一种小型化光收发器件及其制作方法

【技术领域】

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种小型化光收发器件及其制作方法。

【背景技术】

光纤传感装置例如光纤陀螺仪是一种能够精确测量转动角速度的仪器设备，现有技术中，光纤陀螺仪包括光源、探测器、拉锥耦合器、集成波导器件、光纤环圈。上述器件均为独立的带有尾纤的器件，光源、探测器、拉锥耦合器之间通过光纤熔接连接，如此，会导致光纤传感装置体积大，且装配过程复杂，工艺难度大。鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明实施例要解决的技术问题现有技术中，光纤陀螺仪包括光源、探测器、拉锥耦合器、集成波导器件、光纤环圈，上述器件均为独立的带有尾纤的器件，光源、探测器、拉锥耦合器之间通过光纤熔接连接，如此，会导致光纤传感装置体积大，且装配过程复杂，工艺难度大。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种小型化光收发器件，包括光源组件1、平面光波导2、双PD差分组件3和跨阻放大电路4，光源组件1和双PD差分组件3均与所述平面光波导2耦合，所述跨阻放大电路4与所述双PD差分组件3电连，具体的：

光源组件1，用于发出出射信号光进入平面光波导2，并经由所述平面光波导2将出射信号光发出；

平面光波导2，用于将进入器件的入射信号光传递给双PD差分组件3；

双PD差分组件3，用于探测入射信号光和空间串扰光，并将分别产生的探测电流和串扰电流进行差分处理；

跨阻放大电路4，用于对双PD差分组件3输出的差分处理后的光电电流进行增益放大，输出放大后的电压信号。

优选的，所述平面光波导2包括1x2分束器21，所述1x2分束器21包含第一分支端口211、第二分支端口212和第三汇聚端口213，具体的：

出射信号光从第一分支端口211进入1x2分束器21，从第三汇聚端口213射出；

器件的入射光束从第三汇聚端口213进入1x2分束器21，并通过第二分支端口212射出至双PD差分组件3的第一PD芯片31上。

优选的，所述1x2分束器21还包括：

用于形成第三汇聚端口213的波导具有180°弯曲的弧形结构，从而使得第一分支端口211、第二分支端口212和第三汇聚端口213位于平面光波导2的同侧。

优选的，所述双PD差分组件3包含第一PD芯片31、第二PD芯片32和载体33，所述第一PD芯片31和第二PD芯片32被设置在所述载体33上，其中，所述第一PD芯片31用于探测入射信号光，并输出探测电流；第二PD芯片32用于探测空间串扰光，并输出串扰电流。

优选的，所述第一PD芯片31和第二PD芯片32通过载体33上生成的带有镀金图案34的PD背板进行连接，第一PD芯片31的负极与第二PD芯片32的正极相连；第一PD芯片31的正极采用-5V供电，第二PD芯片32的负极接地，第二PD芯片32的正极与跨阻放大电路4的电流输入端相连；其中，两个PD芯片的光敏面朝向与光源组件1中的超辐射发光二极管的端面朝向一致。

优选的，跨阻放大电路4背面为镀银层，且作为放大电路的地极，通过直接或间隔一层绝热层的方式与平面光波导2的上表面相粘连；跨阻放大电路4的地极通过金丝键合的方式与第二PD芯片32的负极导通。

优选的，所述双PD差分组件3包含第一PD芯片31、第二PD芯片32和载体33，所述第一PD芯片31被设置在所述载体33的正面，所述第二PD芯片32被设置在所述载体33的背面，在载体33正面和背面之间设置有一条或者多条波导35，所述一条或者多条波导35用于将第一PD芯片附近的串扰光传递给位于所述载体33背面的第二PD芯片；

