CN108063638A - 一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光接收器及其制作方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器及其制作方法。本器件可在全温(‑10℃～60℃)条件下稳定接收小功率光信号，并将光信号转换为电流信号；同时在接收到超过APD可承受的最大光功率瞬间、切断光路保护APD芯片，保证器件不被强光以及产生的大脉冲光电流损坏。

Description

一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光接收器及其制作方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器及其制作方法。

背景技术

伴随无源光网络(PON)的大规模建设，光时域反射仪(OTDR)等仪器逐渐开始在PON网络设备的铺设验收以及维护检测过程中大量使用。在光时域反射仪(OTDR)等仪器中，雪崩二极管(APD)是其接收组件内的核心器件，其性能指标对于仪器或模块的性能有直接的影响。

对于OTDR等仪器内使用的光接收组件，为保证仪器能够接收到PON内光纤线路端面反射的小功率的信号，需要选用具有较大光敏面的雪崩光电二极管光(APD)芯片作为接收组件的核心部分来保证仪器要求的接收灵敏度和响应度；APD的灵敏度和响应度直接决定了OTDR等仪器的探测距离和探测信号质量。雪崩光电二极管(APD)是光电接收组件内使用的光电芯片的一种，接收以光作为载体的光信号，并利用半导体材料PN结的光电效应将光信号转换为电流信号，通过接收组件的驱动电路检测电流信号的变化并对信号进行处理。这种接收检测主要用于高速、非接触式、精密检测方面，具有其他方式无法比拟的优势。

但在实际的工程应用中，还有两个问题需要考虑：

1、APD芯片作为一种温度敏感型的元器件，工作特性和温度高度相关。尤其当APD工作在击穿电压附近时，如图4、5所示，APD的V-I曲线十分陡峭，光电流的变化对偏置电压的变化非常敏感。而击穿电压会随着环境温度的变化发生明显改变，因此即使保持APD工作电压不变、且输入光功率保持稳定，也会导致APD光电流发生大幅度的变化。从直观上看，就是光电接收组件的响应度和灵敏度随温度变化发生了明显的改变，导致光电接收组件的探测距离缩短，接收到的信号严重劣化。

2、在某些情况下，网络内的部分设备会突然接收到光强极大的大功率脉冲光信号，冲击接收光信号的APD芯片。此时APD芯片的最佳工作点(倍增光电流减去暗电流再除以初始光电流)很有可能在接近击穿电压的反偏压条件下，处于很高的电流增益区间；一旦接收到大功率光信号就会迅速在APD内部产生极大的光电流，远超APD正常工作所能承受光电流的最大值，并迅速将APD芯片的PN结击穿，造成设备内接收组件的损坏，使设备无法正常工作。

对于第一个问题，目前绝大多数方法是利用APD的驱动电路对APD的工作电压进行补偿。根据APD高低温测试的结果，APD的击穿电压会随环境温度上升而增大，随环境温度的下降而减小。APD驱动电路则按照这个变化规律，在环境温度升高时提高APD的工作电压，在环境温度降低时减小APD 的工作电压，使光电流不发生明显的变化，保持光电接受组件响应度的稳定。但是这个方法存在的问题是其并不能稳定光电接受组件的灵敏度。众所周知，光电接收组件的灵敏度与光电芯片(如：PD、PIN、APD等)的内部噪声水平高度相关，而APD的噪声主要来自芯片内部的暗电流。如图6 所示，暗电流和APD的击穿电压一样随环境温度上升而增大、随环境温度的下降而减小。那么在高温条件下，虽然驱动电路对工作电压进行了补偿，但对暗电流的增大却没有很有效的抑制手段。因此高温时接收信号噪声水平增大，信噪比减小，严重降低了接收组件的灵敏度。

而对于第二个问题，目前主要的解决方法也是在APD的驱动电路上改进，比如监测光电流的大小，一旦检测到超过APD承受能力的最大光电流就迅速减小APD的工作电压甚至将工作电压降为0；或是根据APD在不同温度和不同工作电压下，测得的所能承受的最大光电流的值并制成表格，再将APD实际工作时光电流的实时采样值与表格内的值进行比较，根据比较的结果切换APD的工作电压。但是这样的方法也有一个问题：大强度的光信号本身亦能对APD芯片的光敏面造成损伤。在实际工作时，有极大的可能即使光电流没有超过APD的承受能力，但信号光强却超过了APD的损伤阈值。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器及其制作方法。该接收器及其制作方法在全温(-10℃～60℃)条件下稳定接收小功率光信号，并将光信号转换为电流信号；同时在接收到超过APD可承受的最大光功率瞬间、切断光路保护APD芯片，保证器件不被强光以及产生的大脉冲光电流损坏。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

