CN107015318B - 光接收器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光接收器组件，该光接收器组件从波长多路复用光信号中恢复信号。光接收器组件包括：光电二极管(PD)，其以一节距排列成阵列；放大器，其集成有均与PD对应的跨阻放大器(TIA)；以及辅安装件，其安装有PD。辅安装件设置有金属图案，PD利用倒装式芯片键合法安装在金属图案上。金属图案在保持其特性阻抗彼此大致相等的同时补偿阵列PD的节距与放大器中的TIA的另一节距之差。

Description

光接收器组件
技术领域
本发明涉及一种光接收器组件，具体而言，本发明涉及接收波长多路复用光信号并使构成该波长多路复用光信号的光信号中所含的数据恢复的光接收器组件。
背景技术
光通信系统中的最新发展要求内部安装有例如光收发器、光发射器组件和/或光接收器组件的装置可应用于40Gbps、100Gbps或更高的传输速度。这种高速系统常常应用波长多路复用光信号。日本已公开专利申请No.2009-198958公开了利用排列成阵列的若干个光电二极管(PD)来接收波长多路复用光信号的光接收器组件。
当光接收器组件安装有排列成阵列的若干个PD以及放大由各个PD产生的微弱信号的放大器时，光接收器组件有时因PD与放大器之间的物理长度之差而造成从光接收器组件输出的电信号之间的偏移(skew)。本发明的光接收器组件能够基本无偏移地输出从如下光信号转换的各电信号：该光信号构成所接收的波长多路复用光信号。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种光接收器组件。光接收器组件接收将波长彼此不相同的光信号多路复用的波长多路复用光信号，并恢复所述光信号中所含的数据。所述光接收器组件包括：光电二极管、放大器和辅安装件。光电二极管接收光信号并产生电信号。放大器对应于所述光电二极管设置，放大电信号并输出数据。辅安装件设置有将所述光电二极管与所述放大器电连接起来的多个金属图案。所述光电二极管以倒装式芯片构造安装在所述多个金属图案的相应端部；而所述多个金属图案的相应另一侧端部引线键合至所述放大器；所述多个金属图案的相应的所述端部具有第一节距而相应的所述另一侧端部具有与所述第一节距不同的第二节距。光接收器组件的特征在于，所述多个金属图案的一者具有从所述端部至所述另一侧端部的第一长度，而所述多个金属图案的另一者具有从所述端部至所述另一侧端部的比所述第一长度长的第二长度，其中，所述多个金属图案的所述一者的特性阻抗与所述多个金属图案的所述另一者的特性阻抗大致相等。
附图说明
参考附图并阅读本发明的优选实施例的以下详细描述将能够更好地理解上述和其它目的、方面和优点，其中：
图1是根据本申请的实施例的光接收器组件的透视图；
图2示出了图1所示的光接收器组件的侧剖图；
图3是示出了安装在光接收器组件中的阵列透镜和光电二极管的透视图；
图4示意性地示出了本发明的光接收器组件的光耦合系统；
图5A至图5C示出了安装有PD的辅安装件的细节；
图6A是安装有辅安装件以及集成有跨阻放大器的放大器的基座的透视图，图6B示出了基座的外观；以及
图7A和图7B示出了根据本发明的第二实施例的另一个辅安装件。
具体实施方式
接下来，将参考附图对根据本发明的实施例进行描述。此外，本发明并不限于实施例，而是涉及在权利要求书中明确限定的实施例，而且涵盖落入权利要求及其等同内容的范围内的所做的所有改变和变型。在实施例的描述中，将用彼此相同或相似的附图标记来表示彼此相同或相似的部件，而不做重复说明。
第一实施例
图1是根据本申请的第一实施例的光接收器组件的透视图，其中，图1移走了盖件的一部分以示出光接收器组件10的内部，而图2示出了光接收器组件10的侧剖图。
