至下设有右上焊盘13和右下焊盘5，在基底10上表面右侧部分设有预留焊盘7，右下焊盘5与预留焊盘7之间通过导线6连接；所述光源谐振腔光发射二极管（RCLED）8的阴极端面通过银浆9粘在预留焊盘7上，光源谐振腔光发射二极管（RCLED）8的阳极11通过键合线12与右上焊盘13连接。

所述基底10采用硅基底，杂质为硼，可采用100晶向，电阻率为20Ω·cm。

所述导线6采用铝线。

左上焊盘1和左中焊盘2作为信号输入端，左下焊盘3作为接地端，右下焊盘5为光发射驱动电路4的输出端。

本发明中的光发射芯片是通过以下方法来实现的：其中光发射驱动电路采用0.5μm BCD标准的硅集成电路工艺完成的。在单晶硅基底10上面左半侧进行生长、氧化、涂胶、曝光、杂质注入、扩散、退火等工艺形成光发射驱动电路4，基底为硅，杂质为硼，采用100晶向，电阻率为20Ω·cm。在驱动电路4上面左侧进行淀积金属铝板Al形成左上焊盘1、左中焊盘2和左下焊盘3。右侧进行淀积金属铝板Al形成右上焊盘13和右下焊盘5。在基底10上面右侧部分进行淀积金属铝板Al形成预留焊盘7。其中驱动电路的尺寸是1000μm×900μm，整个衬底的尺寸为1000μm×2000μm。右下焊盘5和预留焊盘7之间是通过淀积金属铝线6相连的。左上焊盘1和左中焊盘2是芯片的信号输入端，左下焊盘3是接地端，右下焊盘5作为驱动电路的输出端。在光发射驱动电路生产完成之后，在预留焊盘7上点上银浆9，将RCLED的阴极端面粘在焊盘7上，并在大气环境中、温度150℃下进行烘烤1h。RCLED的阳极11则通过键合线12连接到光发射驱动电路4的右上焊盘13上。其中光源谐振腔光发射二极管（RCLED）8可在市场上购买得到，其尺寸一般也在200μm×200μm左右，可采用Firecomms公司的FC300R RCLED芯片。

图3为常用RCLED的结构图。RCLED是一种辐射区在光学腔中的LED。光学腔的典型厚度一般为0.5倍或1倍LED辐射的光波长。腔的谐振波长与LED有源区的光发射波长接近或者谐振，因此，腔称为谐振腔。其中两反射镜的反射率分别为R1和R2。两反射镜的反射率取不同值是为了使在腔内的光主要从一个反射镜出射。这个反射镜成为光出射镜。反射率R1为光出射反射镜的，要比背反射镜的反射率R2小很多。分布布拉格反射镜（即为DistributedBragg Reflector，简写为DBR)放在衬底和有源区之间。由于DBR可以通过增加对数来达到很高的反射率，所以用DBR可以构成谐振腔。DBR是一种多层薄膜反射器，典型结构是由两种不同折射率的材料组成。一般采用GaAs材料系或者AlGaInP材料系的DBR进行生长RCLED器件。RCLED的基本结构如图3所示。整个RCLED自底向上各个层次分别为：阴极N⁺85，底部DBR层84，有源区83，顶部DBR层82，阳极P⁺区81。各层材料是进行外延生长得到。衬底为N型GaAs，采用AlGaInP材料制作谐振腔的顶部和底部的DBR。有源区83是两个量子阱结构，阱宽一般为5nm。RCLED工作时，阴极85接低电位，阳极81接高电位，正向工作电压一般为1.7V，工作速率一般可以达到250Mbps。

图4为本发明用于塑料光纤通信的650nm±17nm硅基光电集成发射芯片的电路框图。图中包含本发明的光发射驱动电路，包括一个IB（如图5），一个PDA（如图6），一个MDA（如图7），一个TCC（如图8），以及一个RVGC。两个输入信号端V_in和V_ip接到IB的两个输入端，IB的两个输出端接到PDA的两个输入端，PDA的两个输出端接到MDA的两个输入端，MDA的一个输出端接到电阻R₁的一端，R₁的另一端接到电源VCC，MDA另一个输出端通过电阻R₂连接到RCLED的阴极，RCLED的阳极接到VCC。RVC有7个输出，为四个参考电流输出：其中两个参考电流接到IB，一个接到PDA，一个接到MDA；以及三个参考电压输出端：一个参考电压输出V_ldo作为IB和PDA的电源电压，另两个参考电压输出接到TCC的输入端。TCC的输出V_mod接到MDA的一端，另外三个电阻R_s,R_m,R_t端口分别接三个片外电阻。

本发明采用键合的连接技术实现650nm±17nm的混合光电集成发射芯片，可替代现有的塑料光纤通信用的650nm±17nm光发射模块里的RCLED芯片和驱动电路芯片，满足塑料光纤通信100Mbps传输速率要求。

本发明包含标准0.5μm BCD工艺制备的光发射驱动芯片，其中包括0.5μm BCD硅标准集成电路工艺下的光发射驱动电路和采用混合材料的光源RCLED。如图1和2所示。

本发明中采用的光源RCLED可在市面上购买到，其一般结构是多量子阱结构为有源区的谐振腔光发射二极管，如图3。它是垂直发射光器件，拥有两个电极：一个是阳极，位于上表面，也就是出光面，接高电位；一个是阴极，位于下表面，接低电位。

