TW201742395A

TW201742395A - 光接收晶片

Info

Publication number: TW201742395A
Application number: TW105115878A
Authority: TW
Inventors: 陳冠名; 甘孟平; 王智揚; 王冠勳
Original assignee: 宏觀微電子股份有限公司
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-12-01

Abstract

本發明提供一種光接收晶片，其係包括一光接收器，適於接收一光訊號；以及一差動放大器，具有一第一輸入耦接至該光接收器之一正極端及第二輸入耦接至該光接收器之一負極端，其中該差動放大器係根據該第一輸入及該第二輸入之間的電壓差值產生一差動輸出。

Description

光接收晶片

本發明係有關一種光接收晶片，尤其指一種光接收晶片內具有光接收器及差動輸出之放大器的光接收晶片。

現今全球許多國家已普遍採用光纖作為網路系統主要的傳輸工具。因為光纖是以光的全反射來進行傳輸，因此光纖具有高速傳輸以及低傳輸損失的特性。當光纖被用來作為網路系統的傳遞媒介時，光纖具有寬頻、高容量與高速的特性。因此，光纖通信網路成為發展寬頻通信的趨勢。例如光纖到家或光纖到建築物等光纖到點之發展是光纖通信網路發展的目標，以逐步取代原有的銅線傳輸。

在目前資訊傳輸量越來越大且使用者對網路要求更為快速的情形下，光纖的傳輸數據量已逐漸不敷使用。為了因應傳輸數據量不敷使用的問題，除了改善光纖傳遞速度以外，光纖兩端的接收與傳輸亦顯得相當重要。現行之設於光纖接收端的光接收次模組，雖然可以提高接收的傳輸數據量，但此種光接收次模組具有較大的體積。

本發明之主要目的，在於提供一種光接收光晶片及其封裝模組，其中本發明將一光接收器及一差動放大器整合至一晶片上，利用模組化設計此電路，進而使電路設計難度及成本降低。

為達到上述之目的，本發明提供一種光接收晶片，其係包括一光接收器，適於接收一光訊號；以及一差動放大器，具有一第一輸入耦接至該光接收器之一正極端及第二輸入耦接至該光接收器之一負極端，其中該差動放大器係根據該第一輸入及該第二輸入之間的電壓差值產生一差動輸出。

現將經由對說明性實施例、隨附圖式及申請專利範圍之以下詳細描述的評述，使本發明之此等以及其他組件、步驟、特徵、效益及優勢變得明朗。

圖式揭示本發明之說明性實施例。其並未闡述所有實施例。可另外或替代使用其它實施例。為節省空間或更有效地說明，可省略顯而易見或不必要之細節。相反，可實施一些實施例而不揭示所有細節。當相同數字或標號出現在不同圖式中時，其係指相同或類似組件或步驟。當以下描述連同隨附圖式一起閱讀時，可更充分地理解本發明之態樣，該等隨附圖式之性質應視為說明性而非限制性的。

請參考第1a圖及第1b圖所示，本發明之光接收模組包括一筒狀封裝之一底座10、一筒狀封蓋20、一光接收晶片30及一電路基板40，其中光接收晶片30係設置在電路基板40表面，而電路基板40設置在底座10之上表面，而筒狀封蓋20設置在底座10之上表面上並將光接收晶片30覆蓋，底座10包括一體成型之一頂部102及一底部104，底部104環設在頂部102之周邊，底座10之材質包括金屬材質、聚合物材質或陶瓷材質，另外複數接腳12貫穿底座10之上下表面，每一接腳12之一端凸設在頂部102之上表面作為電性連接墊12a使用，且底座10與每一接腳12之間環設有一絕緣層16，用以隔離底座10與每一接腳12之導電性及固定接腳12在底座10上，此絕緣層16包括玻璃密封膠(glass sealant)、橡膠或含矽之密封膠，而接腳12之材質包括銅、金、鐡、鋁、銀及鎳等材質或上述材質之合金或其組合。筒狀封蓋20為一中空圓筒，此筒狀封蓋20之頂部包括一穿孔202，此穿孔202可供一光訊號發射至底座10表面上的光接收晶片30，其中此穿孔202上可選擇性的設置一透鏡，例如是一具有聚焦之光學透鏡、玻璃、球型透鏡或圓弧型透鏡，或穿孔202內沒有設置任何透鏡；此筒狀封蓋20及底部104之材質包括金屬材質、聚合物材質或陶瓷材質，其中金屬材質包括鐡鈷鎳合金、銅、金、鐡、鋁、銀、鎳或上述材質之合金或其組合。另外在筒狀封蓋20之內部表面可設置一抗干擾層，例如在內部表面形成一或多層可吸收特定波長之吸收層(例如紅外線)，其材質包括鎳層、鋁層或聚合物層。