请先补充其它内容。

因此，本发明具有如下优点：1、在环境温度变化条件下可以同时保持光电接收组件内APD芯片接收的响应度和灵敏度。2、可以同时抑制光电流和光强对APD芯片的损伤。

附图说明

图1为本实施例的光路图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为25℃下APD暗电流与光电流V-I曲线；

图5为低温、常温和高温下APD暗电流V-I曲线；

图6为低温、常温和高温下APD放大倍率M的M-V曲线。

图中，

1 金属化光纤

2 透镜

3 半导体制冷器(SOA)

4 雪崩光电二极管(APD)

5 金属支架

6 陶瓷垫块

7 陶瓷过渡热沉

8 热敏电阻组件

9 金属热沉

10 半导体制冷器(TEC)

41 APD光敏面

42 APD基材

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示的光路结构，输入光信号由金属化光纤通过第一个透镜耦合进入SOA，通过SOA并由第二个透镜准直后进入APD光敏面，使APD接收到光信号。如图2、3所示，整个光路上的元器件都固定在金属热沉上，金属热沉和热敏电阻则焊接在半导体半导体制冷器(TEC)上。驱动电路通过检测热敏电路的阻值变化，为TEC提供变化的驱动电流，通过TEC使热沉上元器件的工作温度始终保持在常温25℃左右。

本实施例的主要原理是：

(1)将光接收组件的整个光路部分置于半导体制冷器(TEC)上,并封装于管壳内。直接控制APD芯片工作的环境温度，使APD始终工作于25℃常温条件下。如此，则驱动电路完全省去电压补偿的一套功能，而要增加一套温控功能。可采用非闭环式的功控算法，控温芯片读取热敏电阻阻值并换算成DA值，根据与事先存入芯片内的DA值表比较后的结构，改变输出的TEC电流值从而达到控温的目的。

(2)在光路中，将APD光敏面前增加一段半导体光放大器(SOA)，作为光开关的功能。当驱动电路检测到光电流或入射光强小于APD在常温25 ℃时可承受的最大值，则给SOA注入驱动电流，使SOA开启并工作于放大状态，使光信号放大并通过SOA进入APD光敏面；当驱动电路检测到光电流或入射光强大于APD在常温25℃时可承受的最大值时，则迅速切断SOA 的注入电流，使SOA处于关闭状态，光信号无法通过SOA进入APD光敏面，从而保护了APD。

本发明的实现方法和制作步骤为：

步骤1：APD芯片组件制作

首先使用显微镜检测APD表面是否有破损、光敏面是否有污染。使用导电胶粘接APD和陶瓷过渡热沉，粘接后烘烤。显微镜目测使用的胶水是否接触背板两侧电极区，确保电极区无胶水。将APD与陶瓷过渡热沉金丝键合，再将“APD-陶瓷过渡热沉”组件用导热胶粘接在金属热沉相应的定位标记上，粘接后烘烤。完成烘烤后显微镜目测APD正负极是否导通，确保正负极没有导通。将热敏电阻组件用导热胶粘接在金属热沉相应位置。

步骤2：SOA芯片组件制作

首先使用显微镜检测SOA表面是否有破损、表面和出光端面是否有污染。使用导电胶粘接SOA和陶瓷过渡热沉，粘接后烘烤。显微镜目测使用的胶水是否接触两侧电极区，确保电极区无胶水。将SOA与陶瓷过渡热沉金丝键合，再将“SOA-陶瓷过渡热沉”组件用导热胶粘接在金属热沉相应的定位标记上；粘接后烘烤。完成烘烤后显微镜目测SOA正负极是否导通，确保正负极没有导通。