图1和图2所示的光接收器组件10接收将分别具有彼此不同的特定波长的光信号多路复用的波长多路复用光信号，并恢复该光信号中所含的信息。光接收器组件10设置有：耦合单元11，其与外部单模光纤(图中未示出)耦合；以及封装件12，其内部封装有光学器件和电气器件。封装件12的后端设置有用于与外部通信的端子13。耦合单元11包括套筒14、保持部16、对准部件15和覆盖部(下文也称之为“套筒覆盖部”)17。套筒14收纳外部连接器，外部连接器附接在外部单模光纤的端部中。保持部16是用于将光耦合单元11固定至封装件12的部件。对准部件15使套筒14(确切的说，被置于套筒14中的外部单模光纤)与封装件12(确切的说，被封闭在封装件12中的光学器件)光学对准。以下描述假设：“向前”和/或“前方”的方向与相对于封装件12而言设置有耦合单元11的一侧对应，而“向后”和/或“后方”的另一方向对应于设置有端子13的一侧。然而，这些方向的限制仅是出于说明的目的，而不影响本发明的范围。
具有盒形形状的封装件12包括框架20、底部21和盖件22。框架20、底部21和盖件22这些部件可以形成空腔，该空腔内封装有光学器件和电气器件。参考图2，以下说明书还假设：方向“上”和/或“向上”与相对于框架20而言设置有盖件22的一侧对应，而另一方向“下”和/或“向下”与相对于框架20而言设置有底部21的方向对应。然而，这些限制也不会影响本发明的范围。框架20的前壁20a设置有衬套23，衬套23具有由铜钼合金(CuMo)和/或铜钨合金(CuW)制成的筒状。盖件22被固定至框架20的顶部，以气密地密封空腔。与框架20的后壁20b组装起来的端子13可以由多层陶瓷制成，这里，多层陶瓷中的一层设置有从空腔内部延伸至外部的互联部。互联部包括：信号线，其传输高频信号；以及电力线，其将电力输送到空腔中。
耦合单元11中的套筒14、对准部件15和保持部16具有相应的筒状。如图2所示，在保持部16借助于对准部件15固定套筒14的情况下，保持部16借助于衬套23被固定至框架20中的前壁20a。对准部件15使套筒14(确切的说，被置于套筒14中的外部光纤)与安装在框架20中的光学器件光学对准。具体地说，可以通过调节对准部件15与保持部16之间的重叠长度来执行沿着耦合单元11的光轴的光学对准。另一方面，可以通过使包括套筒14的部件在对准部件15的表面15a上滑动来进行在与耦合单元11的光轴垂直的平面中的光学对准。设置在对准部件15上游的部件除了包括套筒14之外还包括短插芯18、套筒覆盖部17和另一个衬套19，短插芯18中心具有耦合光纤18a。套筒14的根部固定短插芯18的顶部，而套筒14的前部收纳外部连接器，确切的说，收纳被固定在置于外部连接器中的外部光纤的顶端中的插芯。衬套19保持短插芯18的根部，并且衬套19的前部被按压装配到套筒14与套筒覆盖部17之间。换句话说，套筒14的根部被按压装配到短插芯18的前部与衬套19的前部之间。耦合单元11的由此布置的前部可以可靠地收纳外部连接器的插芯，并且被保持在插芯中心的外部光纤可以与短插芯18中心的耦合光纤18a光耦合，以在外部光纤与耦合光纤18a之间形成物理接触(PC)。对准部件15可以使耦合光纤18a的面向透镜16a的另一端与封装件12的空腔中的光学器件光学对准。从耦合光纤18a的端部输出的波长多路复用光信号被保持部16中的透镜16a准直，并经由被保持在衬套23中的窗口23a进入到空腔中。
安装在空腔中的光学器件为光解复用器26、反射镜27、阵列透镜28和光电二极管(PD)29。光解复用器26根据光信号的波长将进入光接收器组件10的波长多路复用光信号解复用成光信号。反射镜27把被光解复用器26解复用的光信号朝置于反射镜27下方的阵列透镜28反射。在本光接收器组件10中，光解复用器26和反射镜27被安装在承载架25上以面向封装件21的下部。也就是说，光解复用器26和反射镜27被安装在承载架25的背面上。
