射频器件、光学收发器与制造收发器的方法

具体实施方式

宽带阻抗匹配与电路设计的系统和方法是为光学收发器模块提供的，光学收发器模块同时提供一条到激光二极管的高带宽信号路径，和对激光二极管的直流电源的寄生效应的屏蔽。本发明是建立在对电高频信号线和直流电源线的综合设计的基础上的。一个实施例使用惠斯通桥的一种具体实现，其中屏蔽充当旁路(加速)电容。

只要光学收发器模块电路下面存在金属板(也称为接地板)，就可能出现寄生效应。按照一个实施例，这里提供的阻抗匹配电路在硅上实现。不过，衬底材料可以包括其他材料，比如陶磁、有机物、印刷或柔性电路板等。并且，直流电源不必位于单独的子支架(submount)上或具有下文所述的形状和尺寸。

现在详细描述附图，图中相同数字代表相同或相似的组成部分，首先看图1，根据一个实施例，收发器组件或其他器件10包括一个光具座(optical bench)或衬底11。组件10包括位于子支架14，例如小块电介质材料上的射频阻流器12，其中具有用于进行圆状或带状引线接合的合适金属衬垫20。子支架的尺寸最好保持尽可能小，以允许布置在激光二极管16附近。最好选择子支架高度和材料，以针对合适的制造工艺并易于连接到光具座11上。

射频阻流器子支架14的位置和/或变形(modification)是经过安排的，使得通过射频线设计来屏蔽和减少寄生电容。这就是说，子支架14的金属接触20置于射频线22上，并尽可能靠近激光二极管16。

对设计中与射频阻流器12和它们的布置有关的寄生电磁元素进行识别，并且用以影响阻抗匹配电路的布局和设计。寄生元素包括从阻流器12到激光器16的电路径(比如引线21)的寄生电感，和包括射频阻流器终端13与光具座10的接地板(未示出)的寄生电容(射频阻流器终端及其所在的任何金属衬垫20都对这个电容有贡献)。接合引线23将射频阻流器连接到直流电源(未示出)。

寄生电容影响阻抗匹配电路22的设计，使得电路的一部分在期望的带宽上屏蔽射频阻流器12。电路的设计可以进行迭代调整，以满足要求的规格，从而实现对射频线22的寄生电容的充分屏蔽。

组件10并不试图直接减少寄生元素；而是将对寄生电容有贡献的射频阻流元件12屏蔽到地，这将有效消除共振电路，否则共振电路将会引起寄生效应。

光电二极管30通过连接32连接到控制电路。连接32被接合(bond)或连接到迹线(trace)36(光具座11的外部)。类似地，连接38将射频线32连接到形成于光具座11之外的迹线40。可以在连接38之前提供隔直电容器，以防止交流电源(比如激光二极管驱动器)的直流偏置。激光二极管16置于射频线22之间的间隙(d)内。透镜44，比如凸透镜(ball lens)，被装配在激光器16附近，用于将输出信号聚焦进隔离器46或光纤内(未示出)。

在一个实施例中，光具座11由高电阻率的硅(比如，约1kOhm-cm)组成。还可以用到陶瓷或有机衬底。图2示出了取自图1中剖面线2-2的组件10的截面图。

在图2所示的实施例中，硅工作台(silicon bench)11装配在导体块50上。块50最好由高电导率材料制成，比如金属，特别是铜或铜合金。其他合适的材料可以包括金、银或其他金属及其合金。块50保持在地电位上，或作为光具座11的交流参考地。子支架14装配在工作台11上。工作台11包括射频线22，并形成信号层。射频阻流器12装配在子支架14上。子支架14上的阻流终端13和衬垫20形成针对信号层的电容(C_s)和针对接地层的电容(C_g)，后者是寄生的。通过同时平衡这些电容，本发明的优点就实现了。即实现了从激光二极管驱动器(未示出)到激光二极管的阻抗匹配射频信号传输，和对射频信号没有任何不利影响的激光二极管16的直流偏置。这是通过设计射频线22的复杂形状来实现的。

特别地，射频线22包括为射频输入信号提供匹配阻抗的尺寸，该尺寸还防止这个信号像在现有技术系统中那样由于直流电源连接的寄生影响而受到损失。

为了进一步说明一个实施例的优点，图3A示意性地示出了提供阻抗匹配和屏蔽以抵消寄生电感和电容的射频线22的特征。

参照图3A，信号层包括射频线22。对射频线22进行几何设计，从而为交流信号路径提供一个阻抗匹配网络。此外，如图3B所示，通过在子支架14的衬垫20和信号层(比如射频线22)之间引入电容C_s，线22的一部分52提供了减小C_g的屏蔽。注意，在图3B中，为便于说明，除去了信号层特征。通过几何尺寸设计，线22被确定为允许交流电到达激光器，但在可接受的工作频率范围(比如2-20GHz)内，不会由于直流供电路径的寄生效应而产生功率损失。

图4中示出了一个等效电路，用于说明优选实施例的优点。屏蔽(图3A，52)的提供引入了中间电容(C_s)。R_m表示一个电阻器，用于提供低阻抗激光二极管R_l与激光二极管驱动器(Driver)的匹配，该驱动器可包括比如薄的薄膜电阻器54(图3A)。C_g是射频阻流器与地之间的寄生电容，L_b是激光二极管(16)和射频阻流器(12)之间的连接的寄生电感。假定在高频情况下射频阻流器的阻抗远远高于R_m和R_l，所以为简化起见，这里就不考虑它了。“宽带匹配”是一个模拟阻抗，它表示射频线22的几何效应。

