[發明專利]帶溫控功能的APD-TIA同軸型光電組件及制造方法

無效

• 申請號: 201110309963.6
• 申請日: 2011-10-13
• 公開（公告）號: CN102412240A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 丁國慶;王志剛;李錕;胡長飛
• 申請（專利權）人: 武漢華工正源光子技術有限公司
• 主分類號: H01L25/00
• 分類號: H01L25/00;H01L21/50
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 劉淑敏

技術領域

本發明涉及光纖通信領域的高速光信號接收組件設計技術，尤其涉及一種具有溫控功能的雪崩倍增型光電二極管（APD）-跨阻抗前置放大器（TIA）同軸型光電組件及制造方法。

背景技術

由于市場需求和光電子與集成電路技術的不斷進步，光接入網E-PON和G-PON的下行傳輸速率目前已達10Gb/s。在光接入網中，要接收從光纖傳來的光信號，須要在光接收前端采用由光電二極管和低噪聲前置放大器組成的小型化密封的光電組件。

光電二極管，按結構和性能指標來區分，主要有兩種形式：一種是具有PIN型的光電二極管（PIN-PD），另一種是雪崩倍增光電二極管（APD）。PIN-PD僅有光電轉換作用；而APD不僅有光電轉換作用，內部還具有光電倍增作用。它們分別與跨阻抗前置放大器（TIA，Transfer-Impedance?Amplifier）相組合，可構成PIN-TIA光電組件和APD-TIA光電組件。這些光電組件從封裝形式來分，進一步可分為蝶型、同軸TO型。由于同軸TO型光電組件，具有體積小、結構簡單、價格低廉等優點，因而得到廣泛的應用。而PIN-TIA同軸型光電組件接收靈敏度不如APD-TIA?同軸型光電組件高。這是因為APD內部能提供8～12倍的雪崩光電倍增。與速率、TIA技術指標基本相同的PIN-TIA組件相比，APD-TIA同軸型光電組件的接收靈敏度要高出6～8dBm。所以在高速、中長距離的光接收模塊中，前端組件通常采用APD-TIA同軸型光電組件。

雖然APD-TIA同軸型光電組件光接收靈敏度比PIN-TIA組件高，但在性能一致性和使用方便性方面卻不如PIN-TIA組件。APD是適合擊穿電壓（V_b）在0.90～0.95V范圍內使用的器件，由于APD內部結構和工藝制作比較復雜，關鍵工藝難于控制，導致每個APD管芯的性能特性不盡相同，如擊穿電壓常有一定程度的偏差；而且APD對溫度比較敏感，當外界環境溫度較高或光電流較大時，不僅擊穿電壓將產生變化（減少），光電倍增因子（M_p）降低，而過量倍增噪聲將增加，從而導致光接收靈敏度下降。雖然在具有APD-TIA光電組件的光接收模塊中可設置自動光增益控制（AGC），但它對極限光靈敏度不起作用。在傳輸速率較低、傳輸距離較短、光接收靈敏度要求不高的場合，由于APD-TIA組件發熱量并不大，光接收靈敏度一般有較大的富余量，溫度控制顯得并非十分必要。但對速率高達10Gb/s以上、傳輸距離在20?km以上的光接收組件來說，APD-TIA組件的光接收靈敏度的穩定就是一個關鍵問題了。

一般來說，影響APD-TIA組件光接收靈敏度穩定的主要因素，是APD最佳偏置電壓、光倍增因子和過量倍增噪聲的穩定性。這里，所述APD最佳偏置電壓，即獲得最佳光倍增效應時對應的偏置電壓。因此，要使APD-TIA組件獲得的最佳靈敏度，不僅需要尋找最佳光倍增因子下的偏置電壓，還要保持APD-TIA組件溫度的基本穩定。通常要求APD-TIA組件的管殼溫度應保持在攝氏15℃～35℃范圍內。尤其在環境溫度超過70℃時，內部APD-TIA溫度仍然需要維持在15℃～35℃范圍內。所以，要保證10Gb/s的APD-TIA?同軸型光電組件的溫度穩定性，就是一個亟待解決的關鍵技術問題。

現有的解決APD-TIA組件溫度穩定性和最佳倍增問題的方式，通常采用最佳偏置電壓溫度補償的方法。這里，所述最佳偏置電壓溫度補償，是根據實際測量到的APD最佳偏置電壓與溫度的關系，把它寫入專用單片機存儲器中；然后根據特定溫度下的補償要求，編制最佳偏置電壓-溫度控制程序，并保存在電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）中；最后，利用該程序自動控制偏置電壓的輸出。其主要過程是：事先將在不同溫度下測得的APD最佳偏置電壓記錄下來，并保存在組件單片機存儲器中；在工作狀態下，根據溫度傳感器所測得溫度，與單片機存儲器中的最佳偏置電壓與溫度的關系進行比對，作出補償數額的判斷；然后運行保存在EEPROM中的最佳偏置電壓-溫度控制程序，采用單片機進行控制。這就是借助單片機進行控制的模擬/數字（A/D）轉換方法。因此，要進行精密溫度補償并有效控制，事先就要把APD不同溫度與最佳偏置電壓關系記錄下來。可見，在這種溫度補償法中，存在兩個問題：