CN108919434A - 一种光接收器件 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光接收器件，包括输入光纤、波导芯片和若干个PD芯片；其中，每一PD芯片的光敏面上方刻蚀有透镜；输入光纤的耦合端口与波导芯片的输入端面耦合粘接，若干个PD芯片位于波导芯片的输出端面下方，任一PD芯片的透镜用于对波导芯片的输出端面发出的光信号进行汇聚并照射在任一PD芯片的光敏面上。本发明实施例提供的一种光接收器件，通过应用刻蚀有透镜的PD芯片来扩大PD芯片有源区的面积，从而解决高速状态下PD芯片光敏面减小导致的耦合困难的问题，为实现满足更高传输速率的光接收器件提供了思路，为实现光接收器件的无源耦合创造了条件。

Description

一种光接收器件

技术领域

本发明实施例涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光接收器件。

背景技术

随着光通信领域的蓬勃发展，很多中长距离的产品都要求满足更高速率的并行传输方式。目前商用化的25GX4的模块才逐渐进入量产，市场的需求又指向了400G等速率要求更高的模块，而在16年13家公司联合成立了QSFP-DD MSA，QSFP-DD在QSFP28同样宽、高(长度未定的情况下)旨在打造一款密度翻倍的模块，模块的小型化封装对器件提出了更为严格的挑战。QSFP-DD模块采用的4通道光路，PAM4的调制格式。

从光接收器件的角度来说，直接在4光路的每路从25G波特率提升至50G波特率是一件非常困难的事。通常情况下PD芯片速率越高，带宽越宽，芯片的接收光敏面则越小。在25G调制速率下，PD芯片的光敏面做到了20um,在56G体质速率下正入射激光器的光敏面仅做到16um，为了获得更高的带宽，PD芯片的光敏面会做的更小，带宽达到40G时的PD芯片光敏面仅为12um。

因而，对于PD芯片而言，速率越高，光敏面越小，而越来越小的光敏面设计要求给光路耦合带来了很大的困难。

发明内容

本发明实施例提供一种光接收器件，用以解决现有的速率提高导致PD芯片光敏面减小引起的光路耦合困难的问题。

本发明实施例提供一种光接收器件，包括输入光纤、波导芯片和若干个PD芯片；其中，每一PD芯片的光敏面上方刻蚀有透镜；

输入光纤的耦合端口与波导芯片的输入端面耦合粘接，若干个PD芯片位于波导芯片的输出端面下方，任一PD芯片的透镜用于对波导芯片的输出端面发出的光信号进行汇聚并照射在任一PD芯片的光敏面上。

本发明实施例提供的一种光接收器件，通过应用刻蚀有透镜的PD芯片来扩大PD芯片有源区的面积，从而解决高速状态下PD芯片光敏面减小导致的耦合困难的问题，为实现满足更高传输速率的光接收器件提供了思路，为实现光接收器件的无源耦合创造了条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种光接收器件的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种PD过渡块的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种光接收器件的结构示意图；

图4为本发明实施例的一种光接收器件的结构示意图；

附图标记说明：

101-输入光纤； 102-波导芯片； 103-PD芯片；

104-透镜； 201-地隔离区域； 202-信号线；

203-通孔； 204-焊料区； 205-标记点；

301-PD过渡块； 302-跨阻放大器； 303-跨阻放大器过渡块；

304-热沉； 305-垫块； 306-插针。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

从光接收器件的角度来说，直接光路的每路从25G波特率提升至50G波特率是一件非常困难的事，对于PD芯片而言，速率越高，光敏面就越小，较小的有源区面积给耦合带来了很大的难度。针对上述问题，图1为本发明实施例的一种光接收器件的结构示意图，如图1所示，一种光接收器件，包括输入光纤101、波导芯片102和若干个PD芯片103；其中，每一PD芯片103的光敏面上方刻蚀有透镜104；输入光纤101的耦合端口与波导芯片102的输入端面耦合粘接，若干个PD芯片103位于波导芯片102的输出端面下方，任一PD芯片103的透镜104用于对波导芯片102的输出端面发出的光信号进行汇聚并照射在该PD芯片103的光敏面上。

