CN106646781B - 高速率光电接收接口及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速率光电接收接口及其制作方法，涉及广电和通讯行业光接收产品的光电耦合应用领域。高速率光电接收接口，包括光探测芯片(20)、光纤纤芯(11)、玻璃毛细管(12)，玻璃毛细管(12)固定在光纤纤芯(11)的末端，光纤纤芯(11)插入玻璃毛细管(12)伸至玻璃毛细管末端，玻璃毛细管末端端头放置在光探测芯片(20)的光敏面上。本发明将侧出口的光斑大小控制与光探测芯片光敏面相适应，与光探测芯片配合可达到高传输速率的要求。

Description

高速率光电接收接口及其制作方法
技术领域
本发明涉及广电和通讯行业光接收产品的光电耦合应用领域。
背景技术
通讯行业光接收部分现有的应用芯片，光敏面直径55～75μm，由于正(N)负(P)极分处于芯片底面和顶面，厚度在155μm左右，结电容达到了0.5pF以上。以康宁光纤为例，ncore＝1.4682、ncladding＝1.4677，实测及分析计算NA在0.11～0.13，输入光纤被水平贴(加一反射斜面)时，其出纤光斑直径在侧出口处约为29μm。而当下光纤与芯片耦合的普遍做法为：光纤被水平贴装通过反射斜面垂直进行耦合到芯片光敏面，传输的速率只能在5Gbps以下。但在通讯行业对于传输高速率的追求下，25Gbps的应用时高速率芯片光敏面通常设计在10～11μm，因应用时光纤的光斑已远大于芯片光敏面，此时只有借助透镜类的光学元件会聚光束，达到应用的基本要求。所以使用的光学镜片精度要求高，加工及装配难度大，造成成本上升。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种便于加工装配的高速率光电接收接口。
本发明的另一目的在于提供一种便于加工装配的高速率光电接收接口的制作方法。
本发明的目的可以这样实现，设计一种高速率光电接收接口，包括光探测芯片、光纤、玻璃毛细管，玻璃毛细管固定在光纤的末端，光纤插入玻璃毛细管伸至玻璃毛细管末端，玻璃毛细管末端端头放置在光探测芯片的光敏面上；
光探测芯片的正、负极设置在芯片顶面，正极与负极呈半隔离结构；光探测芯片固定在基板上；
玻璃毛细管与光纤末端研磨成一反射斜面的光学镜面，斜面的角度为30°～40°；斜面下方出光口部位研磨成一凹台，凹台的台面距离光纤纤芯中心15～25μm，凹台处放置光探测芯片，光纤纤芯中心与光探测芯片的光敏面表面之间的距离在20～30μm之间；在凹台处点一填充胶连接芯片与光纤，填充胶的折射率与光纤包层的折射率范围相同。
进一步地，凹台的台面距离光纤纤芯中心16μm。
进一步地，光探测芯片的光敏面的直径为
本发明的另一目的可以这样实现，设计一种高速率光电接收接口的制作方法，包括以下步骤：
A、准备光电模块基板，基板上设有光探测芯片，光探测芯片采用高速率传送的结构，正、负极设置在芯片顶面，正极与负极呈半隔离结构；
B、准备一玻璃毛细管，玻璃毛细管套在导入光纤的末端，玻璃毛细管内设有粘接剂；
C、粘接剂硬化后，将玻璃毛细管末端端面连同导入光纤磨制一斜面，端面光学镜面研磨成25°～45°；
D、根据光探测芯片光敏面的大小和折射定律，在导入光纤末端出光口部位将玻璃毛细管和导入光纤包层部分研磨去掉缩短光路，以控制射出光斑适合光敏面大小；出光口部位研磨成一凹台，凹台的台面距离光纤纤芯中心15～25μm；
F、将玻璃毛细管固定在光电模块基板上，导入光纤末端出光口部位放置在光探测芯片光敏面上，导入光纤和芯片之间采用光固化胶填充做匹配。
进一步地，斜面的角度θ为30°～40°。