参考图3，阵列透镜28包括多个透镜元件28a，并借助于一对支柱来组装在安装有PD 29的辅安装件(sub-mount)30上，这一对支柱被置于PD 29阵列的两侧和辅安装件30上。支柱(图中未示出)可以调节阵列透镜28与PD 29之间的距离。图3省略了一对支柱的细节。
如图3所示，阵列透镜28使四个透镜元件28a一体形成在主体28b上，主体28b由大体上可透射某些波长光信号的材料制成。主体28b和透镜元件28a可以由石英玻璃制成。PD29被组装为阵列以经由主体28b面向透镜元件28a。PD 29接收被反射镜27反射且被透镜元件28a会聚的光信号。本实施例的PD 29是所谓的背光照明的类型，其中，光进入到基板的背面，PD 29的主要结构形成在基板的顶面上。也就是说，PD 29的基板的顶面设置有光敏半导体层和电极，通过该电极提取出电信号；而背面接收达到顶面中的光敏半导体层且同时穿过基板的光。因此，PD 29设置有可用作会聚透镜的凸面29a。
辅安装件30的安装有PD 29的顶面设置有金属图案30a和30b。也就是说，PD 29的顶面背对辅安装件30，使得顶面上的电极被锡焊至辅安装件30上的金属图案，这构成所谓的倒装式芯片(flip-chip)构造。
返回参考图2，光接收器组件10安装有位于承载架25的背面上的光解复用器26和反射镜27，使得光解复用器26和反射镜27面向框架20的底部21。此外，反射镜27、阵列透镜28和PD 29在承载架25下方沿竖直方向间隔开地布置。光学器件26至29的该布置可以形成足够用于安装例如跨阻放大器TIA 32等电气器件的空间，TIA 32用于放大由框架20的空腔中的PD 29产生的微弱信号。
图4示意性地示出了光解复用器26的功能。本实施例的光解复用器26设置有位于主体26c两侧的反射镜26a和波长选择滤波器(WSF)26b，主体26c由大体上可透射某些波长光信号的材料制成。光解复用器26在与经过窗口23a的波长多路复用光信号的光轴成显著角度的同时被安装在承载架25的中间；而反射镜27可以为具有三角形横截面的棱镜反射镜，并被安装在承载架25的后端中。棱镜反射镜的作为反射侧的斜面面向光解复用器26和阵列透镜28。
光解复用器26的WSF 26b具有彼此不同的截止频率，其中，每个WSF 26b均可以由多层介电膜制成。将波长为λ1至λ4的光信号多路复用的波长多路复用光信号进入第一WSF26，第一WSF 26透射具有波长λ1的光信号但反射具有波长λ2至λ4的其他光信号。反射光信号在被反射镜26a反射之后进入第二WSF 26b。第二WSF 26b透射具有波长λ2的光信号但反射其余光信号。反复进行反射镜26a的反射和WSF 26b的透射/反射的光学功能，使得光解复用器26可以输出具有波长为λ1至λ4的各光信号，而与光信号彼此沿横向偏移的位置无关。由此被光解复用器26解复用的光信号在被反射镜27向下反射且被透镜元件28a和一体形成在PD29的背面上的凸面29a会聚之后进入PD 29。
本实施例的光接收器组件10以辅安装件30的构造为一个特征。图5A至图5C是本实施例的辅安装件30的俯视图、侧视图和透视图。
可以由氮化铝(AlN)制成的本实施例的辅安装件30设置有：金属图案30b，其直接连接至PD 29的阳极；以及另一金属图案30a，其直接连接至PD 29的阴极，并包围各金属图案30b。因此，PD 29的相应一端以倒装式芯片构造被安装在金属图案30a和30b上。辅安装件30的整个背面还设置有接地图案30c，该背面包括凹陷部分30d。
金属图案30b设置有位于辅安装件30的后端中的焊盘30b1，在该后端中，焊盘30b1直接连接至TIA 32的信号输入端子。金属图案30a也设置有位于基板30的后端中的焊盘30a1。焊盘30a1将信号焊盘30b1夹在中间，并连接至TIA 32的偏压端子，这里，偏压端子向PD的各个阴极提供偏压。
