CN109270640A - 一种apd光接收组件 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种APD光接收组件，包括APD芯片、制冷模块、测温模块、单侧管腿管壳和管盖；APD芯片、制冷模块和测温模块封装在单侧管腿管壳和管盖内；单侧管腿管壳的第一管壁上设置有尾管，尾管用于将信号光导入单侧管腿管壳内与APD芯片耦合；单侧管腿管壳上的全部管腿均设置在单侧管腿管壳的第二管壁上；第一管壁和第二管壁平行设置。本发明实施例提供的一种APD光接收组件，将单侧管腿管壳上的全部管腿均设置在与设置有管壳尾管的第一管壁正对的第二管壁上，在实现了APD芯片的制冷功能的基础上，相对于通用的蝶形封装结构，有效缩小了器件尺寸，实现了产品的小型化，有利于提高APD光接收组件衍生产品的集成度。

Description

一种APD光接收组件

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APD光接收组件。

背景技术

雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)是一种基于半导体材料的单光子探测器件，能实现对单个光子能量的检测，可以应用于量子通信、真随机数发生器、生物荧光探测、DNA测序、用于蛋白质折叠的Forster谐振能量转换、激光雷达、光时域反射计、单分子光谱分析、荧光寿命测量，以及用于医疗的扩散光学层析等领域。

通常情况下，为了抑制噪声以获得更好的单光子灵敏度，需要对单光子雪崩光电二极管进行制冷，普通的制冷雪崩光电二极管器件采用如图1所示的蝶形封装管壳，图1中的蝶形封装管壳包括四个管壁，其中一个管壁上设置有蝶形管壳尾管010，与该管壁相邻的两个管壁中，一个管壁上设置有多个蝶形第一管腿020，另一个管壁上设置有多个蝶形第二管腿030，即管腿分布在与蝶形管壳尾管010所在管壁相邻的两个平行设置的管壁上，导致整个器件尺寸大，无法满足产品的小型化需求，且由此造成的器件物料成本和生产成本都较高，且不利于批量生产。

发明内容

本发明实施例提供一种APD光接收组件，用以解决现有的APD光接收组件采用蝶形封装导致尺寸大的问题。

本发明实施例提供一种APD光接收组件，包括APD芯片、制冷模块、测温模块、单侧管腿管壳和管盖；

APD芯片、制冷模块和测温模块封装在单侧管腿管壳和管盖内；

单侧管腿管壳的第一管壁上设置有尾管，尾管用于将信号光导入单侧管腿管壳内与APD芯片耦合；单侧管腿管壳上的全部管腿均设置在单侧管腿管壳的第二管壁上；第一管壁和第二管壁平行设置。

本发明实施例提供的一种APD光接收组件，将APD芯片、制冷模块和测温模块封装在单侧管腿管壳和管盖内，将单侧管腿管壳上的全部管腿均设置在与设置有管壳尾管的第一管壁正对的第二管壁上，在实现了APD芯片的制冷功能的基础上，相对于通用的蝶形封装结构，有效缩小了器件尺寸，实现了产品的小型化，有利于提高APD光接收组件衍生产品的集成度。

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为现有技术提供的APD光接收组件蝶形封装管壳的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的APD光接收组件的剖视图；

