一种用于OTDR的APD同轴光接收组件的制作方法

本发明实施例涉及光通信技术领域，尤其涉及一种用于otdr的apd同轴光接收组件。

背景技术：

在光通信领域，光时域反射仪(otdr)是光纤测试技术领域中一种常用的仪表，它可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。otdr内部核心的接收方案通常采用apd光接收机，同时为apd光接收机配备otdr运算放大器使用。

目前，otdr通常采用的apd接收机是apd同轴光接收组件。apd同轴光接收组件内部没有对运算放大器进行集成，运算放大器需要设置在otdr模块的电路板上，导致otdr模块整体尺寸偏大，无法满足产品小型化的需求。针对这一问题，可以通过采用蝶形封装或者box封装实现运算放大器在器件内部的集成，但是由此造成的器件物料成本和生产成本都较高，同时器件尺寸相较于同轴器件偏大，且不利于批量生产。

此外，otdr要求apd同轴光接收组件的apd倍增因子m在30以上，暗电流要求控制在25na以内。但是在高温状态下，apd芯片的倍增因子m将会下降，且apd芯片的暗电流很大，通常85度时在200na左右，无法满足要求，会导致apd同轴光接收组件乃至otdr产品高温性能劣化。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种用于otdr的apd同轴光接收组件，用以解决现有的otdr模块尺寸偏大、高温性能差的问题。

本发明实施例提供一种用于otdr的apd同轴光接收组件，包括apd芯片、运算放大器、温度调节模块、to底座和to帽；

其中，to底座与to帽配合构成to封装，apd芯片、运算放大器和温度调节模块均装设在to封装内，apd芯片的正极与运算放大器的输入端口电连接。

本发明实施例提供的一种用于otdr的apd同轴光接收组件，一方面将运算放大器装设在to封装内，在缩小otdr模块整体尺寸，满足产品小型化的需求的同时，相比蝶形和box封装，降低了封装成本和工艺难度。另一方面将温度调节模块装设在to封装内，使得apd芯片温度保持基本稳定，保证apd芯片暗电流和倍增因子m不会随外界温度变化而劣化，保证全温范围内apd同轴光接收组件性能的一致性。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

图1为本发明实施例提供的apd同轴光接收组件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的apd芯片与运算放大器的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的to底座的底视图；

图4为本发明实施例提供的基板上表面示意图；

图5为本发明实施例提供的apd同轴光接收组件的内部元件组装示意图；

图6为本发明实施例提供的apd同轴光接收组件的电路结构示意图；

附图标记说明：

1-apd芯片；2-运算放大器；3-温度调节模块；

4-to底座；5-to帽；6-rc滤波组件；

7-第一滤波电容；8-第二滤波电容；9-运放正电源管脚；

10-运放负电源管脚；11-运放输入管脚；12-运放输出管脚；

13-地管脚；14-apd供电管脚；15-温度调节管脚；

16-温度检测管脚17-基板；18-上表面；

19-公共焊盘；20-温度检测模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对otdr内部使用的apd同轴光接收组件普遍存在的无法集成运算放大器导致的otdr模块尺寸偏大的问题，以及高温性能差，无法满足产品需求的问题，本发明实施例提出了一种用于otdr的集成有运算放大器并能够进行温度调节的apd同轴光接收组件。图1为本发明实施例提供的apd同轴光接收组件的结构示意图，如图1所示，该光接收组件包括apd芯片1、运算放大器2、温度调节模块3、to底座4和to帽5；其中，to底座4与to帽5配合构成to封装，apd芯片1、运算放大器2和温度调节模块3均装设在to封装内，apd芯片1的正极与运算放大器2的输入端口电连接。

此处，apd芯片1为具备高增益和低暗电流的特性的雪崩光电二极管芯片，能够应用于otdr领域。运算放大器2为用于进行otdr信号检测的低噪声放大器芯片。温度调节模块3用于调节apd同轴光接收组件的温度，尤其是在高温状态下进行制冷，降低apd同轴光接收组件的温度，避免apd芯片1性能的劣化，即温度调节模块3具备制冷功能，并在此基础上，温度调节模块3还可以具备制热功能，针对apd同轴光接收组件温度过低的情况进行制热。本发明实施例不对apd芯片1、运算放大器2和温度调节模块3的种类、型号作具体限定。

上述apd芯片1、运算放大器2和温度调节模块3均设置在由to底座4和to帽5配合构成的to封装结构内部。其中，apd芯片1的正极与运算放大器2的输入端口电连接，在apd芯片1接收到从to帽5的透镜射入to封装内的光信号后，apd芯片1将光信号转换为电信号，并通过apd芯片1的正极传输至运算放大器2的输入端口，运算放大器2对电信号进行放大和噪声隔离后，再输出至to封装外，进行后续操作。此外，由于在to封装内部设置有温度调节模块3，可以在外部温度发生变化时运行，直接保证to封装内部的apd芯片1的温度维持在apd芯片1能够稳定工作的温度范围内。图1中，光信号通过虚线箭头表示。