步骤3：透镜组件的制作

将2个透镜用导热胶分别粘接在2个陶瓷垫块上，粘接后烘烤。再将2 个透镜组件用导热胶粘接在金属热沉相应的定位标记上；粘接后烘烤。

步骤4：芯片组件、透镜组件和热敏电阻进管壳

半导体制冷器(TEC)焊接在管壳底面，半导体制冷器(TEC)正负极接管壳引脚，若正负引线交叉时要套上绝缘护套。将粘有APD芯片组件、SOA芯片组件以及热敏电阻组件的金属热沉焊接在半导体制冷器(TEC)上表面，目测金属热沉底部焊料/粘接物是否接触到陶瓷过渡热沉电极，确保未接触。

步骤5：管壳内金丝键合

将APD和SOA芯片组件正负极金丝键合至管壳相应引脚；将热敏电阻组件电极分别金丝键合至管壳相应引脚；显微镜目测是否有键合金丝互相接触，确保没有接触。

步骤6：耦合

将器件上耦合夹具，具体为：

a保持电压源偏压为0V；使可调光衰减器(VOA)一端连接光纤组件，一端连接单波长光源。在控温25℃条件下，设置电压源限流值为2mA；逐渐给APD芯片组件加反向偏压，直至暗电流达到10uA，记录此时的击穿电压值Vbr(APD击穿电压Vbr的定义：输入光功率为0时，当APD的暗电流为10uA时的反向偏压值即为击穿电压Vbr)。再将偏压值设定为Vbr-2V，记录此时暗电流的值Id。

b给SOA注入驱动电流，使SOA处于开启状态。

c调节VOA使输出光功率为1uW(-30dBm，防止在耦合调试过程中光功率和光电流过大)，光纤保持水平，光纤端面对准SOA入射端面一侧透镜的中心；微调光纤相对透镜的位置和距离，使APD光电流达到最大值；记录此时的光电流的值Io。

d当输出光电流达到最大值时,用镍支架激光焊固定光纤；此时光电流会有变化，校正光纤位置，使光电流重新接近最大值Io，此时光电流的值相对Io不得超过±5％。将电压源电压归零，保持输入光功率1uW不变，记录此时的初始光电流值Iop。

步骤7：烘烤后校正

a将耦合后的器件烘烤后，重新上耦合夹具；

b保持与耦合时相同的偏压值(Vbr-2V)，输入光功率为0；观察此时的暗电流值是否相对Id变化超过±5％；需确保未超过±5％，超过被判定为不合格。

c光纤接光源，保持与耦合时相同的输入光功率(1uW/-30dBm),校正光电流大小(校正方法一般为轻推镀金光纤前端的镍管)，使其重新达到(或接近)最大值Io，确保未超过±5％；超过则判定不合格。

d将电压源电压归零，保持输入光功率1uW不变，观察此时的初始光电流值是否相对Iop变化超过±5％；需确保未超过±5％，超过被判定为不合格。

步骤8：封盖，使用平行封盖机给管壳封盖。

步骤9：带电老化，给器件加10～100uA的反向电流，在85℃的环境下老化足够时间。

步骤10：终测

a将带电老化后的器件重新上耦合夹具；

b保持与耦合时相同的偏压值(Vbr-2V)，输入光功率为0；观察此时的暗电流值是否相对Id变化超过±5％；需确保未超过±5％，超过被判定为不合格。

c光纤接光源，保持与耦合时相同的输入光功率(1uW/-30dBm),校正光电流大小(校正方法一般为轻推镀金光纤前端的镍管)，使其重新达到(或接近)最大值Io，确保未超过±5％；超过则判定不合格。

d将电压源电压归零，保持输入光功率1uW不变，观察此时的初始光电流值是否相对Iop变化超过±5％；需确保未超过±5％，超过被判定为不合格。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器，包括：光纤和APD组件；其特征在于，还包括：

SOA模块，设置于所述光纤和APD组件之间，用于将光纤信号在SOA模块开启时送至APD光敏面；

驱动电路，用于根据检测到的光纤的入射光强和/或光电流来控制所述SOA模块的开启与关闭。

2.根据权利要求1所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器，其特征在于，

当所述驱动电路检测到光电流和/或入射光强小于APD在常温25℃时可承受的最大值时，则给SOA注入驱动电流，使SOA开启并工作于放大状态；

当所述驱动电路检测到光电流和/或入射光强大于APD在常温25℃时可承受的最大值时，则迅速切断SOA的注入电流，使SOA处于关闭状态。

3.根据权利要求1所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器，其特征在于，还包括一与制冷器相连的金属热沉，所述光纤为通过金属支架设置于所述金属执沉上的金属化光纤；所述SOA模块和APD通过陶瓷过渡热沉设置于金属热沉上。

