CN107065085A - 光电转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种光电转换装置，包括光电探测器、共面波导和光耦合结构，其中，光电探测器，倒装焊于共面波导的表面，以使光电探测器的电极与共面波导的传输线连接；光耦合结构，用于将传输的信号光耦合到光电探测器的光敏面。光耦合结构包括V型槽基板和至少一根45°斜面光纤，其中：V型槽基板，具有若干周期排列的V型槽，每一个V型槽用于固定至少一根45°斜面光纤中的任一根。本发明利用倒装焊技术将光电探测器倒扣在共面波导的表面，且通过倒装焊可将光电探测器的电极与共面波导的传输线进行连接，因此减小了通常的封装过程中由于金丝键合引入的寄生电感的影响，优化了器件性能。

Description

光电转换装置
技术领域
本发明属于光电子/微电子器件领域，更具体地涉及一种光电转换装置。
背景技术
随着宽带业务量的快速增长，光通信器件正朝着集成化，小体积，大容量，高速率的方向发展。高度集成化的发展趋势使得器件阵列集成成为研究热点。探测器接收模块作为光纤通信网络接收机的核心部分，其结构直接决定了器件的性能。
探测器芯片通常采用透镜方式直接耦合，然而对于一般结构的探测器芯片来说，要想实现透镜方式的直接耦合，需要将探测器芯片进行立体封装，且在微波信号的传输过程中，微波信号需要进行90°转弯，因此严重影响了器件的传输速率；探测器芯片的另一种耦合方式是将光路调转90°，且将探测器芯片直接贴于共面波导上，这就需要用金丝将探测器芯片的电极与共面波导连接，但金丝键合会引入寄生电感，同样会影响器件的传输速率。
发明内容
基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种光电转换装置，用于解决以上技术问题的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提出一种光电转换装置，包括光电探测器、共面波导和光耦合结构，其中：
光电探测器，倒装焊于共面波导的表面，以使光电探测器的电极与共面波导的传输线连接；
光耦合结构，用于将传输的信号光耦合到光电探测器的光敏面。
在本发明的一些实施例中，上述共面波导为渐变结构，其靠近光电探测器的一端传输线间的间距小，远离光电探测器的一端传输线间的间距大。
在本发明的一些实施例中，上述光耦合结构包括V型槽基板和至少一根45°斜面光纤，其中：
V型槽基板，具有若干周期排列的V型槽，每一个V型槽用于固定至少一根45°斜面光纤中的任一根；
45°斜面光纤，用于传输信号光，该45°斜面光纤的其中一个端面为椭球面，其中另一个端面为与轴向呈45°夹角的斜面。
在本发明的一些实施例中，上述光耦合结构包括光栅，该光栅的一端与光电探测器的位置相对应，用于改变信号光的传播方向，以使信号光射入光电探测器的光敏面。
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器倒装焊于共面波导的表面后，采用的焊料形成为焊柱或焊球，焊柱或焊球的位置与光电探测器的电极和共面波导的传输线相对应。
在本发明的一些实施例中，上述焊柱或焊球的高度取决于光耦合结构的高度；该焊柱或焊球的宽度取决于光电探测器电极的大小和间距。
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器，用于将射入其光敏面的所述信号光转换为电信号。
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器包括至少一个探测器芯片和/或至少一个探测器芯片阵列。
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器的类型有PIN型光电探测器、雪崩光电探测器和硅基探测器
本发明提出的光电转换装置，具有以下有益效果：
1、本发明利用倒装焊技术将光电探测器倒扣在共面波导的表面，且通过倒装焊可将光电探测器的电极与共面波导的传输线进行连接，因此减小了通常的封装过程中由于金丝键合引入的寄生电感的影响，优化了器件性能；
2、本发明的光耦合采用45°斜面光纤来改变信号光的传播方向，以使信号光射入光电探测器的光敏面，且利用V型槽基板的V型槽对45°斜面光纤进行固定；光电探测器探测光敏面射入的信号光，并将信号光转换为电信号，即可完成光电转换，因此本发明的光电转换装置体积小，结构简单，提高了器件的集成度，能够适用于大容量阵列集成的光接收模块。
附图说明
图1(a)是本发明一实施例提出的光电转换装置的俯视图；
图1(b)是本发明一实施例提出的光电转换装置的仰视图；
图1(c)是本发明一实施例提出的光电转换装置的主视图；
图1(d)是本发明一实施例提出的光电转换装置的左视图
图2是本发明一实施例提出的光电转换装置的结构立体图；
图3是本发明一实施例提出的光电转换装置的应用示意图。
【附图标记说明】
1-V型槽基板； 2-共面波导；
3-45°斜面透镜光纤； 4-焊柱；
5-光电探测器； 6-管壳；
7-金丝； 8-偏置电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种光电转换装置，包括光电探测器、共面波导和光耦合结构，其中：
光电探测器，倒装焊于共面波导的表面，以使光电探测器的电极与共面波导的传输线连接；