本发明实施例提供的光接收组件，一方面将运算放大器装设在to封装内，在缩小otdr模块整体尺寸，满足产品小型化的需求的同时，相比蝶形和box封装，降低了封装成本和工艺难度。另一方面将温度调节模块装设在to封装内，使得apd芯片温度保持基本稳定，保证apd芯片暗电流和倍增因子m不会随外界温度变化而劣化，保证全温范围内apd同轴光接收组件性能的一致性。

基于上述实施例，还包括基板；温度调节模块3贴装在to底座4上，基板贴装在温度调节模块3的冷面上，apd芯片1与运算放大器2固设在基板上。

具体地，基板用于为to封装内部各元件的装设提供位置。此处，基板的材料为热的良导体。在to封装内部，将温度调节模块3贴装在to底座4上，使得温度调节模块3的冷面向上布置。将基板贴装在温度调节模块3的冷面上，并在基板上固设apd芯片1和运算放大器2。当环境温度较高时，控制温度调节模块3进行制冷，apd芯片1以及运算放大器2本身的热量可以通过基板直接传导至温度调节模块3的冷面，以实现apd芯片1和运算放大器2的降温。此处，基板的材料为热的良导体，因此能够快速将apd芯片1和运算放大器2本身的热量传导至温度调节模块3的冷面，此外，由于基板贴装在温度调节模块3的冷面上，基板与冷面紧密接触，且接触面积大，进一步为apd芯片1和运算放大器2热量的散出和降温提供了有利条件。

基于上述任一实施例，图2为本发明实施例提供的apd芯片与运算放大器的电路结构示意图，如图2所示，还包括rc滤波组件6、第一滤波电容7和第二滤波电容8；rc滤波组件6与apd芯片1的负极连接；第一滤波电容7分别与运算放大器2的正向电压端口和接地端口连接，第二滤波电容8分别与运算放大器2的负向电压端口和接地端口连接。

具体地，图2中，apd芯片1的正极与运算放大器2的输入端口input连接。rc滤波组件6由电阻与电容构成，rc滤波组件6中电阻的一端与apd芯片1的供电电压vapd连接，另一端与apd芯片1的负极连接，rc滤波组件6中电容的一端与apd芯片1的负极连接，另一端接地。rc滤波组件6用于实现apd芯片1的反偏高压滤波。

第一滤波电容7的一端与运算放大器2的正向电压端口vs+连接，另一端接地，第一滤波电容7用于对输入至运算放大器2的正向电压端口vs+的正向供电电压进行滤波。第二滤波电容8的一端与运算放大器2的负向电压端口vs-连接，另一端接地，第二滤波电容8用于对输入至运算放大器2的负向电压端口vs-的负向供电电压进行滤波。此外，运算放大器2的接地端口gnd接地。

基于上述任一实施例，rc滤波组件6、第一滤波电容7和第二滤波电容8分别贴装在基板上；apd芯片1贴装在rc滤波组件6的电容上表面。

将rc滤波组件6、第一滤波电容7和第二滤波电容8分别贴装在基板上，一方面滤波元件靠近芯片滤波，更有利于噪声滤除，另一方面，将apd芯片1贴装在rc滤波组件6的电容上表面，能够有效节约基板面积，从而进一步促进apd同轴光接收组件的小型化。

基于上述任一实施例，还包括温度检测模块；温度检测模块装设在基板上。此处，温度检测模块用于检测apd芯片1的温度。温度检测模块可以是热敏电阻，还可以是温度传感器等具备温度检测功能的元件，本发明实施例对此不作具体限定。

进一步地，还包括外围处理模块，外围处理模块分别与温度检测模块和温度调节模块3连接；外围处理模块用于根据温度检测模块获取的温度控制温度调节模块3对to封装内部的温度进行调节。

具体地，外围处理模块装设在apd同轴光接收组件的封装外，to封装内的温度检测模块通过to封装的管脚与封装外的外围处理模块连接，并将检测得到的代表实时温度的电信号通过管脚传输至外围处理模块，外围处理模块对代表实时温度的电信号进行处理，得到apd芯片1的温度，并将apd芯片1的温度与预先设置的温度进行比较，判断是否控制温度调节模块3进行加热或制冷，从而将apd芯片1的温度稳定在能够保证apd芯片1正常工作的温度范围内。此处，外围处理模块基于温度检测模块获取的温度控制温度调节模块3对apd芯片1的温度进行调节，其控制策略可以是pi控制，还可以是pid控制等闭环控制策略，本发明实施例对此不作具体限定。