其中，输入光纤101为光信号进入光接收器件的通道。波导芯片102即平面光波导集成波分复用芯片，能够在芯片级上波长的复用与解复用，应用波导芯片102代替空间光学滤光片，能够有效避免繁杂的空间光学装配，大大提高封装效率，增加光路可靠性与稳定性，同时平面光波导集成波分复用芯片的输出端面能够被方便地加工成各种特定形状，大大增加了光接收器件光路设计的灵活性。PD芯片103即光探测器芯片，用于将照射在光感面上的光信号转换为电信号。此处，光接收器件中PD芯片103的数量可以根据实际应用场景与应用需求确定，本发明实施例对此不作具体限定。每一PD芯片103对准波导芯片102输出端面的一个输出波导，以确保输出波导发射的光信号能够透过对应的PD芯片103的透镜104并照射在对应的PD芯片103的光敏面上。

首先信号光通过输入光纤101输入至波导芯片102的输入端面，随后经由波导芯片102从波导芯片102的输出端面发出，以波导芯片102输出端面的一个输出波导及其对应的PD芯片103为例，任一输出波导发出的信号光照射在对应的PD芯片103光敏面上面刻蚀的透镜104上，通过透镜104过信号光进行汇聚，从而起到扩束的作用，透镜104将汇聚后的信号光照射在该PD芯片103的光敏面上，PD芯片103产生对应的电信号。

本发明实施例中，通过应用刻蚀有透镜104的PD芯片103来扩大PD芯片103有源区的面积，从而解决高速状态下PD芯片103光敏面减小导致的耦合困难的问题，为实现满足更高传输速率的光接收器件提供了思路，为实现光接收器件的无源耦合创造了条件。

基于上述实施例，一种光接收器件，还包括垫块，垫块与波导芯片102粘接，垫块用于调整波导芯片102与若干个PD芯片103之间的距离。

具体地，为了实现波导芯片102与PD芯片103之间的无源耦合，需要保证波导芯片102的输出端面与PD芯片103之间的垂直距离稳定为预设垂直距离，此处的预设垂直距离是通过模拟仿真设计得到的波导芯片102的输出端面与PD芯片103之间能够实现无源耦合的最佳距离。本发明实施例中，通过垫块来支撑波导芯片102，使得波导芯片102的输出端面与PD芯片103之间的距离为预设垂直距离。需要说明的是，本发明实施例不对垫块的数量以及垫块设置的位置作具体限定。

本发明实施例中，设置垫片精确控制波导芯片102与PD芯片103之间的距离，能够实现PD芯片103与波导芯片102在垂直方向上的无源对准，有助于实现PD芯片103与波导芯片102之间的无源耦合，提高光接收器件的生产效率，增强可批量生成性。

基于上述任一实施例，图2为本发明实施例的一种PD过渡块的结构示意图，如图2所示，一种光接收器件，还包括PD过渡块，每一PD芯片103装设在PD过渡块上；PD过渡块上设置有对应每一PD芯片103的标记点205，标记点205用于指示对应PD芯片103的安装位置。

具体地，为了实现波导芯片102与PD芯片103之间的无源耦合，需要保证波导芯片102输出端面的每一输出波导与对应的PD芯片103能够实现在前后左右方向上的对准。为了实现前后左右方向上的对准，将PD芯片103装设在设置有标记点205的PD过渡块301上。以任一PD芯片103为例，对应地在PD过渡块上设置有对准该PD芯片103对应的波导芯片102输出波导位置的PD芯片103安装位置，并且通过标记点205对该PD芯片103的安装位置进行指示。基于对应该PD芯片103安装位置的标记点205，以及高精度图像对准系统将PD芯片103安装在PD过渡块上对应的安装位置，能够保证装设在PD过渡块上的PD芯片103在前后左右方向与对应的输出波导对准。