图3为本发明实施例提供的单侧管腿管壳的俯视图；

图4为本发明实施例提供的光纤组件与APD芯片的耦合示意图；

图5为本发明另一实施例提供的APD光接收组件的剖视图；

图6为本发明实施例提供的APD芯片与跨阻抗放大器的电路结构示意图；

图7为本发明实施例提供的APD光接收组件的俯视图；

附图标记说明：

010-蝶形管壳尾管； 020-蝶形第一管腿； 030-蝶形第二管腿；

100-单侧管腿管壳； 110-第一管壁； 111-尾管；

112-尾管通孔； 120-第二管壁； 121-管腿；

130-管盖； 200-过渡块； 310-尾纤；

311-裸光纤； 320-全反射透镜； 330-紫外胶；

340-金属管； 341-金属管通孔； 342-尾管填充物；

343-金属管填充物； 400-APD芯片； 500-制冷模块；

600-跨阻抗放大器； 610-高压滤波电容； 620-第一滤波电容；

630-第二滤波电容； 700-测温模块。

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。

现有的制冷雪崩光电二极管器件通常采用蝶形封装管壳，管腿分布在垂直于尾管侧壁的两侧，导致整个器件尺寸大，无法满足产品的小型化需求，且由此造成的器件物料成本和生产成本都较高，且不利于批量生产。针对这一问题，本发明实施例提供一种的APD光接收组件，图2为本发明实施例提供的APD光接收组件的剖视图，如图2所示，该光接收组件包括APD芯片400、制冷模块500、测温模块700、单侧管腿管壳100和管盖130；APD芯片400、制冷模块500和测温模块700封装在单侧管腿管壳100和管盖130内。单侧管腿管壳100的第一管壁110上设置有尾管111，尾管111用于将信号光导入单侧管腿管壳100内与APD芯片耦合；单侧管腿管壳100上的全部管腿121均设置在单侧管腿管壳100的第二管壁120上；第一管壁110和第二管壁120平行设置。

此处，制冷模块500用于对APD芯片400制冷，以达到抑制噪声，从而使得APD芯片400获得更好的单光子灵敏度的作用，同时防止APD芯片400过热导致性能劣化。测温模块700用于检测APD芯片的温度。测温模块700可以是热敏电阻，还可以是温度传感器等具备温度检测功能的元件，本发明实施例对此不作具体限定。并在此基础上，APD芯片400、制冷模块500与测温模块700被封装在单侧管腿管壳100和该单侧管腿管壳100对应的管盖130内，通过单侧管腿管壳100和管盖130的相互配合实现密封。

图3为本发明实施例提供的单侧管腿管壳的俯视图，参考图2和图3，在单侧管腿管壳100的管壁中，任意选取两个平行设置的相对的管壁，分别作为第一管壁110和第二管壁120，并在第一管壁110上设置尾管111，在第二管壁120上设置多个管腿121，通过将单侧管腿管壳上的全部管腿121均设置在与尾管111正对的第二管壁120上，能够有效缩小器件尺寸。此处，尾管111用于将信号光到入至单侧管腿管壳100与管盖构成的封装结构中，使得信号光与封装结构内的APD芯片耦合。第二管壁120上的管腿121可以呈一行密集排列，也可以分层排列，本发明实施例对此不作具体限定。

本发明实施例提供的APD光接收组件，将APD芯片400、制冷模块500和测温模块700封装在单侧管腿管壳100和管盖内，将单侧管腿管壳100上的全部管腿121均设置在与设置有管壳尾管111的第一管壁110正对的第二管壁120上，在实现了APD芯片400的制冷功能的基础上，相对于通用的蝶形封装结构，有效缩小了器件尺寸，实现了产品的小型化，有利于提高APD光接收组件衍生产品的集成度。

基于上述实施例，还包括过渡块；制冷模块装设在单侧管腿管壳底部，过渡块装设在制冷模块上，APD芯片装设在过渡块上。

具体地，过渡块用于为APD光接收组件封装内部各元件的装设提供位置。此处，过渡块的材料为热的良导体。在单侧管腿管壳和管盖构成的封装结构内部，将制冷模块贴装在单侧管腿管壳底部。随即将过渡块贴装在制冷模块上，并在过渡块上装设APD芯片。当APD芯片温度较高时，控制制冷模块进行制冷，APD芯片的热量可以通过过渡块直接传到至制冷模块，以实现APD芯片的降温。此外，由于过渡块贴装在制冷模块上，过渡块与制冷模块紧密接触，且接触面积大，进一步为APD芯片热量的散出和降温提供了有利条件。作为优选，将测温模块也装设在过渡块上，以便于测量APD芯片的温度。

在常规的蝶形封装结构中，APD芯片采用侧壁装配，与光纤正对耦合的方式，通过支架激光焊接的固定工艺对光纤进行固定，工艺复杂，可靠性不高。为了解决这一问题，本发明实施例提供了一种全反射耦合方式。基于上述任一实施例，图4为本发明实施例提供的光纤组件与APD芯片的耦合示意图，如图4所示，APD光接收组件还包括光纤组件，光纤组件包括一端为裸光纤311的尾纤和全反射透镜320；尾纤的裸光纤311一端从尾管的通孔穿过，并与过渡块200固接；全反射透镜320装设在裸光纤311的端面处，使得裸光纤311发出的信号光通过全反射透镜320与APD芯片400耦合。