基于上述任一实施例，图3为本发明实施例提供的to底座的底视图，如图3所示，to底座4包括运放正电源管脚9、运放负电源管脚10、运放输入管脚11、运放输出管脚12、地管脚13、apd供电管脚14、温度调节管脚15和温度检测管脚16。

具体地，参考图2，运放正电源管脚9用于与运算放大器2的正向电压端口vs+连接，为运算放大器2提供正向供电电压。运放负电源管脚10用于与运算放大器2的负向电压端口vs-连接，为运算放大器2提供负向供电电压。运放输入管脚11用于与运算放大器2的输入端口input连接。运放输出管脚12与运算放大器2的输出端口output连接，用于获取运算放大器2输出的电信号。地管脚13与运算放大器2的地接口gnd连接。apd供电管脚14与rc滤波组件6连接，即与图2所示的端口vapd连接，为apd芯片1提供供电电压。温度调节管脚15与温度调节模块3连接，用于为温度调节模块3供电并控制温度调节模块3运行。温度检测管脚16与温度检测模块连接，用于获取温度检测模块产生的代表apd芯片1的温度的电信号。

在此基础上，运放输入管脚11和运放输出管脚12之间连接有跨阻，跨阻用于将apd芯片1产生的光电流信号转换为电压信号。

具体地，apd芯片1将光信号转换为光电流信号，并通过apd芯片1的正极传输至运算放大器2的输入端口input。在运放输入管脚11和运放输出管脚12之间连接跨阻，相当于在运算放大器2的输入端口input和输出端口output之间连接跨阻，通过跨阻将光电流信号转换为电压信号。

基于上述任一实施例，图4为本发明实施例提供的基板上表面示意图，如图4所示，基板17为陶瓷绝缘体，基板17的上表面18经过镀金处理，且设置有公共焊盘19；基板17的上表面18用于接地，公共焊盘19用于实现apd芯片1的正极与运算放大器2的输入端口的连接。

此处，陶瓷绝缘体可以是氮化铝陶瓷和氧化铝陶瓷等。其中，氮化铝陶瓷是是以氮化铝(ain)为主晶相的陶瓷，是一种高温耐热材料。氮化铝陶瓷的热导率达260w/(m.k)，比氧化铝高5-8倍，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热。由上述材料构成的基板17，能够迅速将apd芯片1热量传输到温度调节模块3的冷面，有效维持apd芯片1的温度稳定。

在基板17上表面18作镀金处理，为基板17上固设的元件进行接地提供了便利。

此外，由于apd芯片1的正极需要与运算放大器2的输入端口连接，此外还需要与to底座4的运放输入管脚11连接，为了便于连接工艺的实现，在基板17上设置公共焊盘19，用于实现上述三路的电气连接。

基于上述任一实施例，to帽5的透镜中心与to底座4的中心轴线对准，apd芯片1的光敏面偏心中心轴线安装，偏心量为60um。

基于上述任一实施例，图5为本发明实施例提供的apd同轴光接收组件的内部元件组装示意图，图6为本发明实施例提供的apd同轴光接收组件的电路结构示意图，如图5、图6所示，该光接收组件包括to底座4、apd芯片1、基板17、运算放大器2、第一滤波电容7、第二滤波电容8、温度检测模块20、rc滤波组件6、温度调节模块3和to帽5。其中，温度调节模块3为tec。

to底座4的基座外径尺寸φ为6.0mm，to底座4设有9个管脚，包括一运放正电源管脚9、一运放负电源管脚10、一运放输入管脚11、一运放输出管脚12、一地管脚13、一apd供电管脚14、两个温度调节管脚15(分别对应tec+和tec-)和一温度检测管脚16。

apd芯片1具备高增益和低暗电流的特性，适用于otdr领域。

运算放大器2为otdr用运算放大器，为用于otdr信号检测的低噪声放大器芯片，该芯片是整个otdr模块的第一级放大器，必须具备带宽高、增益大和噪声小的特性。为了满足设计要求，此运算放大器2的增益带宽积应大于1.6ghz，电压噪声应小于4.8nv/(hz)1/2。该运算放大器2接收apd输出的倍增光电流，通过外接跨阻r0，转换成电压信号输出。该运算放大器2芯片上有5个功能性焊盘，分别是输入端口input(输入焊盘)、接地端口gnd(接地焊盘)、正向电压端口vs+(+5v电源)、负向电压端口vs-(-5v电源)、输出端口output(输出焊盘)。在封装过程中通过金丝键合工艺与其它元件进行连接。