本发明实施例中，基于PD过渡块上设置的标记点205，能够实现PD芯片103与波导芯片102在前后左右方向上的无源对准，有助于实现PD芯片103与波导芯片102之间的无源耦合，提高光接收器件的生产效率，增强可批量生成性。

基于上述任一实施例，参考图2，一种光接收器件，所述PD过渡块上设置有对应每一所述PD芯片103的焊料区204，任一所述PD芯片103通过共晶焊的方式与所述PD过渡块上对应的焊料区204粘接，以背入射的方式倒装在所述PD过渡块上。

具体地，针对PD芯片103的带有刻蚀透镜104的特殊结构，并不适用于常规的正面导电银胶粘接工艺，本发明实施例中，对PD芯片103进行倒装贴装，有两种技术，第一种是在PD芯片103背面植球，通过热压方式实现PD芯片103与PD过渡块上该PD芯片103对应的安装位置之间的粘接，第二种是在PD过渡块的焊料区204上预置焊料，通过共晶焊的方式实现PD芯片103与PD过渡块上该PD芯片103对应的焊料区204之间的粘接。例如，图2所示的PD过渡块上针对任一PD芯片103预置有5个焊料区204，每一焊料区204均通过溅射的方式预置了AnSn焊料，其中An占比百分之三十，Sn占比百分之七十。熔点为280℃。

本发明实施例中，通过共晶焊的方式实现PD芯片103与PD过渡块之间的粘结，减小了PD芯片103与PD过渡块之间金丝键合引入的寄生电容，更有利于实现光接收器件小型化的封装要求。光接收器件采用非气密封装，无需增加额外的金属管壳，大大的减小了生产成本并缩短了生产工序。

基于上述任一实施例，图3为本发明实施例的一种光接收器件的结构示意图，如同3所示，一种光接收器件，还包括跨阻放大器302；PD过渡块301上设置有对应每一PD芯片103的信号线202，任一信号线202与对应的PD芯片103的引脚连接；跨阻放大器302与PD过渡块301上的信号线202通过金丝键合连接。

具体地，跨阻放大器302(trans-impedance amplifier，TIA)用于对PD芯片103转换得到的电信号进行放大。PD芯片103和跨阻放大器302之间采用金丝键合金属进行级联，由于不用的线长会引入不同的寄生电感和电容，特别是在高速器件中，对光接收器件带宽造成一定程度上的劣化。因此在金丝键合时应选用自动打线设备并设置好最优参数，以降低人工操作不一致性带来的影响。

作为优选，参考图2，针对任一PD芯片103，PD过渡块301上设置有“GSG”结构的信号线202，此处的信号线202通过宽、线间距、介电常数等参数的设计，使得3dB带宽满足45G以上的要求。

基于上述任一实施例，参考图2，一种光接收器件，PD过渡块301上设置有对应每一PD芯片103的地隔离区域201，每一地隔离区域201内设置有若干通孔203，每一通孔203中填充导体介质。

例如图2所示的PD过渡块301上，设置有5个地隔离区域201，每一地隔离区域201内设置有2个通孔203，通孔203内填充有导体介质，导体介质连同PD过渡块301的表面层至底面层，利用信号与大地之间形成良好的回路，同时也利于PD芯片103的充分散热。

基于上述任一实施例，参考图3，一种光接收器件，还包括跨阻放大器过渡块303，所述跨阻放大器302装设在所述跨阻放大器过渡块303上，所述跨阻放大器过渡块303与所述PD过渡块301均装设在热沉304上。

此处，热沉304，是指温度不随传递到它的热能的大小变化的物体，例如大气、大地等。本发明实施例中不对热沉304的材料作具体限定。作为优选，热沉304可以是采用单面镀金工艺的氮化铝材料。

基于上述任一实施例，一种光接收器件，透镜104的曲率半径为100um，有效通光孔径范围为50-60um。

基于上述任一实施例，一种光接收器件，波导芯片102的输出端面与波导面构成的夹角范围为42°-45°。

具体地，光信号通过输入光纤101进入波导芯片102内传输，照射在波导芯片102的波导面后，通过反射从波导芯片102的输出端面输出。作为优选，波导芯片102的输出端面为抛光面，抛光面可以不镀膜，也可以镀反射膜。