本发明还涉及了光发射驱动电路和光源RCLED混合集成方法。本发明中采用将光源RCLED键合到驱动芯片预留焊盘上的混合集成方法。本发明中的RCLED和驱动电路的混合集成方法是：在驱动电路右侧预留出的一块区域中有一个焊盘7连接到驱动电路的输出端5，将RCLED的阴极端面连到焊盘7上，而RCLED的阳极端面11则采用键合方式连接到驱动电路芯片的焊盘13上，如图1和2所示。

本发明中0.5μm BCD硅集成电路标准工艺下的光发射驱动电路包括输入缓冲器（即为Input Buffer，简写为IB），预驱动放大电路（即为Pre-Drive Amplifier，简写为PDA），一个主驱动放大电路（即为Main Driver Amplifier，简写为MDA），温度补偿电路（即为Temperature Compensation Circuit，简写为TCC），以及参考电压产生电路（即为ReferenceVoltage Generating Circuit，简写为RVGC），如图4所示。

其中，输入缓冲器的作用是将差分输入电压信号偏置在0.6倍的电源电压，以保证有对称、足够宽的输入信号动态范围。输入缓冲器采用源跟随器和一级电阻作负载的差分放大器，以达到输入阻抗匹配的目的。在输入动态范围内，输出应保持稳定，最大的调制电流将由输入缓冲器的偏置电流来决定，即过冲调节电流（即overshoot adjusted current），因此，输出的最大幅度由调制电流和过冲调节电流来决定。如图5所示。

一个预驱动放大电路，如图6所示，其作用是提供足够大的增益，以驱动后级主放大电路中的大尺寸晶体管。预驱动放大电路采用全差分的共源放大器的结构。

一个主驱动放大电路，其作用是将电压信号转换成电流信号，以驱动RCLED发光。主驱动放大电路采用差分结构，负载50ohm，一端输出接负载之后直接接到电源，另一端接负载之后接到RCLED的阴极，RCLED的阳极接到电源。为获得较大的偏置电流和调制电流，主驱动放大电路中的晶体管选择较大尺寸。如图7所示。

一个温度补偿电路，如图8所示，其作用是对随着温度的升高而下降的输出光功率进行补偿，使消光比变化最小。根据RCLED的P-T（输出光功率P和温度T的关系），确定所需补偿的光功率，再由其P-I曲线，获得所需要补偿的电流，最后由电路产生随温度升高而增大的电流以补偿RCLED。

一个参考电压产生电路，其作用是产生上述所有电路中所需要的不随温度和工艺等参数变化的电源电压以及偏置电压。

Claims (5)

1.用于塑料光纤通信的光发射组件，其特征在于设有基底、光发射驱动电路和光源谐振腔光发射二极管；所述光发射驱动电路设在基底上表面左半侧，在光发射驱动电路上的左侧从上至下依次设有左上焊盘、左中焊盘和左下焊盘，在光发射驱动电路上的右侧从上至下设有右上焊盘和右下焊盘，所述左上焊盘和左中焊盘作为信号输入端，左下焊盘作为接地端，右下焊盘为光发射驱动电路的输出端；在基底上表面右侧部分设有预留焊盘，右下焊盘与预留焊盘之间通过导线连接；所述光源谐振腔光发射二极管的阴极端面通过银浆粘在预留焊盘上，光源谐振腔光发射二极管的阳极通过键合线与右上焊盘连接。

2.如权利要求1所述用于塑料光纤通信的光发射组件，其特征在于所述基底采用硅基底。

3.如权利要求1所述用于塑料光纤通信的光发射组件，其特征在于所述导线采用铝线。

4.如权利要求1所述用于塑料光纤通信的光发射组件，其特征在于所述光发射驱动电路设有输入缓冲器、预驱动放大电路、主驱动放大电路、温度补偿电路和参考电压产生电路；所述输入缓冲器的两个输入端分别接两个输入信号端，输入缓冲器的两个输出端接预驱动放大电路的两个输入端，预驱动放大电路的两个输出端接到主驱动放大电路的两个输入端，主驱动放大电路的一个输出端接第1电阻的一端，第1电阻的另一端接电源，主驱动放大电路另一个输出端通过第2电阻连接到光源谐振腔光发射二极管的阴极，光源谐振腔光发射二极管的阳极接电源；参考电压产生电路设有7个输出端，所述7个输出端包括4个参考电流输出端和3个参考电压输出端；4个参考电流输出端中的2个接输入缓冲器，1个接预驱动放大电路，1个接主驱动放大电路；3个参考电压输出端中的1个参考电压输出端作为输入缓冲器和预驱动放大电路的电源电压，另2个参考电压输出端接温度补偿电路的输入端，温度补偿电路的输出端接主驱动放大电路的一端。

5.如权利要求1所述用于塑料光纤通信的光发射组件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用0.5μm BCD标准的硅集成电路工艺在单晶硅基底上左半侧进行生长、氧化、涂胶、曝光、杂质注入、扩散、退火，形成光发射驱动电路，在驱动电路上左侧进行淀积金属铝板形成左上焊盘、左中焊盘和左下焊盘；在驱动电路上右侧进行淀积金属铝板形成右上焊盘和右下焊盘；在基底上右侧部分进行淀积金属铝板形成预留焊盘；

2)在右下焊盘和预留焊盘之间通过淀积金属铝线相连，左上焊盘和左中焊盘是芯片的信号输入端，左下焊盘是接地端，右下焊盘作为驱动电路的输出端；

3)在光发射驱动电路完成后，在预留焊盘上点上银浆，将光源谐振腔光发射二极管的阴极端面粘在焊盘上，并在大气环境中、温度150℃下进行烘烤1h；

4)将光源谐振腔光发射二极管的阳极通过键合线连接到光发射驱动电路的右上焊盘上，得用于塑料光纤通信的光发射组件。