本实施例的光接收器组件10设置有若干个PD 29，在本实施例中四个PD 29沿着框架20的横向以恒定节距P1排列成阵列，这里，节距P1不同于信号焊盘30b1之间的节距P2，该节距P2由TIA 32的信号输入端子的节距确定。另一方面，用于阵列PD 29的节距P1可以主要由光解复用器26的功能(即，光解复用器26的光输入端口的法线与进入到该光输入端口中的波长多路复用光信号的光轴之间的角度)决定。随着光解复用器26的该倾角增大，PD 29之间的节距P1变大。然而，光解复用器26的增大的倾角使光解复用器26的波长解复用功能劣化。另一方面，减小焊盘30b1之间的节距P2，使得与焊盘30b1的引线键合以及与阴极焊盘30a1的引线键合变得不可能。因此，焊盘30b1的最小节距不可避免地比阵列PD 29之间的节距P1大。
在辅安装件30的表面上实现的金属图案30a和30b可以补偿节距P1和P2之差。也就是说，金属图案30a和30b以倒装式芯片构造设置PD 29且具有节距P1，而与TIA 32引线键合的焊盘30a1和30b1具有比节距P1宽的节距P2。由于对上述节距之差的这种补偿，设置在辅安装件30的各外侧的金属图案30b被迫形成为比内侧的金属图案30b长。
此外，位于外侧的金属图案30b的宽度W2比内侧阳极图案30b的宽度W1宽。本实施例的辅安装件30的背面设置有凹陷部30d，即，辅安装件30的内侧厚度T1小于外侧厚度T2。与布置在内侧的PD 29对应的金属图案30a和30b与凹陷部分30d重叠，即，这些金属图案30a和30b形成在辅安装件30的具有较小厚度T1的部分中；而与布置在外侧的PD 29对应的金属图案30a和30b形成在辅安装件30的具有较大厚度T2的其他部分上。
如上所述，金属图案30b的位于各外侧的部分不可避免地形成为更长，以补偿PD29与TIA 32中的信号焊盘之间的节距之差，这意味着与位于内侧的金属图案30b相比位于外侧的金属图案30b造成更大的传输损耗。使位于外侧的金属图案30b变宽，可以抑制传输损耗或使外侧图案的传输损耗变为与内侧图案的传输损耗相当。变宽的金属图案30b可能改变其特性阻抗，具体而言，变宽的金属图案30b可能使特性阻抗下降。为了补偿特性阻抗的减小，辅安装件30的外侧的厚度T2大于内侧的厚度T1。本实施例的辅安装件30将内侧图案和外侧图案这两者中的金属图案30b的传输阻抗设定为约100Ω。因此，位于内侧和外侧的金属图案30b的特性阻抗彼此大致相等；因此，金属图案30b不会造成在金属图案30b上传送的电信号之间的偏移。换句话说，本实施例的辅安装件30可以补偿阵列PD 29的节距之差以及TIA 32中的信号焊盘的节距之差，而不会因使金属图案30b变宽且使辅安装件30变厚而造成信号之间的偏移，从而使金属图案30b之间的特性阻抗相匹配。
图6A是安装有辅安装件30和TIA 32的基座31的透视图，而图6B示出了基座31的外观。
基座31设置有阶梯部分31a，阶梯部分31a的形状符合辅安装件30的凹陷部分30d的形状。也就是说，基座31的阶梯部分31a与辅安装件30的凹陷部分30d配合。当基座31没有阶梯部分31a时，基座31在辅安装件30的凹陷部分30d中形成间隙，并且键合引线变得难以键合至焊盘30a1和30b1。此外，间隙会吸收超声波键合期间的超声波或增大热压键合的热阻。辅安装件30中的凹陷部分30d以及基座31中的阶梯部分31a的构造可以防止在辅安装件30与基座31之间形成间隙，并且可以对焊盘30a1和30b1进行引线键合。通过在辅安装件30与基座31之间放置导电树脂来将辅安装件30安装在基座31上，这将辅安装件30的背面30c上的接地图案可靠地连接至由金属制成的基座31。
