[发明专利]带温控功能的APD-TIA同轴型光电组件及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信领域的高速光信号接收组件设计技术，尤其涉及一种具有温控功能的雪崩倍增型光电二极管（APD）-跨阻抗前置放大器（TIA）同轴型光电组件及制造方法。

背景技术

由于市场需求和光电子与集成电路技术的不断进步，光接入网E-PON和G-PON的下行传输速率目前已达10Gb/s。在光接入网中，要接收从光纤传来的光信号，须要在光接收前端采用由光电二极管和低噪声前置放大器组成的小型化密封的光电组件。

光电二极管，按结构和性能指标来区分，主要有两种形式：一种是具有PIN型的光电二极管（PIN-PD），另一种是雪崩倍增光电二极管（APD）。PIN-PD仅有光电转换作用；而APD不仅有光电转换作用，内部还具有光电倍增作用。它们分别与跨阻抗前置放大器（TIA，Transfer-Impedance Amplifier）相组合，可构成PIN-TIA光电组件和APD-TIA光电组件。这些光电组件从封装形式来分，进一步可分为蝶型、同轴TO型。由于同轴TO型光电组件，具有体积小、结构简单、价格低廉等优点，因而得到广泛的应用。而PIN-TIA同轴型光电组件接收灵敏度不如APD-TIA 同轴型光电组件高。这是因为APD内部能提供8～12倍的雪崩光电倍增。与速率、TIA技术指标基本相同的PIN-TIA组件相比，APD-TIA同轴型光电组件的接收灵敏度要高出6～8dBm。所以在高速、中长距离的光接收模块中，前端组件通常采用APD-TIA同轴型光电组件。

虽然APD-TIA同轴型光电组件光接收灵敏度比PIN-TIA组件高，但在性能一致性和使用方便性方面却不如PIN-TIA组件。APD是适合击穿电压（V_b）在0.90～0.95V范围内使用的器件，由于APD内部结构和工艺制作比较复杂，关键工艺难于控制，导致每个APD管芯的性能特性不尽相同，如击穿电压常有一定程度的偏差；而且APD对温度比较敏感，当外界环境温度较高或光电流较大时，不仅击穿电压将产生变化（减少），光电倍增因子（M_p）降低，而过量倍增噪声将增加，从而导致光接收灵敏度下降。虽然在具有APD-TIA光电组件的光接收模块中可设置自动光增益控制（AGC），但它对极限光灵敏度不起作用。在传输速率较低、传输距离较短、光接收灵敏度要求不高的场合，由于APD-TIA组件发热量并不大，光接收灵敏度一般有较大的富余量，温度控制显得并非十分必要。但对速率高达10Gb/s以上、传输距离在20 km以上的光接收组件来说，APD-TIA组件的光接收灵敏度的稳定就是一个关键问题了。

一般来说，影响APD-TIA组件光接收灵敏度稳定的主要因素，是APD最佳偏置电压、光倍增因子和过量倍增噪声的稳定性。这里，所述APD最佳偏置电压，即获得最佳光倍增效应时对应的偏置电压。因此，要使APD-TIA组件获得的最佳灵敏度，不仅需要寻找最佳光倍增因子下的偏置电压，还要保持APD-TIA组件温度的基本稳定。通常要求APD-TIA组件的管壳温度应保持在摄氏15℃～35℃范围内。尤其在环境温度超过70℃时，内部APD-TIA温度仍然需要维持在15℃～35℃范围内。所以，要保证10Gb/s的APD-TIA 同轴型光电组件的温度稳定性，就是一个亟待解决的关键技术问题。

现有的解决APD-TIA组件温度稳定性和最佳倍增问题的方式，通常采用最佳偏置电压温度补偿的方法。这里，所述最佳偏置电压温度补偿，是根据实际测量到的APD最佳偏置电压与温度的关系，把它写入专用单片机存储器中；然后根据特定温度下的补偿要求，编制最佳偏置电压-温度控制程序，并保存在电可擦可编程只读存储器（EEPROM）中；最后，利用该程序自动控制偏置电压的输出。其主要过程是：事先将在不同温度下测得的APD最佳偏置电压记录下来，并保存在组件单片机存储器中；在工作状态下，根据温度传感器所测得温度，与单片机存储器中的最佳偏置电压与温度的关系进行比对，作出补偿数额的判断；然后运行保存在EEPROM中的最佳偏置电压-温度控制程序，采用单片机进行控制。这就是借助单片机进行控制的模拟/数字（A/D）转换方法。因此，要进行精密温度补偿并有效控制，事先就要把APD不同温度与最佳偏置电压关系记录下来。可见，在这种温度补偿法中，存在两个问题：