一种带光放大功能的光接收器件的制作方法

1.本发明属于光器件领域，特别涉及一种光接收器件技术。


背景技术：

2.现有的光接收器件，功能单一，无法适应高速和长距离传输的要求。以25g光器件为例，使用pin pd的光接收器件其灵敏度约为
‑
12dbm(无误码)，能满足10km距离传输要求，使用apd的光接收器件，其灵敏度约为
‑
19dbm(无误码)，能满足30km距离传输要求，通信协议中40km距离传输的灵敏度要求低于
‑
23.5dbm(无误码)，80km距离传输灵敏度要求低于
‑
28dbm(误码率为5e
‑
5)，这两种要求是目前的光接收器件难以做到的。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提出一种带光放大功能的光接收器件，集成半导体光放大器(soa)光接收to。
4.本发明采用的技术方案为：一种带光放大功能的光接收器件，采用集成半导体光放大器的接收to；
5.具体还包括：光口适配器、耦合调节环、聚焦透镜、金属座；光口适配器用来连接外部标准跳线，所述耦合调节环，用于在光学耦合时，连接光口适配器与金属座；聚焦透镜用于将光口适配器进来的光转换为准直光束；所述金属座用于承载聚焦透镜与集成半导体光放大器的接收to。
6.所述光口适配器靠近聚焦透镜端的光纤端面呈一倾斜角度。
7.还包括光隔离器，设置于聚焦透镜与集成半导体光放大器的接收to之间。
8.所述光隔离器为偏振无关隔离器。
9.当集成半导体光放大器的接收to不带透镜时，还包括在光隔离器与集成半导体光放大器的接收to之间设置外置透镜。
10.所述集成半导体光放大器的接收to，包括：半导体光放大器芯片3、soa芯片基板5、热沉6、聚焦透镜7、光电探测器8、跨阻放大器9、to底座11；所述soa芯片基板5用于承载半导体光放大器芯片3；所述热沉6用于为soa芯片基板5、聚焦透镜7、光电探测器8、跨阻放大器9提供支撑；
11.其中，半导体光放大器芯片3、聚焦透镜7、光电探测器8、跨阻放大器9，位于主光路上，光信号耦合进入半导体光放大器芯片3进行放大，放大后的光信号经聚焦透镜7耦合至光电探测器8内，光电探测器8将接收到的光信号转换为电信号输入至跨阻放大器9进行处理，跨阻放大器9输出电压信号。
12.集成半导体光放大器的接收to还包括：热敏电阻4、半导体制冷器10，所述热敏电阻4设置于soa芯片基板5上，半导体制冷器10设置于跨阻放大器9下方。
13.集成半导体光放大器的接收to还包括金属管帽1，用于密封整个光接收to内部的元件。
14.集成半导体光放大器的接收to还包括密封玻璃片或透镜2，作为光信号传输窗口，并密封金属管帽。
15.本发明的有益效果：本发明的光接收器件其内部集成有soa芯片，soa芯片可对1270～1330nm波长范围的光信号进行有效的放大，其放大倍数可达20db，相当于增大了耦合到pd芯片的光信号能量，由于soa芯片本身的噪声问题，灵敏度无法提升20db，经测试无误码灵敏度可达
‑
26dbm，5e
‑
5误码率灵敏度可达
‑
31dbm，完全满足40km和80km传输距离要求。
附图说明
16.图1为本发明的光接收器件的剖面视图；
17.图2为本发明光接收器件内部的光路；
18.图3为本发明光接收to的正视图；
19.其中，1为金属管帽；2为密封玻璃片或透镜；3为半导体光放大器芯片(soa chip)；4为热敏电阻；5为soa芯片基板；6为热沉；7为聚焦透镜；8为光电探测器(pd)；9为跨阻放大器(tia)；10为半导体制冷器(tec)；11为to底座。
具体实施方式
20.为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
21.如图1所示，本发明的光接收器件，包括：光口适配器、耦合调节环、聚焦透镜、光隔离器、金属座、集成半导体光放大器的接收to(soa pin pd to)。
22.光口适配器：标准光口，用来连接外部标准跳线。
23.耦合调节环：光学耦合时，连接光口适配器与金属座。
24.透镜：将从适配器的光束转换为准直光束。
25.光隔离器：用来隔离半导体光放大器(soa)的自发辐射光，由于soa的自发辐射光以及光口适配器输出的光信号偏振态不确定，只能使用偏振无关隔离器。
26.金属座：其作用时承载透镜，光隔离器以及to。
27.集成半导体光放大器的接收to：放大光信号并将光信号转换为电信号输出。
28.图1中的集成半导体光放大器接收to自带有聚焦透镜可以直接把光信号汇聚到soa的波导中，本方案亦可支持不带透镜的soa pin pd to，只需再光隔离器与to之间增加一颗合适的外置透镜即可。
29.本发明中使用了一颗偏振无关隔离器，这种光隔离器对入射光的偏振态无要求，由于soa的自发辐射光和光口适配器的输出光都是偏振态不确定的，所以必须使用这种偏振无关隔离器。
30.本发明中透镜之间的光路为平行光路，如图2所示，这是因为偏振无关隔离器正常工作时，需要被放置在平行光路中，否则，插损和隔离度都达不到要求。
31.本发明中光口适配器靠近透镜端的光纤端面是带有倾斜角度的，可以减少soa自发辐射光被反射后重新耦合到soa中的光能量，从而减少这部分反射光对接收性能的影响。光纤端面的倾斜角度可以设定为任意角度，一般为4