基座31还提供安装有TIA 32的表面。在将TIA 32安装在基座31的安装部分31b上时，TIA 32的顶面32a的水平优选地与同样被安装在基座31上的辅安装件30的顶面30e的水平大致相同。也就是说，TIA 32的从基座31的底面起测量出的顶部水平可以与被安装在基座31上的辅安装件30的顶部水平30e对齐，这可以缩短将辅安装件30上的焊盘30b1与TIA32上的信号焊盘连接的键合引线32b的长度。此外，TIA 32的顶部水平32a在被安装在基座31上时优选地与图1所示的端子13的水平对齐，这也可以缩短将TIA 32上的焊盘连接至端子13的键合引线的长度。
本实施例的辅安装件30优选地由氮化铝(AlN)制成，且背面金属由钛和金(Ti/Au)或钛、铂和金(Ti/PT/Au)的多层金属制成。阵列PD 29的节距P1被设定为约0.5mm，而TIA 32中的信号焊盘的节距P2被设定为约0.75mm。位于外侧的金属图案30b的长度为0.5mm，位于内侧的金属图案30b的长度为约0.3mm；此外，位于外侧的金属图案30b的宽度W2为60μm，而位于内侧的金属图案30b的宽度W1为20μm。凹陷部分30d的背面的宽度P3为1.2mm，而两个厚度T1和T2分别为0.2mm和0.5mm。由此构成的金属图案30b可以具有彼此大致相等的特性阻抗，且不会造成信号之间的偏移。
基座31可以由铜钨合金(CuW)或铜钼合金(CuMo)制成，且与辅安装件30的外侧对应的高度T11为0.4mm，而与辅安装件30的凹陷部分30d对应的另一高度T12为0.7mm。由此构成的基座31使辅安装件30的顶面30e自基座31的底面起测量出具有0.9mm的高度，且不与辅安装件30形成任何间隙。
本实施例的基座31具有阶梯部分31a，如图6B所示，阶梯部分31a物理地连续至安装部分31b。然而，基座31可以设置有位于阶梯部分31a与安装部分31b之间的沟槽，以便提高对基座31的处理精度。
(第二实施例)
图7A是根据本发明的第二实施例的辅安装件30A的透视图，而图7B示出了辅安装件30A的截面。辅安装件30A的顶面30e的构造与图5A所示的第一实施例的辅安装件30的顶面30e的构造相同，但背面没有设置凹陷部分30d。也就是说，顶面30e设置有用于阵列PD 29的阳极和阴极的金属图案30a和30b，该金属图案30a和30b补偿阵列PD 29的节距P1与TIA32上的信号焊盘的节距P2之差。
替代第一实施例中的凹陷部分30d，辅安装件30A设置有位于与阵列PD 29的内侧对应的部分中的若干个接地层(也称为“接地金属”)30bA和30dA。也就是说，本实施例的辅安装件30A可以由多层陶瓷制成，其中，每个陶瓷层设置有位于与阵列PD 29的内侧对应的部分中的接地金属30bA和30dA。第一陶瓷层中的接地金属30bA经由通孔金属30cA连接至第二金属30dA，而第二金属30dA经由其他通孔金属30eA连接至背面金属30aA，背面金属30aA为在辅安装件30A的整个背面中延伸的接地图案。
由此构成的辅安装件30A的内侧和外侧相当于设置有厚度T21和T22，其中，厚度T21对应于第一陶瓷层的厚度，而厚度T22对应于多层陶瓷的总厚度。因此，辅安装件30A可以相当于实现了具有凹陷部分30d的辅安装件30的构造。可以借助于辅安装件30A的厚度T21和T22之差来补偿阵列PD 29的节距P1与TIA 32的信号焊盘的节距P2之差，这意味着与设置在内侧的金属图案30b相比位于外侧的金属图案30b具有增大的宽度，尽管位于外侧的金属图案30b不可避免地具有延长的长度。此外，位于外侧的金属图案30b因增大的厚度T22而具有与内侧的金属图案30b的特性阻抗相当的特性阻抗。因此，即使辅安装件30也不会造成阵列PD 29与TIA 32之间的电信号的偏移。此外，第二实施例的辅安装件30A可以省略基座31中的阶梯部分31a，这可以简化基座31的构造。
尽管参考附图结合本发明的优选实施例对本发明进行了充分地描述，但应该理解的是，各种变化和修改对本领域的技术人员来说可以是显而易见的。这种改变和变型应理解为被包括在本发明的由所附权利要求书限定的范围内，只要它们不背离所附权利要求书限定的范围即可。