具体地，信号光通过穿过单侧管腿管壳的尾管通孔的尾纤传入封装结构内部，传输至尾纤的裸光纤311端面处，照射在全反射透镜320上，经过全反射透镜320的全反射，信号光改变传输方向，垂直照射在APD芯片400上，使得APD芯片400能够感应信号光并产生光电流。上述结构中，APD芯片400直接贴装在过渡块200上，裸光纤311固定在过渡块200上，通过全反射透镜320实现裸光纤311发出的信号光与APD芯片400的耦合。APD芯片400与裸光纤311的固定均无需复杂的固定工艺，可靠性强。此处，将裸光纤311与过渡块200固接的方式有多种，例如通过胶剂进行粘接，或者在过渡块200上设置裸光纤311对应的卡槽对裸光纤311进行固定，本发明实施例对此不作具体限定。

本发明实施例提供的APD光接收组件，通过设置全反射透镜320，简化了光纤组件与APD芯片400的耦合固定工艺，降低了成本，提高了耦合的可靠性。

进一步地，尾纤的裸光纤311通过紫外胶330与过渡块200固接。此处，紫外胶(Ultraviolet Rays)，即紫外线固化UV胶、光敏胶、无影胶，是指必须通过紫外线光照射才能固化的一类胶粘剂，可以作为粘接剂使用。

基于上述任一实施例，图5为本发明另一实施例提供的APD光接收组件的剖视图，如图5所示，光纤组件还包括金属管340；金属管340插装在尾管111的通孔112中，尾纤310的裸光纤311一端从尾管111的通孔112中插装的金属管340中穿过；金属管340与尾管111的通孔112之间，以及裸光纤311与金属管340的通孔341之间，分别通过填充物密封。

具体地，光纤组件包括一端为裸光纤311的尾纤310、金属管340和全反射透镜320。金属管340开有通孔341，裸光纤311从金属管340的通孔341穿过，且裸光纤311与金属管340的通孔341之间填充有金属管填充物343。金属管340插装在单侧管腿管壳100在第一管壁110上设置的尾管111的通孔112中，且金属管340与尾管111的通孔112之间填充有尾管填充物342。尾纤310上裸光纤311的一端通过金属管340和尾管111穿入单侧管腿管壳100内部，并与过渡块200固接。裸光纤311的端面上设置有全反射透镜320，使得裸光纤311端面输出的信号光能够通过全反射照射在APD芯片400上。

基于上述任一实施例，APD光接收组件还包括外围处理模块，外围处理模块分别与制冷模块和测温模块电连接；外围处理模块用于根据测温模块获取的温度控制制冷模块调节APD芯片的温度。具体地，外围处理模块装设在APD光接收组件的封装外，APD光接收组件封装内的测温模块通过单侧管腿管壳上的管腿与封装外的外围处理模块连接，并将检测得到的代表APD芯片实时温度的电信号通过管腿传输至外围处理模块，外围处理模块对代表APD芯片实时温度的电信号进行处理，得到APD芯片的温度，并将APD芯片的温度与预先设置的温度进行比较，判断是否控制制冷模块进行制冷，从而使得APD芯片的温度稳定在能够保证APD芯片正常工作的温度范围内。此处，外围处理模块基于测温模块获取的温度控制制冷模块对APD芯片的温度进行调节，其控制策略可以是PI控制，还可以是PID控制等闭环控制策略，本发明实施例对此不作具体限定。

基于上述任一实施例，APD光接收组件还包括跨阻抗放大器，跨阻抗放大器装设在过渡块上；跨阻抗放大器的输入端与APD芯片的正极连接。

此处，跨阻抗放大器用于对APD芯片产生的电信号进行放大。本发明实施例不对跨阻抗放大器的种类和型号作具体限定。APD芯片在接收到裸光纤通过全反射透镜反射的信号光后，感应并产生电信号，通过与APD芯片正极连接的跨阻抗放大器的输入端将电信号输入至跨阻抗放大器，跨阻抗放大器对电信号进行放大，并将放大后的电信号通过跨阻抗放大器的输出端输出。

在此基础上，由于跨阻抗放大器也设置在过渡块上，在制冷模块进行制冷时，同样能够达到降低跨阻抗放大器的温度的目的。

基于上述任一实施例，图6为本发明实施例提供的APD芯片与跨阻抗放大器的电路结构示意图，如图6所示，APD光接收组件还包括高压滤波电容610、第一滤波电容620和第二滤波电容630；高压滤波电容610、第一滤波电容620和第二滤波电容630均装设在过渡块上；其中，高压滤波电容610的一端与APD芯片400的负极电连接，另一端接地；第一滤波电容620的一端与跨阻抗放大器600的正向电源端电连接，另一端接地；第二滤波电容630的一端与跨阻抗放大器600的负向电源端电连接，另一端接地。