光耦合结构，用于将传输的信号光耦合到光电探测器的光敏面。
上述光电转换装置利用倒装焊技术将光电探测器倒扣在共面波导的表面，且通过倒装焊将光电探测器的电极与共面波导的传输线连接，因此减小了通常的封装过程中由于金丝键合引入的寄生电感的影响，优化了器件性能。
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器用于探测射入光敏面的信号光，并将信号光转换为电信号，完成光电转换。
在本发明的一些实施例中，上述光耦合结构包括V型槽基板和至少一根45°斜面光纤，其中：
V型槽基板，具有周期排列的V型槽，每一个V型槽用于固定至少一根45°斜面光纤中的任一根；
45°斜面光纤，用于传输信号光，45°斜面光纤的其中一个端面为椭球面，其中另一个端面为与轴向呈45°夹角的斜面，以使信号光射入光电探测器的光敏面。
本实施例采用45°斜面光纤来改变信号光的传播方向，以使信号光射入光电探测器的光敏面，且利用V型槽基板的V型槽对45°斜面光纤进行固定；从而使光电转换装置具有体积小、结构简单、器件的集成度高，能够适用于大容量阵列集成的光接收模块等优点。
V型槽可以很大程度上调节单根光纤的左右分布，很容易实现信号光的耦合与45°斜面光纤的同定。
在本发明的一些实施例中，上述光耦合结构包括光栅，该光栅的一端与光电探测器的位置相对应，用于传输信号光和改变信号光的传播方向，以使信号光射入光电探测器的光敏面。光栅结构具有更高的集成度，主要应用于探测器阵列芯片的封装结构。
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器包括至少一个探测器芯片和/或至少一个探测器芯片阵列，光耦合结构包括具有周期排列的至少一个V型槽的V型槽基板和至少一根45°斜面光纤，每一个V型槽用于固定至少一根45°斜面光纤中的任一根；45°斜面光纤，用于传输信号光，45°斜面光纤的其中一个端面为椭球面，其中另一个端面为与轴向呈45°夹角的斜面，以使信号光射入光电探测器的光敏面；其中，探测器芯片间的间距或探测器芯片阵列中相邻单元间的间距与45°斜面光纤间的间距相等，45°斜面光纤的45°斜面端与探测器芯片或探测器芯片阵列中每个单元的光敏面相对应。V型槽的间距一般情况与探测器芯片阵列或探测器芯片的间距保持一致，并且间距差精度要求很高，特别是对于探测器芯片阵列。
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器包括至少一个探测器芯片和/或至少一个探测器芯片阵列；上述光耦合结构包括光栅，该光栅的一端与光电探测器的位置相对应，用于改变信号光的传播方向，以使信号光射入光电探测器的光敏面。其中，光栅的周期与探测器芯片的排布周期或探测器芯片阵列的周期相匹配，且光栅在靠近探测器芯片或探测器芯片阵列的一端可使信号光的传播方向产生90°的改变。
在本发明的一些实施例中，V型槽和45°斜面光纤的使用主要是针对于多个分立探测器芯片的阵列封装设计的；对于单片集成的探测器芯片阵列，V型槽和45°斜面光栅可以换成具有解复用功能的光栅，光栅的周期与单片集成的探测器芯片阵列的周期相等，一般为250um，此时要求的空间相对精度很高，光栅同时还具有使信号光的传播方向改变90°的功能
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器通过焊料倒装焊于共面波导的表面。
在本发明的一些实施例中，在光电探测器倒装焊于共面波导的表面后，焊料形成为焊柱或焊球，该焊柱或焊球的位置与光电探测器的电极和共面波导的传输线相对应。
在本发明的一些实施例中，上述焊柱或焊球的高度取决于光耦合结构的高度；焊柱或焊球的宽度取决于光电探测器电极的大小和间距。
在本发明的一些实施例中，若光电探测器电极之间的间距很小，且电极面积有限，可以有限考虑焊球，只要保证焊球与电极面为相切连接即可，尤其是对于光电探测器集成芯片来说；对于分离的探测器芯片封装，可以采用焊柱，利于操作并且可靠性很高。
在本发明的一些实施例中，上述光电探测器的类型有PIN型光电探测器、雪崩光电探测器和硅基探测器。
在本发明的一些实施例中，上述共面波导为渐变结构，其靠近光电探测器的一端传输线间的间距小，远离光电探测器的一端传输线间的间距大。从而实现倒装焊光电探测器的电极和共面波导的传输线的连接。
在本发明的一些实施例中，提出一种光电转换装置，该装置包括V型槽基板、共面波导、若干根45°斜面光纤、倒装焊形成的焊柱、若干个探测器芯片。其中V型槽基板形成有周期排列的若干个V型槽，共面波导具有若干组传输线，45°斜面光纤的一端为椭球面，另一端为45°斜面。利用倒装焊技术将若干个探测器芯片倒装焊于共面波导的表面，且若干个探测器芯片的电极与共面波导的若干组传输线分别连接，从而可减小封装过程中由于金丝键合引入的寄生电感的影响，优化了器件性能；利用V型槽基板的若干个V型槽对若干根45°斜面光纤进行固定，信号光由若干个45°斜面光纤的椭球面传输到45度斜面端后发生反射，进而分别入射到若干个光电探测器的光敏面，该若干个光电探测器探测射入光敏面的信号光，并将信号光转化成电信号，从而完成光电转换。本实施例的光路集成光电转换装置的体积小、结构简单、器件的集成度高，能够适用于大容量阵列集成的光接收模块。