参考图4，基板17材质为氮化铝，上表面18镀金处理，同时设置有一个焊盘，作为打线的公共焊盘19。第一滤波电容7是为vs+电源滤波的电容，第二滤波电容8是为vs-电源滤波的电容，rc滤波组件6是为apd反偏高压滤波的阻容元件。温度检测模块20为一款具有负温度系数的热敏电阻，热敏电阻的一端和运算放大器2的gnd焊盘共地连接，另一端通过金丝键合连接到对应的温度检测管脚16上。

温度调节模块3为热电制冷器(tec)，是一种小型化的tec，放置于to封装内部。tec具有两个电极tec-和tec+。tec的热面通过粘胶或通过共晶焊工艺固化于to底座4上。此处，共晶焊工艺可采用ausn280℃共晶焊方式，或其它合适的焊料方案。

apd芯片1采用导电胶粘工艺固定于rc滤波组件6上表面18电容的指定区域。基板17通过导电胶粘工艺固化于tec冷面上，再将装好apd芯片1的rc滤波组件6，以及运算放大器2、第一滤波电容7、第二滤波电容8和热敏电阻通过导电胶粘工艺固化于基板17上表面18的指定位置。要求apd芯片1的光敏面偏心安装于to底座4中心，偏心量60um。

上述导电胶粘工艺采用的是h20e导电银胶或其它合适的导电胶，并通过高温烘烤进行固化。

贴片工序完成后，采用金丝球焊工艺完成所有元件的金丝键合。

已封装好的apd同轴光接收组件，可以再进一步经过光路耦合封装成单通道接收器件或者是多通道接收器件，应用于otdr模块。

本发明实施例提供的光接收组件，在外界温度变化时，通过tec温控，使apd芯片1温度保持基本恒定，保证apd芯片1暗电流和倍增因子m不会随外界温度变化而劣化，保证全温范围内产品性能的一致性。otdr模块工作温度在-5～85℃范围内，本发明实施例提供的apd同轴光接收组件的apd暗电流为5na，apd倍增因子m达到40，能够满足otdr模块使用要求。同时otdr模块级不需要做apd高压值的温度补偿，简化了模块设计。

此外，本发明实施例将otdr用运算放大器2集成于apd同轴光接收组件中，简化了otdr模块的电路设计，有利于实现otdr模块的小型化。相比于蝶形和box封装的器件，同轴型光接收组件具备低成本、利于批量生产等优势。

基于上述任一实施例，apd同轴光接收组件的工作原理如下：

通过调试得到合适的apd高压值(vapd)，apd芯片1检测光在光纤中传输时各点产生的瑞利背向散射光和菲涅尔反射光，将光信号转换为电流信号，通过在to封装外的模块电路板上，在input引脚和output引脚之间增加跨阻r0，将apd产生的光电流信号，转换成电压信号输出。再经过后端检测电路，包括后端多级放大电路和adc模数转换后，将信号输入到信号处理器进行处理。

apd同轴光接收组件工作过程中，to封装内部的温度检测模块20对apd芯片1的温度进行监控。当外界温度变化时，外围处理模块通过驱动模块控制to封装内部的温度调节模块3制热或者制冷，使to封装内部apd芯片1温度保持基本恒定(芯片工作温度控制在15～25度)，保证apd芯片1暗电流和倍增因子m不会随外界温度变化而劣化，从而保证otdr的apd接收机在全温范围内的性能一致性。

由于内部apd芯片1工作在恒温状态，当外界温度变化时，otdr模块级不需要进行apd高压值的温度补偿，全温范围内otdr模块只需要设置同一高压值，简化了模块设计。

基于上述任一实施例，apd同轴光接收组件的组装方法如下：

首先，采用ausn280℃共晶焊工艺将温度调节模块3，即tec的热面焊接到to底座4上。将基板17通过导电胶粘工艺固化于tec冷面上，然后在140℃下烘烤40分钟。

其次，将apd芯片1通过导电胶粘工艺固定于rc滤波组件6上表面18电容的指定区域，然后在140℃下烘烤40分钟。

随后，将装好apd芯片1的rc滤波组件6，以及otdr用运算放大器2、第一滤波电容7、第二滤波电容8和温度检测模块20，即热敏电阻通过导电胶粘工艺固化于基板17上表面18的指定位置。需要说明的是，apd芯片1的光敏面偏心安装于to底座4中心，偏心量60um。然后在140℃下烘烤40分钟。

接着，采用金丝球焊工艺完成所有元件的金丝键合。

然后，采用封焊工艺，将to帽5和已完成金丝键合的to底座4进行固定，要求to帽5的透镜中心和to底座4中心轴线对准。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。