具体地，APD芯片400的负极与APD芯片400的供电电压VAPD连接，高压滤波电容610的一端与VAPD连接，另一端节点，用于实现APD芯片400的供电电压VAPD的滤波。第一滤波电容620的一端与跨阻抗放大器600的正向电源端VS+连接，另一端接地，用于实现正向供电电压的滤波。第二滤波电容630的一端与跨阻抗放大器600的负向电源端VS-连接，另一端接地，用于实现负向供电电压的滤波。

基于上述任一实施例，过渡块的上表面作镀金处理；高压滤波电容610、第一滤波电容620和第二滤波电容630的另一端分别与过渡块的上表面连接，过渡块的上表面与单侧管腿管壳100上的接地管腿连接。

具体地，高压滤波电容610、第一滤波电容620和第二滤波电容630的另一端均需要接地，将过渡块上表面镀金后，与单侧管腿管壳100上的接地管腿连接，使得过渡块的上表面接地。在此基础上，分别将高压滤波电容610、第一滤波电容620和第二滤波电容630的另一端与过渡块上表面连接，在满足了高压滤波电容610、第一滤波电容620和第二滤波电容630的接地需求的同时，避免了由高压滤波电容610、第一滤波电容620和第二滤波电容630分别与接地管腿连接导致的电气连接线路杂乱，影响电气连接的可靠性。此处，接地管腿用于接地。

基于上述任一实施例，单侧管腿管壳第二管壁上的多个管腿分为多个上层管腿和多个下层管腿；单侧管腿管壳第二管壁上的多个管腿包括：APD供电管腿、APD输出管腿、运放供电管腿、运放输出管腿、制冷管腿、测温管腿和接地管腿。

具体地，单侧管腿管壳上的管腿均设置于第二管壁，且分上下两层排列。其中，APD供电管腿用于连接APD芯片的负极，为APD芯片提供供电电压VAPD。APD输出管腿用于连接APD芯片的正极，获取APD芯片感应信号光产生的电信号。运放供电管腿用于连接跨阻抗放大器的电源端口，例如跨阻抗放大器包括正向电源端和负向电源端时，一运放供电管腿与正向电源端连接，另一运放供电管腿与负向电源端连接。运放输出管腿用于连接跨阻抗放大器的输出端，获取跨阻抗放大器的输出电信号。制冷管腿用于连接制冷模块，控制制冷模块调节APD芯片的温度，测温管腿用于连接测温模块，获取测温模块输出的代表APD芯片温度的电信号。接地管腿用于接地。

基于上述任一实施例，图7为本发明实施例提供的APD光接收组件的俯视图，如图7所示，本发明实施例提供一种APD光接收组件，包括：单侧管腿管壳100、制冷模块500、过渡块200、测温模块700、APD芯片400、跨阻抗放大器600、高压滤波电容610、第一滤波电容620、第二滤波电容630、光纤组件和管盖。

其中，单侧管腿管壳100的第一管壁110设置有尾管111，尾管111上设置有通孔；正对着第一管壁110的第二管壁120上设置有多个管腿121，分为上层镀金管腿和下层镀金管腿。

光纤组件包括一端为裸光纤的尾纤310、金属管340和全反射透镜。金属管340开有通孔，尾纤310上的裸光纤从金属管通孔中穿过并通过金属管填充物固定密封，全反射透镜设置在裸光纤顶端端面上。

制冷模块500装配在单侧管腿管壳100底部，过渡块200装配在制冷模块500上。此外，测温模块700、APD芯片400、跨阻抗放大器600、高压滤波电容610、第一滤波电容620、第二滤波电容630均装配在过渡块200上。管盖对单侧管腿管壳100进行密封。

其中，高压滤波电容610通过金丝与APD芯片400的正极连接，第一滤波电容620、第二滤波电容630分别通过金丝与跨阻抗放大器600的正向电源端和负向电源端连接。

光纤组件从单侧管腿管壳100的尾管111进入单侧管腿管壳100内，其中金属管340与单侧管腿管壳100的尾管111的通孔通过尾管填充物固定连接形成密封，穿出尾管111的裸光纤通过紫外胶330固定在过渡块200上形成耦合固定，裸光纤端面设置的全反射透镜与APD芯片400进行全反射耦合。

信号光通过光纤组件的尾纤310入射，通过裸光纤进入到裸光纤端面的全反射透镜处进行全反射入射至APD芯片400，APD芯片400将信号光转换成电信号，电信号经过跨阻抗放大器600放大后输出。测温模块700与制冷模块500配合工作，使APD芯片400及跨阻抗放大器600工作在预设温度范围内。