在本发明的一些实施例中，倒装焊焊柱可以根据探测器芯片电极的大小和间距确定焊柱的尺寸，根据V型槽基板的厚度和光纤尺寸确定焊柱的高度，倒装焊焊柱也可以替换为与探测器芯片电极相称的焊球，以提高焊接精度。
在本发明的一些实施例中，光电转换装置中的共面波导与管壳通过金丝连接，为减小金丝键合的影响，此时的金丝可替换为金带或者用多根金丝代替，同时共面波导和管壳之间的间距越小越好，以保证短的金丝的长度，提高器件的高速性能。
以下通过具体实施例，对本发明提出的光电转换装置进行详细描述。
实施例
如图1(a)至1(d)所示，本实施例提出一种四路集成的光电转换装置，包括V型槽基板1、共面波导2、4根45°斜面光纤3、4个探测器芯片5。
其中，如图1(a)所示，V型槽基板1具有4个周期排列的V型槽11，用于固定放置4根45°斜面光纤3；共面波导2具有4组周期排列的传输线51，且其为渐变结构；如图1(c)所示，4个探测器芯片5通过焊柱4倒装焊于共面波导2的上表面，以在共面波导2上周期排列，且如图1(d)和图2所示，4个探测器芯片5的电极通过焊柱4分别与4组周期排列的传输线51连接；每组共面波导2的传输线51中的各传输线的间距，在靠近探测器芯片5的一端间距小，在远离探测器芯片5的一端间距大，且在距探测器芯片5一定距离后的部分，间距恒定不变；如图1(c)，4根45°斜面光纤3的一端为椭球面31，另一端为45°斜面32，且如图1(a)和图1(b)所示，4根45°斜面光纤3的45°斜面32分别位于4个探测器芯片5的下方，用于将光纤中传播的信号光的传播方向旋转90°后，分别射入4个探测器芯片5的光敏面。其中，周期排列的V型槽11、周期排列的传输线51和周期排列的探测器芯片的周期均等。
如图3所示，为本实施例提出的光电转换装置在四路集成光接收模块中的应用，信号光经过长距离传输后经光解复用器分成4路后经由4根45°斜面光纤3的椭球面31分别进入4根45°斜面光纤3中，45°斜面光纤3中的椭球面31提高了光的耦合效率；信号光经光纤传播后在4根45°斜面光纤3的45°斜面发生反射，光信号的传播方向由水平方向向上弯折90°变为垂直方向，从而正好分别射入倒扣的4个探测器芯片5的光敏面上，分别被4个探测器芯片探测，并将进入探测器芯片的信号光转化成电信号，电信号经过共面波导2的4组传输线21传输至管壳6。共面波导2和管壳6之间由金丝7连接；由于探测器芯片一般工作在反偏状态下，因此，如图3所示，通过偏置电路8给4个探测器芯片5加入反偏电压，使其工作在正常的工作状态。
需要说明的是，本实施例中的V型槽基板1和45°斜面光纤3可由能将信号光的传播方向转变90°的光栅替代，其中光栅的分布与探测器芯片的分布一一对应。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光电转换装置，包括光电探测器、共面波导和光耦合结构，其中：
光电探测器，倒装焊于所述共面波导的表面，以使所述光电探测器的电极与所述共面波导的传输线连接；
光耦合结构，用于将传输的信号光耦合到所述光电探测器的光敏面。
2.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述共面波导为渐变结构，其靠近所述光电探测器的一端所述传输线间的间距小，远离所述光电探测器的一端所述传输线间的间距大。
3.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述光耦合结构包括V型槽基板和至少一根45°斜面光纤，其中：
V型槽基板，具有若干周期排列的V型槽，每一个所述V型槽用于固定所述至少一根45°斜面光纤中的任一根；
45°斜面光纤，用于传输所述信号光，所述45°斜面光纤的其中一个端面为椭球面，其中另一个端面为与轴向呈45°夹角的斜面。
4.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述光耦合结构包括光栅，所述光栅的一端与所述光电探测器的位置相对应，用于改变所述信号光的传播方向，以使所述信号光射入所述光电探测器的光敏面。
5.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，在所述光电探测器倒装焊于所述共面波导的表面后，采用的焊料形成为焊柱或焊球，所述焊柱或焊球的位置与所述光电探测器的电极和所述共面波导的传输线相对应。
6.如权利要求5所述的光电转换装置，其中，所述焊柱或焊球的高度取决于所述光耦合结构的高度；所述焊柱或焊球的宽度取决于所述光电探测器电极的大小和间距。
7.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述光电探测器，用于将射入其光敏面的所述信号光转换为电信号。
8.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述光电探测器包括至少一个探测器芯片和/或至少一个探测器芯片阵列。
9.如权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述光电探测器的类型有PIN型光电探测器、雪崩光电探测器和硅基探测器。
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