其中，所述第一PD芯片31用于探测入射信号光，并输出探测电流；第二PD芯片32用于探测空间串扰光，并输出串扰电流。

优选的，所述一条或者多条波导35的入光面设置在所述载体33正面上固定第一PD芯片31区域的周边。

优选的，还包括制冷器组件5，所述制冷器组件5包括热敏电阻51和半导体制冷器52，具体的：

热敏电阻51位于光源组件1的旁边，用于探测光源温度；半导体制冷器的冷端与导热陶瓷基板相连，热端与管壳的底板相连；

其中，导热陶瓷基板用于承载所述光源组件1、平面光波导2、双PD差分组件3和跨阻放大电路4。

第二方面，本发明提供了一种小型化光收发器件的制作方法，通过沉积工艺和刻蚀工艺制作得到双PD差分组件3的载体33，其中，在载体33正面和背面之间生成有一条或者多条波导35；所述载体33的正面用于设置第一PD芯片31，所述载体33的背面用于设置所述第二PD芯片32，所述一条或者多条波导35用于将第一PD芯片附近的串扰光传递给位于所述载体33背面的第二PD芯片；按照第一方面所述的小型化光收发器件完成各个组件的组装，得到小型化光收发器件。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：

本发明提供的小型化光器件，减少各器件之间的光纤熔接，具有集成度高、体积小、成本较低的特性，极大地减小了光收发器件的尺寸以及装配的复杂性，减小了光收发器件的制作难度及成本，还可以减少光纤熔接带来的插入损耗。

进一步，在本发明优选方案中还提出了一种双PD差分组件的改进方案，能够使得串扰电流的检测能够更加的准确，使得本发明光收发器件在提高集成度的情况下，进一步克服了将PD和激光器设置到同侧，由光串扰带来的检测精度降低问题。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件中平面光波导结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件中双PD差分组件结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件中双PD差分组件结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件中双PD差分组件电路示意图；

图6是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件中另一种改进的双PD差分组件结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件中另一种改进的双PD差分组件结构轴视图；

图8是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件中另一种改进的双PD差分组件结构主视图；

图9为本申请实施例提供的一种小型化光收发器件中另一种改进的双PD差分组件结构左视图；

图10为本申请实施例提供的一种小型化光收发器件中另一种改进的双PD差分组件结构左视图；

图11是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件结构俯视示意图；

图12是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件结构主视示意图；

图13是本发明实施例提供的一种小型化光收发器件中双PD差分组件结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种小型化光收发器件，如图1所示，包括光源组件1、平面光波导2、双PD差分组件3和跨阻放大电路4，光源组件1和双PD差分组件3均与所述平面光波导2耦合，所述跨阻放大电路4与所述双PD差分组件3电连，具体的：

光源组件1，用于发出出射信号光进入平面光波导2，并经由所述平面光波导2将出射信号光发出；

平面光波导2，用于将进入器件的入射信号光传递给双PD差分组件3；

双PD差分组件3，用于探测入射信号光和空间串扰光，并将分别产生的探测电流和串扰电流进行差分处理；

跨阻放大电路4，用于对双PD差分组件3输出的差分处理后的光电电流进行增益放大，输出放大后的电压信号。

本发明提供的小型化光器件，减少各器件之间的光纤熔接，具有集成度高、体积小、成本较低的特性，极大地减小了光收发器件的尺寸以及装配的复杂性，减小了光收发器件的制作难度及成本，还可以减少光纤熔接带来的插入损耗。

结合本发明实施例，还给与了所述平面光波导2的具体实现实例，如图2和图3所示，所述平面光波导2包括1x2分束器21，所述1x2分束器21包含第一分支端口211、第二分支端口212和第三汇聚端口213，具体的：

出射信号光从第一分支端口211进入1x2分束器21，从第三汇聚端口213射出；

器件的入射光束从第三汇聚端口213进入1x2分束器21，并通过第二分支端口212射出至双PD差分组件3的第一PD芯片31上。

为了能够进一步的提高集成度，本发明实施例对所述1x2分束器21做了进一步的结构优化，如图2所示，用于形成第三汇聚端口213的波导具有180°弯曲的弧形结构，从而使得第一分支端口211、第二分支端口212和第三汇聚端口213位于平面光波导2的同侧。这样的做法能够极大的提升集成度，也可避免激光器发光面和探测器PD光敏面直接相对，从而引入较大光信号串扰的可能。然而不可避免得，在器件内部会由于激光器的存在而引入微弱的空间串扰光(管壳内壁的反射)，本发明引入双PD差分组件3是为了改善空间串扰光对第一PD芯片31带来的光串扰的影响。