另外，光接收晶片30之一金屬接墊(meatal pad)利用打線方式(Wire bonding)經由一金屬導線電性連接至電路基板40之一金屬接墊上，此金屬導線之材質包括金、銅或銀其中之一，而電路基板40之金屬接墊同樣也利用打線方式(Wire bonding) 經由金屬導線電性連接至底部104之電性連接墊12a上。另外，光接收晶片30之金屬接墊也可以覆晶(Flip Chip)方式電性連接至電路基板40之金屬接墊上，其中覆晶方式係在光接收晶片30上以濺鍍或/及電鍍方式形成一UBM（Under Ball Metallurgy）金屬層，並在UBM層上以電鍍或印刷方式形成一銲錫層，再以覆晶(Flip Chip)方式電性連接至電路基板40之金屬接墊上。另外，上述光接收晶片30之金屬接墊可作為一電源電壓(Vdd)端、一接地端(Vss)、一訊號輸出端及一訊號輸入端使用。另外，電路基板40例如是一陶瓷基板或一印刷電路板，其中陶瓷基板包括氧化鋁(Al₂ O₃ )基板、氮化鋁(AlN)基板或氧化铍(BeO)基板其中之一。另外，光接收晶片322之種類包括收光二極體晶片(optical Photodiode)、高頻二極體晶片(Positive-Intrinsic-Negative Photodiode)和雪崩光電二極體晶片(Avalanche Photodiode , APD)、感光耦合（Charge-Coupled Device, CCD）晶片或互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)晶片其中之一。另外，一或多個被動元件可設置在此電路基板40上或設置在底部104表面上並電性連接至電路基板40之金屬接墊上，此被動元件例如是一電阻元件、一可變電阻元件、一熱敏電阻元件、一電容元件或一電感元件之一或及其組合。

請參考第2圖所示，本發明之光接收晶片30之電路例如包括一光接收器50、一差動放大器60及一自動增益控制（automatic gain control, AGC）電路80，其中此光接收晶片30包括一矽半導體晶片或一矽鍺半導體(SiGe semiconductor)晶片其中之一，另外光接收器50例如是一收光二極體、高頻二極體、雪崩光電二極體、感光耦合單元或互補性氧化金屬半導體單元其中之一，本發明光接收晶片30較佳實施例為一收光二極體。差動放大器60例如是一轉阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）或限幅放大器（limiting amplifier）其中之一，本發明差動放大器60較佳實施例為一轉阻放大器，該光接收器50之一正極端及一負極端分別耦接至一接地端(Vss)及一電源電壓端(Vdd)，而該差動放大器60之一第一輸入端60a及一第二輸入端60b分別耦接至該光接收器50之正極端及負極端。當光接收器50(例如是收光二極體)接收一光訊號時，晶片內的空乏區會產生電子電洞對，其逆向偏壓的電場會驅使電子電洞各往N、P極移動，如此就產生一電流訊號，而該差動放大器60將光接收器50產生之電流訊號轉換成一電壓差值，該差動放大器60根據此電壓差值產生一差動輸出訊號，輸出至光接收晶片30之一第一輸出端(outp)30a及一第二輸出端(outn)30b，其中該第一輸出端30a接收來自於差動放大器60的訊號的相位與第二輸出端30b接收接收來自於差動放大器60的訊號的相位相差180度。另外，自動增益控制（automatic gain control, AGC）電路80之一輸入端80a及輸入端80b分別耦接至該差動放大器60的第一輸出端60c及第二輸出端60d，而自動增益控制電路80之一輸出端80c耦接至該差動放大器60的第三輸入端60e，此自動增益控制電路80用以使差動放大器60的增益自動地隨自動增益控制電路80的輸入信號強度而自動調整。另外，此光接收器50的接地端(Vss)及電源電壓端(Vdd)分別可耦接一被動元件70，例如是一電容元件或一電感元件，此被動元件70視為一低通濾波器，用以消除高頻雜訊。