基于上述任一实施例，一种光接收器件，PD过渡块301的材料为氮化铝。

具体地，氮化铝是一种陶瓷绝缘体(聚晶体物料为70-210W·m-1·K-1，而单晶体更可高达275W·m-1·K-1)，具有较高的室温和高温强度，膨胀系数小，导热性好的特性，可以用作高温结构件热交换器材料等。

为了更好地理解与应用本发明提出的一种光接收器件，本发明进行以下示例，且本发明不仅局限于以下示例。

示例一：

图4为本发明实施例的一种光接收器件的结构示意图，参考图4，一种光接收器件，包括插针306、输入光纤101、波导芯片102、PD芯片103和跨阻放大器302。其中，插针306与输入光纤101的输入端口耦合，输入光纤101的耦合端口与波导芯片102的输入端面耦合，波导芯片102的输出端面下方设置有四个PD芯片103，每一PD芯片103的光敏面上方刻蚀有透镜104，用于对波导芯片102的输出端面发出的光信号进行汇聚并照射在PD芯片103的光敏面上。PD芯片103与跨阻放大器302通过金丝键合连接。

其中，PD芯片103通过倒装共晶焊工艺实现连接，波导芯片102与PD芯片103之间通过无源贴装实现连接。跨阻放大器302装设在跨阻放大器过渡块303上，跨阻放大器过渡块303与PD过渡块301与热沉304粘接，波导芯片102通过垫块305与热沉304粘接。

PD过渡块301上设置有地隔离区域201、信号线202、通孔203、焊料区204和标记点205。其中，通孔203采用导体材料进行填充，起到联通PD过渡块301上表面和下表面的作用。

本示例中，光接收器件为PD-TIA结构。跨阻放大器302TIA内置于ROSA内部，PD的速率为28G/bs、56G/bs，TIA为四合一芯片。光接收器件可运用于200G OSFP或者400G QSFP-DD模块中，除此以外还可以是其它未示出的类似封装结构。

本示例中，插针306为陶瓷材料，端面磨成8°角，以减小反射。此外，热沉304为氮化铝材料，并采用单面镀金工艺，跨阻放大器过渡块303同样为氮化铝材料，正面镀有花纹。

本发明通过采用带刻蚀透镜104的PD芯片103来扩大芯片有源区的面积，并通过开发芯片倒装焊工艺来实现200G/400G接收器件的小型化的封装要求，同时通过优化耦合工艺，实现了器件无源耦合，以此来提高批量生产效率。光接收器件整体采用非气密封装，无需增加额外的金属管壳，大大的减小了生产成本并缩短了生产工序。

示例二：

参考图3，光信号通过插芯进入输入光纤101中，通过波导芯片102在波导中传输，直至到达波导芯片102的波导面处，由于波导芯片102的输出端面与波导面抛光成了42°角，光经过全反射后入射到正下方的PD芯片103的透镜104，经过透镜104汇聚后照射在光敏面上，照射在PD芯片103光敏面上的光信号经过后端的跨阻放大器302转换成电信号并放大。PD芯片103和跨阻放大器302之间采用金丝键合金属进行级联，由于不用的线长会引入不同的寄生电感和电容，特别是在高速器件中，对接收机带宽造成一定程度上的劣化。因此在金丝建合时应选用自动打线设备并设置好最优参数，以降低人工操作不一致性带来的影响。在示例中，由于56G PD array芯片的获取渠道问题，人为将PD芯片103贴成750微米/500微米/250微米0间距，以此来适配跨阻放大器302的间隔。若本示例应用到200G中，可直接采用25G PD array芯片。