如图4所示，为本发明实施例所提出的一种双PD差分组件3的结构示意图，包含第一PD芯片31、第二PD芯片32和载体33，所述第一PD芯片31和第二PD芯片32被设置在所述载体33上，其中，所述第一PD芯片31用于探测入射信号光，并输出探测电流；第二PD芯片32用于探测空间串扰光，并输出串扰电流。

如图5所示，所述第一PD芯片31和第二PD芯片32通过载体33上生成的带有镀金图案34的PD背板进行连接，第一PD芯片31的负极与第二PD芯片32的正极相连；第一PD芯片31的正极采用-5V供电，第二PD芯片32的负极接地，第二PD芯片32的正极与跨阻放大电路4的电流输入端相连；其中，两个PD芯片的光敏面朝向与光源组件1中的超辐射发光二极管的端面朝向一致。

参考图1，跨阻放大电路4背面为镀银层，且作为放大电路的地极，通过直接或间隔一层绝热层的方式与平面光波导2的上表面相粘连；跨阻放大电路4的地极通过金丝键合的方式与第二PD芯片32的负极导通。

如图6、图7和图8所示，为本发明实施例进一步提出的所述双PD差分组件3的改进方案，相比较上面图4包含第一PD芯片31、第二PD芯片32和载体33，所述第一PD芯片31被设置在所述载体33的正面，所述第二PD芯片32被设置在所述载体33的背面，在载体33正面和背面之间设置有一条或者多条波导35，所述一条或者多条波导35用于将第一PD芯片附近的串扰光传递给位于所述载体33背面的第二PD芯片；在图7中示例了4条波导35的方式，并且，考虑到波导35在制作过程中的工艺复杂度，优选的是采用图7所示的两两平行设置，这样位于同一水平面上的两条波导边可以在同一刻蚀和生长工艺中制作得到。其中，所述第一PD芯片31用于探测入射信号光，并输出探测电流；第二PD芯片32用于探测空间串扰光，并输出串扰电流。

相比较图4所示的第一PD芯片31和第二PD芯片32的布局和实现方式，如图6和图7所呈现的方式，能够进一步克服PD芯片自身形体大小造成的探测空间串扰光精确度的问题，即用图4的方式的话，第二PD芯片32实际能够采集到的对第一PD芯片31产生串扰的光已经有了偏差，而这个偏差实质上会带入到后面的针对第一PD芯片31的探测电流和第二PD芯片32串扰电流的差分计算中，从而影响最终计算结果的去串扰的有效性上。

进一步考虑到现有技术制作的可信性和成本而言，最为典型的波导35的制作方式，正如图7和图8所示的制作成水平状，而这样一来分散在第一PD芯片31周边的波导35就需要感光面更大的第二PD芯片32来捕捉由各个波导35传递过来的串扰光。但是，如图8所示，本发明还提供了一种可以简化对第二PD芯片32结构形体要求的解决方案，通过引入透镜36的方式，将从分散的多个波导35传递过来的串扰光经由透镜36在此汇聚到一处，从而可以通过一般的探测器作为第二PD芯片32实现就如图6所示改进方案下的串扰光的有效探测。

需要说明的是，不论是多条波导还是透镜的方式，可通过具体设计波导具体形式或透镜具体形式，使得射入第二PD芯片的串扰光与射入第一PD芯片的串扰光强大小近似相等。

如图9所示，为上述对应图7的双PD差分组件3实现方式的左视图，直观的表现就是所述一条或者多条波导35的入光面设置在所述载体33正面上固定第一PD芯片31区域的周边。然而，在实际实现过程中，充分考虑第一PD芯片31的形态，以及波导35的制作形式之后，本发明实施例还提出了一种优选的布局方式，即采用如图10所示的结构图，将四个波导35的对角线与呈现芯片对角连线水平布局的第一PD芯片的四条边重叠设置，实际效果参考图10所示状态。这样，可以通过牺牲部分波导传递串扰光特性，而集中增强了串扰光采集的精准性。