請參考第3圖所示，此第3圖為差動放大器60之一電路圖範列，此差動放大器60的一第一輸入端(Inp)60a及一第二輸入端(Inn)60b分別耦接一電容單元606a及電容單元606b，該電容單元606a耦接至一第一開關單元618a及一電感單元610a，此第一開關單元618a例如是一N型金氧半場效電晶體(NMOS)或一P型金氧半場效電晶體(PMOS)，本發明之第一開關單元618a係以N型金氧半場效電晶體(NMOS)進行說明，因此電容單元606a耦接至N型金氧半場效電晶體(NMOS)之源極(Source)及電感單元610a，而電感單元610a另一端耦接接地端(Vss)，而該電容單元606b耦接至一第二開關單元618b及一電感單元610b，其中第二開關單元618b係以N型金氧半場效電晶體(NMOS)進行說明，因此電容單元606b耦接至N型金氧半場效電晶體(NMOS)之源極(Source)及電感單元610b，而電感單元610b另一端耦接接地端(Vss)。此差動放大器60的一第一輸出端(Outp)60c耦接至第一開關單元618a及一電阻單元616a，例如是第一輸出端60c耦接N型金氧半場效電晶體(NMOS)之汲極(Drain)及電阻單元616a，而電阻單元616a另一端耦接電源電壓端(Vdd)，也就是電阻單元616a耦接於電源電壓端(Vdd)與第一輸出端60c之間。差動放大器60的一第二輸出端(Outn)60d耦接至一第二開關單元618b及一電阻單元616b，例如是第一輸出端60d耦接N型金氧半場效電晶體(NMOS)之汲極(Drain)及電阻單元616b，而電阻單元616b另一端耦接電源電壓端(Vdd)，也就是電阻單元616b耦接於電源電壓端(Vdd)與第二輸出端60d之間，在此實施例中，電容單元606a, 606b、電感單元610a, 610b及電阻單元616a, 616b為一負載，其中該電容單元606a, 606b及電感單元610a, 610b可視為低通濾波器，用以負責消除雜訊。另外，第一開關單元618a及第二開關單元618b更可耦接至自動增益控制電路80，也就是N型金氧半場效電晶體的之閘極（Gate）耦接至自動增益控制電路80之一輸出端80c，而自動增益控制電路之輸入端80a, 80b耦接至第一輸出端60c與第二輸出端60d，此自動增益控制電路80係根據該輸入端80a, 80b之訊號調整該輸出端80c的電壓。

本發明將光接收器50與差動放大器60整合在一晶片上，除了降低生產成本及縮小體積之外，另一方面可使光接收器50與差動放大器60之間有較低的阻抗，並且因將二者整合在一晶片上，可利用模組化設計此電路，進而使電路設計難度及成本降低。

以上所述係藉由實施例說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能暸解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故，凡其他未脫離本發明所揭示之精神所完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