进一步地，光纤纤芯中心与光探测芯片的光敏面表面之间的距离在20～30μm之间。
本发明将侧出口的光斑大小控制与光探测芯片光敏面相适应，与光探测芯片配合可达到高传输速率的要求。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的示意图；
图2是图1的局部放大示意图；
图3是本发明较佳实施例之芯片的示意图；
图4是本发明较佳实施例之光斑距侧出口距离与光斑直径关系曲线图；
图5是本发明较佳实施例的速率与光敏面尺寸关系曲线图；
图6是本发明较佳实施例之光斑的示意图；
图7是本发明较佳实施例的流程示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的描述。
如图1、图2所示，一种高速率光电接收接口，包括光探测芯片20、光纤11、玻璃毛细管12，玻璃毛细管12固定在光纤11的末端，光纤11插入玻璃毛细管12伸至玻璃毛细管末端，玻璃毛细管末端端头放置在光探测芯片20的光敏面上。
如图3所示，光探测芯片20的正负极都放在了芯片顶面以及设计了半隔离结构，正极呈圆环形，负极为包围在正极外部的开口圆弧部分，在光敏面面积相同时，半隔离结构的结电容更小，更适合高速率应用。本实施例中光敏面面积20μm时结电容控制在0.1pF以下，典型值可以做到0.07pF，轻松胜任25Gbps的高速率传输。
如图2所示，玻璃毛细管与光纤末端设置的光学镜面研磨成一反射斜面13，斜面13的角度θ为25°～45°；斜面13下方出光口部位研磨成一凹台15，凹台15的台面距离光纤纤芯中心15～25μm。本实施例中，凹台15的台面距离光纤纤芯中心16μm。凹台15处放置光探测芯片20；在凹台15处点一填充胶41连接芯片与光纤，填充胶41的折射率与光纤包层的折射率范围相同。光纤端面加工成斜面13时，由折射定律(Snell's Law)n1sinθ1＝n2sinθ2以及激光的发散特性可知，如图4所示，射出光线越远，光斑越大。光线从纤芯11出来，经过包层和空气，到达芯片光敏面，光斑将达到29μm，见虚拟光线51，如图2所示。
如图5所示，芯片要达到高速率传输，工作频率相应也要提高，但频率和芯片结电容成反比，频率越高，结电容要越小。但结电容和光敏面是成正比，光敏面越小，结电容就越小。所以当光输入光纤被水平贴装(加一反射斜面)时，未经特殊加工的光纤端头很难做到与高速率芯片的光敏面直接光耦合的要求。由于在光探测芯片光敏面的光耦合光斑的尺寸被合理选择为其光探测芯片光敏面尺寸的85～90％，以保证所接收的光信号几乎全部被光探测芯片光敏面接收。若光耦合光斑的尺寸太大，光能量溢损，光探测芯片灵敏度降低，同时光敏面边缘处的光电转换迟滞效应影响光探测芯片的信号传送速率。若光耦合光斑的尺寸太小，部分高密度光能量穿透光探测芯片的光电转换吸收层而漏损，造成光探测芯片的线性性能失真。因此，要选用最佳光耦合匹配尺寸。
当在光纤末端出光口部位将毛细管和包层部分研磨去掉，减少厚度，缩短了光路，控制了光斑的大小以适合光敏面。由图6可以看到，光斑的直径在16～18μm，光斑基本上全部投射到芯片光敏面上。芯片贴装在电路板30上。本实施例中，芯片20光敏面的直径为20μm，传输速率达到25Gbps。
光纤和芯片之间采用光固化胶41填充做中间介质匹配胶，光固化胶41的折射率接近包层，光线经过时折射角小，利于控制光斑的大小，降低光界面光损耗。
在加工过的光纤末端加一固定玻璃毛细管与高速率光探测芯片(典型光敏面值为20μm)装配时，为保证在光探测芯片光敏面的光耦合光斑的尺寸被合理选择为其光探测芯片光敏面尺寸的85～90％(典型光耦合光斑值为16～18μm)，光纤末端的凹台面距纤芯中心加填充的做中间介质匹配胶的距离L需被控制在至为20～30μm以驱使高速率光探测器处于最佳光耦合匹配。