实施例2：

本发明实施例提出了一种小型化光收发器件的制作方法，是基于实施例1中关联图6-图8的双PD差分组件3的小型化光收发器件，具体的：

通过沉积工艺和刻蚀工艺制作得到双PD差分组件3的载体33，其中，在载体33正面和背面之间生成有一条或者多条波导35；所述载体33的正面用于设置第一PD芯片31，所述载体33的背面用于设置所述第二PD芯片32，所述一条或者多条波导35用于将第一PD芯片附近的串扰光传递给位于所述载体33背面的第二PD芯片；按照如实施例1所述的小型化光收发器件完成各个组件的组装，得到小型化光收发器件。

本发明提供的小型化光器件，减少各器件之间的光纤熔接，具有集成度高、体积小、成本较低的特性，极大地减小了光收发器件的尺寸以及装配的复杂性，减小了光收发器件的制作难度及成本，还可以减少光纤熔接带来的插入损耗。能够使得串扰电流的检测能够更加的准确，使得本发明光收发器件在提高集成度的情况下，进一步克服了将PD和激光器设置到同侧，由光串扰带来的检测精度降低问题。

实施例3:

本发明实施例将以完整性阐述实施例1中在一光收发器件场景中所包含的结构特性，在本发明实施例中，为了便于主体对象出现顺序和编号表现流畅性，对相应的组件和对象的编号重新对应关联，但是，其与实施例1之间的对应关系可以基由相应的组件和对象名称建立，在此不多做赘述解释。

如图1所示，本发明实施例中光收发器件包括光源组件10、透镜组件20、平面光波导30以及双PD差分组件50。光源组件10用于发出含一定发散角的出射光束，通常由超辐射发光二极管或半导体激光器构成。出射光束经过透镜组件20变换成会聚光束，传输进入平面光波导30的波导通道内。平面光波导30包括第一端口31、第二端口32、第三端口33和波导弯曲结构34。会聚光束从第一端口31进入平面光波导30，依次通过Y分支结构和波导弯曲结构34后从第三端口33射出。入射光束通过光纤耦合端子40从第三端口33进入平面光波导30，依次通过波导弯曲结构34和Y分支结构后，从第二端口32射出至双PD差分组件50的第一PD芯片51上。第一PD芯片51用于探测入射信号光，第二PD芯片52用于探测空间串扰光，产生的相应光电流通过电路连接进行差分处理。

光源组件10、透镜组件20、平面光波导30以及双PD差分组件50封装于管壳70中。光源组件10发出拥有一定发散角的出射光束，出射光束经过透镜组件20会聚形成会聚光束，如此，透镜组件20将出射光束的能量最大限度地耦合进入第一端口31，提高耦合效率。在实施例1中并未涉及所述的透镜组件20，其原因在于在加工工艺精度足够高情况下，可以采用光源组件10与平面光波导30直接耦合的方式完成。

如图11和图12所示，透镜组件20包括准直透镜21以及聚焦透镜22。准直透镜21用于将出射光束准直为平行光束。聚焦透镜22位于准直透镜21和平面光波导30之间。聚焦透镜22用于将平行光束会聚成会聚光束。如此，可以获得较大的位移容差，提高光收发器件的环境及机械稳定性，提升光收发器件的可靠性。在另一实施例中，透镜组件包含了隔离器，位于第一透镜和第二透镜中间，用于防止光束反射回光源组件的发光端面。

如图11和图12所示，光收发器件包含热敏电阻81和半导体制冷器82。热敏电阻用于探测光源组件10的工作温度，半导体制冷器82用于将光源组件10调节工作温度至设定温度。由于光源组件10发出的光束的中心波长会随着工作温度的变化而变化，使其的工作波长发生漂移。在热敏电阻81和半导体制冷器82的作用下，将维持光源组件10的工作温度在恒定的温度下，从而使光源组件10的出光功率及的中心波长等性能参数保持稳定。