10‧‧‧底座
20‧‧‧筒狀封蓋
30‧‧‧光接收晶片
40‧‧‧電路基板
102‧‧‧頂部
104‧‧‧底部
12a‧‧‧電性連接墊
16‧‧‧絕緣層
202‧‧‧穿孔
50‧‧‧光接收器
60‧‧‧差動放大器
80‧‧‧自動增益控制電路
60a‧‧‧第一輸入端
60b‧‧‧第二輸入端
60c‧‧‧第一輸出端
60d‧‧‧第二輸出端
60e‧‧‧第三輸入端
30a‧‧‧第一輸出端
30b‧‧‧第二輸出端
80a‧‧‧輸入端
80b‧‧‧輸入端
80c‧‧‧輸出端
70‧‧‧被動元件
606a‧‧‧電容單元
606b‧‧‧電容單元
618a‧‧‧第一開關元件
618b‧‧‧第二開關元件
610a‧‧‧電感單元
610b‧‧‧電感單元
616a‧‧‧電阻單元
616b‧‧‧電阻單元

第1a圖為本發明筒狀封裝模組之立體示意圖。第1b圖為本發明筒狀封裝模組之立體分解示意圖。第2圖為本發明光接收晶片之電路結構圖。第3圖為本發明之差動放大器之電路示意圖。

雖然在圖式中已描繪某些實施例，但熟習此項技術者應瞭解，所描繪之實施例為說明性的，且可在本發明之範疇內構想並實施彼等所示實施例之變化以及本文所述之其他實施例。

30‧‧‧光接收晶片

50‧‧‧光接收器

60‧‧‧差動放大器

80‧‧‧自動增益控制電路

60a‧‧‧第一輸入端

60b‧‧‧第二輸入端

60c‧‧‧第一輸出端

60d‧‧‧第二輸出端

60e‧‧‧第三輸入端

30a‧‧‧第一輸出端

30b‧‧‧第二輸出端

80a‧‧‧輸入端

80b‧‧‧輸入端

80c‧‧‧輸出端

70‧‧‧被動元件

Claims

一種光接收晶片，包括：一光接收器，適於接收一光訊號；以及一差動放大器，具有一第一輸入耦接至該光接收器之一正極端及一第二輸入耦接至該光接收器之一負極端，其中該差動放大器係根據該第一輸入及該第二輸入之間的電壓差值產生一差動輸出。
如請求項1所述之光接收晶片，其中該光接收器包括一二極體。
如請求項1所述之光接收晶片，其中該差動放大器包括一轉阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）。
如請求項1所述之光接收晶片，適於裝置在一筒狀封裝模組(TO-can package)內，其中該筒狀封裝模組包括一中空圓筒，適於容納該光接收晶片，一光訊號適於經過位在該中空圓筒之一端的一開口發射至該光接收晶片之該光接收器。
如請求項1所述之光接收晶片，適於設置在一電路板上，以打線(wire bonding)方式將該光接收晶片之一電性接墊電連接至該電路板上之一電性接墊上，其中該電性接墊耦接至該差動放大器之該差動輸出。
如請求項1所述之光接收晶片，其中該差動輸出包括一第一輸出及一第二輸出，該第一輸出之相位與該第二輸出之相位相差180度。
如請求項1所述之光接收晶片，該差動放大器包括一電阻耦接於該差動放大器之一電源電壓端(Vdd)。
如請求項1所述之光接收晶片，其中該差動放大器包括一第一開關元件，其中第一開關元件耦接於該差動輸出之一第一輸出與該差動放大器之一接地端(Vss)之間。
如請求項11所述之光接收晶片，其中該差動放大器更包括一電感單元耦接在該第一開關元件與該接地端(Vss)之間。
如請求項1所述之光接收晶片，更包括一自動增益控制（automatic gain control, AGC）電路，耦接至該差動放大器，其中該自動增益控制電路之一輸入耦接該差動輸出之一第一輸出，該自動增益控制電路之一輸出耦接至該第一開關元件之一閘極，該自動增益控制電路係根據該輸入調整該輸出的電壓。