如图7所示，一种高速率光电接收接口的制作方法，包括以下步骤：
A、准备光电模块基板，基板上设有光探测芯片，光探测芯片采用高速率传送的结构，正、负极设置在芯片顶面，正极与负极呈半隔离结构；
B、准备一玻璃毛细管，玻璃毛细管套在导入光纤的末端，玻璃毛细管内设有粘接剂；
C、粘接剂硬化后，将玻璃毛细管末端端面连同导入光纤磨制一斜面，端面光学镜面研磨成25°～45°；
D、根据光探测芯片光敏面的大小和折射定律，在导入光纤末端出光口部位将玻璃毛细管和导入光纤包层部分研磨去掉缩短光路，以控制射出光斑适合光敏面大小；
E、将玻璃毛细管固定在光电模块基板上，导入光纤末端出光口部位放置在光探测芯片光敏面上，导入光纤和芯片之间采用光固化胶填充做匹配。
较佳地，斜面的角度θ为30°～40°。出光口部位研磨成一凹台，凹台的台面距离光纤纤芯中心15～25μm。光纤纤芯中心与光探测芯片的光敏面表面之间的距离L在20～30μm之间，以驱使高速率光探测芯片处于最佳光耦合匹配。
本发明将侧出口的光斑大小控制与光探测芯片光敏面相适应，与光探测芯片配合可大幅提高传输速率。

Claims (6)

1.一种高速率光电接收接口，其特征在于：包括光探测芯片(20)、光纤纤芯(11)、玻璃毛细管(12)，玻璃毛细管(12)固定在光纤纤芯(11)的末端，光纤纤芯(11)插入玻璃毛细管(12)伸至玻璃毛细管末端，玻璃毛细管末端端头放置在光探测芯片(20)的光敏面上；
光探测芯片(20)的正、负极设置在芯片顶面，正极与负极呈半隔离结构；光探测芯片(20)固定在基板(30)上，
玻璃毛细管与光纤末端研磨成一反射斜面(13)的光学镜面，斜面(13)的角度θ为30°～40°；斜面(13)下方出光口部位研磨成一凹台(15)，凹台(15)的台面距离光纤纤芯中心15～25μm，凹台(15)处放置光探测芯片(20)，光纤纤芯中心与光探测芯片(20)的光敏面表面之间的距离在20～30μm之间；在凹台(15)处点一填充胶(41)连接芯片与光纤，填充胶(41)的折射率与光纤包层的折射率范围相同。
2.根据权利要求1所述的高速率光电接收接口，其特征在于：凹台(15)的台面距离光纤纤芯中心16μm。
3.根据权利要求1所述的高速率光电接收接口，其特征在于：光探测芯片(20)的光敏面的直径为
4.一种高速率光电接收接口的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
A、准备光电模块基板，基板上设有光探测芯片，光探测芯片采用高速率传送的结构，正、负极设置在芯片顶面，正极与负极呈半隔离结构；
B、准备一玻璃毛细管，玻璃毛细管套在导入光纤的末端，玻璃毛细管内设有粘接剂；
C、粘接剂硬化后，将玻璃毛细管末端端面连同导入光纤磨制一斜面，端面光学镜面研磨成25°～45°；
D、根据光探测芯片光敏面的大小和折射定律，在导入光纤末端出光口部位将玻璃毛细管和导入光纤包层部分研磨去掉缩短光路，以控制射出光斑适合光敏面大小；出光口部位研磨成一凹台，凹台的台面距离光纤纤芯中心15～25μm；
E、将玻璃毛细管固定在光电模块基板上，导入光纤末端出光口部位放置在光探测芯片光敏面上，导入光纤和芯片之间采用光固化胶填充做匹配。
5.根据权利要求4所述的高速率光电接收接口的制作方法，其特征在于：斜面的角度θ为30°～40°。
6.根据权利要求4所述的高速率光电接收接口的制作方法，其特征在于：光纤纤芯中心与光探测芯片的光敏面表面之间的距离在20～30μm之间。
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