本发明实施例提供的APD光接收组件，一方面，将单侧管腿管壳100上的全部管腿121均设置在与设置有管壳尾管111的第一管壁110正对的第二管壁120上，相对于通用的蝶形封装结构，有效缩小了器件尺寸，实现了产品的小型化。另一方面，通过全反射透镜实现光纤组件和APD芯片400的耦合，并通过紫外胶330对裸光纤进行固定，简化了光纤组件与APD芯片400的耦合固定工艺，降低了成本，提高了耦合的可靠性。再一方面，通过在尾纤310与金属管340通孔之间、金属管340与尾管111通孔之间进行填充密封，以及通过管盖对管壳密封，实现了光接收组件的气密性封装，提高了光接收组件的稳定性。又一方面，通过在光接收组件内设置制冷模块500、测温模块700和跨阻抗放大器600，使得APD芯片400与跨阻抗放大器600工作在预设温度范围内，使得输出的电信号噪声更低、灵敏度更高。

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APD光接收组件，其特征在于，包括APD芯片、制冷模块、测温模块、单侧管腿管壳和管盖；

所述APD芯片、所述制冷模块和所述测温模块封装在所述单侧管腿管壳和所述管盖内；

所述单侧管腿管壳的第一管壁上设置有尾管，所述尾管用于将信号光导入所述单侧管腿管壳内与所述APD芯片耦合；所述单侧管腿管壳上的全部管腿均设置在所述单侧管腿管壳的第二管壁上；所述第一管壁和所述第二管壁平行设置。

2.根据权利要求1所述的APD光接收组件，其特征在于，还包括过渡块；所述制冷模块装设在所述单侧管腿管壳底部，所述过渡块装设在所述制冷模块上，所述APD芯片装设在所述过渡块上。

3.根据权利要求2所述的APD光接收组件，其特征在于，还包括光纤组件，所述光纤组件包括一端为裸光纤的尾纤和全反射透镜；

所述尾纤的裸光纤一端从所述尾管的通孔穿过，并与所述过渡块固接；所述全反射透镜装设在所述裸光纤的端面处，使得所述裸光纤发出的信号光通过所述全反射透镜与所述APD芯片耦合。

4.根据权利要求3所述的APD光接收组件，其特征在于，所述光纤组件还包括金属管；

所述金属管插装在所述尾管的通孔中，所述尾纤的裸光纤一端从所述金属管中穿过；

所述金属管与所述尾管的通孔之间，以及所述裸光纤与所述金属管的通孔之间，分别通过填充物密封。

5.根据权利要求3所述的APD光接收组件，其特征在于，所述尾纤的裸光纤通过紫外胶与所述过渡块固接。

6.根据权利要求2所述的APD光接收组件，其特征在于，还包括外围处理模块，所述外围处理模块分别与所述制冷模块和所述测温模块电连接；

所述外围处理模块用于根据所述测温模块获取的温度控制所述制冷模块调节所述APD芯片的温度。

7.根据权利要求2所述的APD光接收组件，其特征在于，还包括跨阻抗放大器，所述跨阻抗放大器装设在所述过渡块上；所述跨阻抗放大器的输入端与所述APD芯片的正极连接。

8.根据权利要求7所述的APD光接收组件，其特征在于，还包括高压滤波电容、第一滤波电容和第二滤波电容；所述高压滤波电容、所述第一滤波电容和所述第二滤波电容均装设在所述过渡块上；

其中，所述高压滤波电容的一端与所述APD芯片的负极电连接，另一端接地；所述第一滤波电容的一端与所述跨阻抗放大器的正向电源端电连接，另一端接地；所述第二滤波电容的一端与所述跨阻抗放大器的负向电源端电连接，另一端接地。

9.根据权利要求8所述的APD光接收组件，其特征在于，所述过渡块的上表面作镀金处理；

所述高压滤波电容、所述第一滤波电容和所述第二滤波电容的另一端分别与所述过渡块的上表面连接，所述过渡块的上表面与所述单侧管腿管壳上的接地管腿连接。

10.根据权利要求7所述的APD光接收组件，其特征在于，所述单侧管腿管壳第二管壁上的所述管腿分为多个上层管腿和多个下层管腿；

所述单侧管腿管壳第二管壁上的所述管腿包括：APD供电管腿、APD输出管腿、运放供电管腿、运放输出管腿、制冷管腿、测温管腿和接地管腿。