°
、5
°
、6
°
。
32.当光纤端面为0
°
时，从soa发出然后回到soa的光能量相当于soa自发辐射量的千分之一(
‑
30db),当光纤角度为5
°
时，返回的光能量百万分之二(
‑
56db)。
33.本发明光器件的封装过程为：先将透镜与光隔离器用光学胶水固定在金属座上，to通过滑配或者压配的方式与金属座固定，之后再通过激光穿透焊加固。耦合时，设定合适的电流和温度使得to正常工作，将外部光源输入光接到光口适配器上，从to的镜像电流监控中读取pd的光电流值，调整光口适配器的位置使得光电流值最大，使用激光焊接固定光口适配器，耦合调节环以及金属座。
34.如图3所示，本发明的光接收to包括：金属管帽1、密封玻璃片或透镜2、半导体光放大器芯片3、热敏电阻4、soa芯片基板5、热沉6、聚焦透镜7、光电探测器8、跨阻放大器9、半导体制冷器10、to底座11；
35.金属管帽1，用于密封整个光接收to内部的元件，防止水汽粉尘等污染物进入。
36.密封玻璃片或透镜2，作为光信号传输窗口，并密封to管帽。
37.半导体光放大器芯片(soa chip)3，用于将光信号进行放大。
38.热敏电阻4，对温度进行监控，并为tec提供参考温度，其贴装在soa芯片基板上，并且靠近soa芯片。
39.soa芯片基板5，用于承载soa芯片以及热敏电阻。
40.热沉6，为soa芯片，soa芯片基板，热敏电阻，聚焦透镜提供支撑，并将其产生的热量传导至tec。
41.聚焦透镜7，将soa放大后的光信号聚焦耦合到pd芯片上。
42.光电探测器(pd)8，将光信号转换为电流信号。
43.跨阻放大器(tia)9，将光电探测器的电流信号转换为电压信号进行输出。
44.半导体制冷器(tec)10，由于半导体光放大器需要稳定的工作温度，需要tec对其进行温度控制，具体的：外部to驱动芯片的微控制单元会读取热敏电阻的温度，将这个温度与设定温度进行比较，控制tec电流的流向从而进行加热或者制冷的控制，使得热敏电阻的温度与设定温度一致。
45.to底座11，为内部元件提供支撑平台，并提供与外部连接的电接口。电接口如图2标识，tec控制接口(tec 和tec
‑
)，热敏电阻接口(rth 和gnd)，soa控制接口(soa 和gnd)，tia供电接口(vcc和gnd)，差分信号输出接口(outp和outn)以及监控接口(rssi)。
46.本发明的光接收to的工作原理为：光信号通过外置透镜或者to管帽自带的透镜耦合进入soa芯片中，将soa芯片设定在合适的电流和温度下，soa会将光信号进行放大，放大后光信号经聚焦透镜7耦合至pd芯片8内，pd芯片8将接收到的光信号转换为电信号输入到tia 9进行处理，以电压信号输出。
47.本发明的光接收to的具体封装过程为：
48.1，将tia贴装在tec的冷面，使用银胶固定；
49.2，将pd芯片贴装在tia表面，使用银胶固定；
50.3，贴装好tia和pd的tec贴装在to底座上，并使用银胶固定；
51.4，将tia与pd上需要使用的焊盘通过打线方式连接到to底座对应的接线柱上；
52.5，将soa芯片与热敏电阻贴装在soa芯片基板上，使用银胶固定；
53.6，将贴装好soa芯片以及热敏电阻的基板贴装在热沉上，使用银胶固定；
54.7，将热沉固定在tec的冷面；
55.8，将soa芯片和热敏电阻通过打线的方式连接到to底座对应的接线柱上；
56.9，将to底座固定在治具上，并且通过to底座自带的引脚与外部的驱动电路板连接；
57.10，在驱动板上给soa 引脚设置100ma的电流使得soa工作，此时soa会发出一定量的自发幅射光，vcc引脚设置3.3v电压，将rssi引脚连接到高精度电流表上；
58.11，移动聚焦透镜，将soa芯片的自发幅射光尽可能的耦合到pd芯片上，监控电流表的读数，读数最大时，将聚焦透镜通过uv胶固定在热沉上；
59.12，真空或者充满保护气体的环境下，把金属管帽电阻焊到to底座上。
60.本发明将soa与pd集成封装在一颗to内，可以极大的减少封装器件的大小，并且器件的稳定性也得以提高。
61.本发明使用pin pd作为光电探测器，由于soa放大后光信号本身带有很大的噪声，经apd再次放大之后，信噪比下降严重，性能反而不如使用pin pd优秀。
62.本发明使用tec稳定soa的工作温度，可以满足器件在不同环境温度下使用。
63.本发明使用透镜将soa放大后的光信号耦合至pd内，合适的透镜选择可以让尽可能多的光信号耦合至pd。
64.本发明to管帽可以使用平窗玻璃类型也可以使用非球面或者其它准直透镜管帽，平窗玻璃管帽需搭配外置准直透镜使用。
65.普通的光接收to，内部只有pin光电探测器(pin pd)或者是雪崩型光电探测器(apd)，前者可以满足25g信号10km左右距离的传输，后者利用雪崩效应可将光生电流放大10倍左右，可以满足25g信号40km距离的传输，而soa芯片可以提供100倍左右的光信号增益，可将传输距离提升至80km。
66.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。