示例三：

参考图2，PD过渡块301上设置有地隔离区域201、信号线202、通孔203、焊料区204和标记点205。

在本示例中所用的PD芯片103背面带有深刻蚀透镜104，其作用是扩大有源区的接收面积，降低耦合的难度。但是相对于传统正入射PD芯片103，背入射PD芯片103的贴装工艺更为复杂。本示例针对该款背入射PD芯片103开发了一种倒装贴装工艺，为了保证工艺的可实现性，在设计时采用了一款特殊的氮化铝过渡块，即PD过渡块301。在PD过渡块301上预置了5块金锡焊料区204，该区域对应PD芯片103底部的镀金区。焊接时，采用加热加压技术实现共晶焊。同时，倒装工艺消除了PD芯片103与PD过渡块301间金丝建合引入的寄生电容，PD芯片103直接与PD过渡块301共晶焊接，并通过分布的高速“GSG”信号线202实现连接。

由于PD芯片103背面带有深刻蚀透镜104，扩大了芯片有源区的面积，提高了耦合容差范围，在具体实施中，通过在PD过渡块301中设计标记点205，标记点205由一个正方形和一个十字型构成，两个图形连线的正中心与PD芯片103的中心重合。因此，为了实现PD芯片103与波导芯片102之间的无源耦合，可通过高倍成像系统找到两个图形识别的中心，从而确定将PD芯片103安装在PD过渡块301上对应的安装位置，能够保证装设在PD过渡块301上的PD芯片103在前后左右方向与对应的输出波导对准。

此外，在垂直方向上通过垫块305来支撑波导芯片102，使得波导芯片102的输出端面与PD芯片103之间的距离是通过模拟仿真设计得到的波导芯片102的输出端面与PD芯片103之间能够实现无源耦合的最佳距离。此处，设置有两个高度一致、大小相同的玻璃垫块305，分别放置于波导芯片102的中间位置，并用紫外胶与热沉304固定，再进行波导芯片102与玻璃垫块305的粘接，即可完成无源耦合。

本示例中，基于PD过渡块301上设置的标记点205，能够实现PD芯片103与波导芯片102在前后左右方向上的无源对准，设置垫片精确控制波导芯片102与PD芯片103之间的距离，能够实现PD芯片103与波导芯片102在垂直方向上的无源对准，有助于实现PD芯片103与波导芯片102之间的无源耦合，提高光接收器件的生产效率，增强可批量生成性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光接收器件，其特征在于，包括输入光纤、波导芯片和若干个PD芯片；其中，每一所述PD芯片的光敏面上方刻蚀有透镜；

所述输入光纤的耦合端口与所述波导芯片的输入端面耦合粘接，所述若干个PD芯片位于所述波导芯片的输出端面下方，任一所述PD芯片的透镜用于对所述波导芯片的输出端面发出的光信号进行汇聚并照射在所述任一PD芯片的光敏面上。

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括垫块，所述垫块与所述波导芯片粘接，所述垫块用于调整所述波导芯片与所述若干个PD芯片之间的距离。

3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括PD过渡块，每一所述PD芯片装设在所述PD过渡块上；

所述PD过渡块上设置有对应每一所述PD芯片的标记点，所述标记点用于指示对应所述PD芯片的安装位置。

4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，所述PD过渡块上设置有对应每一所述PD芯片的焊料区，任一所述PD芯片通过共晶焊的方式与所述PD过渡块上对应的焊料区粘接，以背入射的方式倒装在所述PD过渡块上。

5.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，还包括跨阻放大器；

所述PD过渡块上设置有对应每一所述PD芯片的信号线，任一信号线与对应的所述PD芯片的引脚连接；

所述跨阻放大器与所述PD过渡块上的信号线通过金丝键合连接。

6.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，所述PD过渡块上设置有对应每一所述PD芯片的地隔离区域，每一所述地隔离区域内设置有若干通孔，每一所述通孔中填充导体介质。

7.根据权利要求5所述的器件，其特征在于，还包括跨阻放大器过渡块，所述跨阻放大器装设在所述跨阻放大器过渡块上，所述跨阻放大器过渡块与所述PD过渡块均装设在热沉上。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述透镜的曲率半径为100um，有效通光孔径范围为50-60um。

9.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述波导芯片的输出端面与波导面构成的夹角范围为42°-45°。

10.根据权利要求3至7中任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述PD过渡块的材料为氮化铝。