设定温度通常为25℃，若工作温度高于25℃，则通过半导体制冷器82降温直至工作温度为25℃；当然，若工作温度低于25℃，也可以通过半导体制冷器82升温直至工作温度为25℃。

与此同时，制冷器组件80可以使陶瓷基板60上其他组件工作在相对稳定的温度中。对于双PD差分组件50和跨阻放大电路90来讲，保持组件工作在25℃，可以有效抑制相应组件在高温环境中的暗电流大小，提高器件的信噪比。对于透镜组件20来讲，可以有效减小其在变温环境中的位移量，从而减小器件输出功率的高低温变化。对于平面光波导30和光纤耦合端子40的连接部位而言，温控系统可以保持其在高低温过程中插损的稳定性。

需要说明的是，半导体制冷器是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件。半导体制冷器包括用半导体连接的两个陶瓷板，半导体制冷器接通电流后其中一个陶瓷板温度升高，其中另一个陶瓷板温度降低。

如图12所示，陶瓷基板的背面60与半导体制冷器上表面通过焊接的方式相连，平面光波导30与陶瓷基板的背面60的正面通过粘接的方式相连。陶瓷基板60为一个整体可以避免受热或受冷变形，从而避免光源组件10、透镜组件20、平面光波导30和双PD差分组件50相对位置变化导致光收发器件的光路改变。陶瓷基板60具备良好的导热性能，便于光各组件与半导体制冷器82之间的热量传导。

如图12所示，跨阻放大电路90背面为镀银层，通过直接或间隔一层绝热层的方式与平面光波导的上表面相粘连，形成垛堞结构。如此可以有效利用管壳70内空间，减小器件的实际尺寸。

透镜组件20可以粘接于陶瓷基板60上。如此可以保证透镜组件20耦合的可操作性。具体的，透镜组件20可以通过紫外胶或激光焊接的方式粘接于陶瓷基板60上。

请参见图11和图12，平面光波导30为平面光波导分路器，可为硅基或二氧化硅基波导芯片。入射光束通过光纤耦合端子40从第三端口33进入平面光波导30后，由弯曲波导结构34，将入射光束的传播方向调转180°，再通过经过平面光波导分路器的Y分支结构，入射光束的光功率能够均分至第一端口31和第二端口32中。同时，第一端口31、第二端口32、第三端口33位于平面光波导的同侧，如此，还便于设置透镜组件20、双PD差分组件50和光纤耦合端子40，使得光路结构更加紧凑，可进一步减小光收发器件的体积。

第一端口31、第二端口32以及第三端口33所连接波导均可以为单模光波导。进一步地，光纤耦合端子40内使用光纤均可以为单模光纤。单模光纤是指只能传输一种模式即基模的光的光纤。

如图13所示，双PD差分组件50包括第一PD芯片51，第二PD芯片52，PD背板53，镀金图案54。所述PD芯片为PIN二极管或APD二极管。第一PD芯片51用于探测入射光束，并将光信号转换为电流信号。第二PD芯片52用于探测空间串扰光。第一PD芯片51和第二PD芯片52通过导电银胶粘接在PD背板53上，其背面为芯片负极。第一PD芯片的正极通过与镀金图案54金丝键合的方式和第二PD芯片的负极相连。第一PD芯片的正极采用5V供电，第二PD芯片的负极接地。在一实施例中，请参见图11，两个PD芯片的光敏面朝向与光源组件中的超辐射发光二极管的端面朝向一致。

跨阻放大器52将双PD差分组件50产生的差分电流信号转换为电压信号，从而实现放大输出。跨阻放大器52可由厚膜陶瓷电路或者TIA芯片电路构成。具体的，第二PD芯片的正极与跨阻放大电路的电流输入端相连，跨阻放大电路90的地极通过金丝键合的方式与第二PD芯片的负极导通。

光收发器件采用气密性封装。如此，减少管壳70内的部件受管壳70外部水汽或其他杂质的影响。管壳70为蝶形结构，两侧各8根管脚且两侧各具备一根接地管脚，且管壳的尾管空偏离管壳的中心线位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。