本申请要求2016年1月26日提交的日本专利申请No.2016-012467的优先权，该申请通过引用并入本文。

Claims (10)

1.一种光接收器组件，其接收将波长彼此不相同的光信号多路复用的波长多路复用光信号，并恢复所述光信号中所含的数据，所述光接收器组件包括：
光电二极管，其接收光信号并产生电信号；
放大器，其对应于所述光电二极管，所述放大器放大电信号并输出数据；以及
辅安装件，其设置有将所述光电二极管与所述放大器电连接起来的多个金属图案，所述光电二极管以倒装式芯片构造安装在所述多个金属图案的相应的端部，而所述多个金属图案的相应的另一侧端部引线键合至所述放大器，所述多个金属图案的相应的所述端部具有第一节距而相应的所述另一侧端部具有大于所述第一节距的第二节距，所述多个金属图案包括第一金属图案和第二金属图案，所述第一金属图案包围所述第二金属图案，
其中，所述辅安装件沿着横向具有内部和外部，所述内部设置有内侧的第一金属图案和内侧的第二金属图案，并且所述外部设置有外侧的第一金属图案和外侧的第二金属图案，
所述内侧的第二金属图案具有从所述端部至所述另一侧端部的第一长度，而所述外侧的第二金属图案具有从所述端部至所述另一侧端部的比所述第一长度长的第二长度，
所述内侧的第二金属图案的特性阻抗与所述外侧的第二金属图案的特性阻抗大致相等，并且
所述内侧的第二金属图案的宽度比所述外侧的第二金属图案的宽度窄。
2.根据权利要求1所述的光接收器组件，
其中，所述光接收器组件包括具有纵轴线和横轴线的盒形封装件，
所述光电二极管、所述放大器以及所述多个金属图案均沿着所述盒形封装件的横向排列成各阵列，并且
所述内部具有厚度，并且所述外部具有比所述内部的所述厚度厚的厚度。
3.根据权利要求2所述的光接收器组件，还设置有：
基座，所述辅安装件和所述放大器安装在所述基座上，
其中，所述基座设置有：阶梯部分，所述阶梯部分与所述辅安装件的所述内部相配合；以及安装部分，所述放大器安装在所述安装部分上。
4.根据权利要求3所述的光接收器组件，
其中，所述基座设置有位于所述阶梯部分与所述安装部分之间的沟槽。
5.根据权利要求3所述的光接收器组件，
其中，所述安装部分的厚度大于所述阶梯部分的厚度，所述放大器的顶部水平与所述辅安装件的顶面水平大致相同。
6.根据权利要求1所述的光接收器组件，
其中，所述光接收器组件包括具有纵轴线和横轴线的盒形封装件，
所述光电二极管、所述放大器以及所述多个金属图案均沿着所述盒形封装件的横向排列成各阵列，
所述内部具有包括第一接地金属和第二接地金属的内侧金属层，并且所述外部不具有内侧金属层而是具有背面金属层，所述背面金属层经由通孔金属电连接至所述第二接地金属，并且
所述内侧的第二金属图案至所述第一接地金属的距离比所述外侧的第二金属图案与所述外部中的所述背面金属层之间的距离小。
7.根据权利要求6所述的光接收器组件，
其中，所述辅安装件由多层陶瓷制成，所述多层陶瓷至少包括第一陶瓷层和第二陶瓷层，所述第一陶瓷层提供所述辅安装件的顶面，并且所述第一陶瓷层的背面设置有所述内侧金属层，而所述第二陶瓷层设置有所述背面金属层。
8.根据权利要求6所述的光接收器组件，还包括：
基座，其具有安装部分，所述辅安装件和所述放大器安装在所述安装部分上，
其中，所述放大器的顶部水平与所述辅安装件的顶面水平大致相同。
9.根据权利要求1所述的光接收器组件，还包括：
阵列透镜，其包括透镜元件，
其中，所述阵列透镜被安装在所述辅安装件上，所述透镜元件以上下布置的方式面向所述光电二极管。
10.根据权利要求9所述的光接收器组件，
其中，所述光电二极管具有面向所述透镜元件的凸面。
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