4.根据权利要求3所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器，其特征在于，所述陶瓷过渡热沉是双面镀金陶瓷过渡热沉。

5.根据权利要求1所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器，其特征在于，所述光纤中的入射光经透镜汇聚至SOA中；所述SOA中的出射光经透镜扩散至APD的光敏面。

6.根据权利要求1所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器的制作方法，其特征在于，包括：APD芯片组件制作步骤，具体为：使用显微镜检测APD表面是否有破损、光敏面是否有污染；使用导电胶粘接APD和陶瓷过渡热沉，粘接后烘烤，显微镜目测使用的胶水是否接触背板两侧电极区，确保电极区无胶水；将APD与陶瓷过渡热沉金丝键合，再将“APD-陶瓷过渡热沉”组件用导热胶粘接在金属热沉相应的定位标记上，粘接后烘烤；完成烘烤后显微镜目测APD正负极是否导通，确保正负极没有导通，将热敏电阻组件用导热胶粘接在金属热沉相应位置。

7.根据权利要求6所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器的制作方法，其特征在于，包括SOA芯片制作步骤，具体为：首先使用显微镜检测SOA表面是否有破损、表面和出光端面是否有污染，使用导电胶粘接SOA和陶瓷过渡热沉，粘接后烘；显微镜目测使用的胶水是否接触两侧电极区，确保电极区无胶水，将SOA与陶瓷过渡热沉金丝键合，再将“SOA-陶瓷过渡热沉”组件用导热胶粘接在金属热沉相应的定位标记上；粘接后烘烤，完成烘烤后显微镜目测SOA正负极是否导通，确保正负极没有导通。

8.根据权利要求6所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器的制作方法，其特征在于，还包括芯片组件管壳制作步骤，具体为：将半导体制冷器TEC焊接在管壳底面，半导体制冷器TEC正负极接管壳引脚，若正负引线交叉时要套上绝缘护套。将粘有APD芯片组件、SOA芯片组件以及热敏电阻组件的金属热沉焊接在半导体制冷器TEC上表面，目测金属热沉底部焊料/粘接物是否接触到陶瓷过渡热沉电极，确保未接触。

9.根据权利要求6所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器的制作方法，其特征在于，包括光纤耦合步骤，具体为保持2400源表偏压为0V；使可调光衰减器一端连接光纤组件，一端连接单波长光源，在控温25℃条件下，设置2400限流值为2mA；逐渐给APD芯片组件加反向偏压，直至暗电流达到10uA，记录此时的击穿电压值Vbr；将偏压值设定为Vbr-2V，记录此时暗电流的值；调节VOA使输出光功率为1uW，光纤端面对准APD光敏面；微调光纤的相对光敏面的位置和距离，使光电流达到最大值，记录此时光电流值；当输出光电流达到最大值时,用镍支架激光焊固定光纤；此时光电流会有变化，校正光纤位置，使光电流重新接近最大值，记录此时光电流值；将2400电压归零，保持输入光功率1uW不变，记录此时的初始光电流值。

10.根据权利要求6所述的一种带光路保护功能的高灵敏度光接收器的制作方法，其特征在于，还包括烘烤后校正步骤，具体为：将耦合后的器件烘烤后，重新上耦合夹具；保持与耦合时相同的偏压值(Vbr-2V)，输入光功率为0；观察此时的暗电流值是否相对Id变化超过±5％；需确保未超过±5％，超过被判定为不合格；光纤接光源，保持与耦合时相同的输入光功率(1uW/-30dBm),校正光电流大小(校正方法一般为轻推镀金光纤前端的镍管)，使其重新达到(或接近)最大值Io，确保未超过±5％；超过则判定不合格；将电压源电压归零，保持输入光功率1uW不变，观察此时的初始光电流值是否相对Iop变化超过±5％；需确保未超过±5％，超过被判定为不合格。