在无屏蔽的情况下，即没有C_s的情况下，C_g和L_b形成为其谐振频率上的高频信号提供并联低阻抗电路的谐振电路。这会导致传输能量损失。引入屏蔽52(图3A)至少有两点有利影响，第一，C_g将会减小，第二，引入了跨过匹配电阻器R_m的旁路(加速)电容C_s。这样，一个类似复杂惠斯通桥的电路就建立了，其中R_m和R_l是一个臂，C_s和C_g是另一个臂。

现在可以区分下列情况：

1)C_s/C_g＜R_l/R_m屏蔽小于目标值。将会产生传输损失。

2)C_s/C_g＝R_l/R_m屏蔽恰好位于目标值(L_b上没有电流)上。传输是平坦的。

3)C_s/C_g＞R_l/R_m屏蔽高于目标值。传输有尖峰。

在图5中，对上述三个情况进行了等效电路仿真。为了区别三个情况，选择了不同值。说明中的参数值包括：Driver＝50Ohm，R_m＝40Ohm，R_l＝10Ohm，L_b＝10nH。

在情况1中，无屏蔽，C_s＝0，C_g＝40fF，C_s/C_g＝0。如曲线101所示，在传输(dB)-频率(GHz)图表中，传输有一个凹陷(notch)。

在情况2中，屏蔽位于目标值上，C_s＝10fF，C_g＝40fF，C_s/C_g＝R_l/R_m。如曲线102所示，在传输(dB)-频率(GHz)图表中，传输是一个平坦的响应。

在情况3中，完全屏蔽，在目标值上，C_s＝10fF，C_g＝0fF，C_s/C_g无穷大。如曲线103所示，在传输(dB)-频率(GHz)图表中，传输有一个响应尖峰。

根据本公开的各个方面，屏蔽是通过设计的整个部分，即激光器所在的硅光具座11上的射频线22实现的。通过设计和布置射频线22与射频阻流器子支架14，使得在保持阻抗匹配的同时，屏蔽恰好位于或大于目标值(比如C_s/C_g＝R_l/R_m)，并且阻抗匹配是射频线22的物理几何形状的函数。

原型模拟与测量

再来看图1，一个说明性实施例的原型被构造出来并进行测试。原型包括具有下列特征的图1的特征(量级：微米)：

硅光具座(11)               5100×5100×(高约700)

激光二极管(L)(16)          200×300

射频阻流器(12)/终端(13)    1524×762/380×762

射频线(22)(宽)             1250，1550，400，1300

电阻器(R)(54)              600×246

子支架(14)                 2050×1600×(高约500)

子支架上的衬垫(20)         525×1400

字母表示的以微米为单位的距离：

a.中心轴到光电二极管(PD)衬垫  2100

b.射频线到射频线(最小)        400

c.射频线到射频线(最大)        1200

d.激光器(L)的空间             308

e.Y-支路长度                  800

f.Y-支路到PD                  200

g.PD到L                       500

h.L到凸透镜                   200

i.凸透镜到隔离器              615

j.阻抗匹配射频线长            600+650

k.射频线总长                  2650

原型包括底部有一块金属接地板(图2)的硅光具座(约700微米厚)，位于顶部的射频线22和固定射频阻流器12的子支架14。射频线22和子支架衬垫20进行了综合设计，以使屏蔽最优化。使用的射频阻流器12是在8Ghz以下(out to 8GHz)具有最小阻抗200Ohm的0613标准尺寸。

参照图6和7，模拟表明，具有上述特征的原型能够实现的总体屏蔽效果在直到15GHz的范围内都是可以接受的(图6)。具有射频阻流器子支架的原型(图6中曲线202)与没有射频阻流器子支架的原型(图6曲线201)相比，在15GHz以下性能相似或更好。模拟是使用3维频域全波电磁测量仪进行的，其中射频阻流器部件的阻抗被模拟为无穷大。

测量(图7)表明，具有射频阻流器子支架的原型(曲线302)在11GHz以下与没有射频阻流器的原型(曲线301)性能相似。当在11GHz以上时，可以注意到，传输不断下降；但是传输没有凹陷。

图8说明性地示出了一个制造能同时提供阻抗匹配射频传输线和屏蔽寄生效应的器件的方法。在模块402中，射频阻流器可以置于子支架上。子支架包括多块电介质材料，其中具有用于接合或带状连接的合适金属垫。子支架的尺寸做得越小越好，以允许布置在激光二极管附近，比如在几百微米以内。为针对合适的制造工艺和易于连接到光具座，需要对子支架的高度和材料进行选择。

在模块404中，确定与设计中射频阻流器和它们的位置有关的寄生电磁元素的识别。这些元素可能包含包括从阻流器到激光器的电路径(比如接合引线)的寄生电感，和包括射频阻流接触和光具座接地板的寄生电容(射频阻流终端和它们所在的任何金属垫，均对该电容有贡献)。寄生电容在下一步模拟。

在模块406中，设计射频阻流器子支架的位置和/或变形，以使寄生电容可以通过射频线被屏蔽，即减小。这可能包括将子支架的金属接触放在射频线上，并且尽量靠近激光二极管。

在模块408中，设计阻抗匹配电路(射频线)(比如，包括射频线的布局和尺寸)，从而使射频线在要求的带宽内屏蔽射频阻流器。如果设计未达到要求的标准，在模块409中，上述步骤可重复进行，直到在模块410中，实现对射频线的寄生电容的充分屏蔽。

应该理解，本文描述的特殊实施例只是为了说明。也可以考虑其他实施例，其中可包括下面的某些特征。光具座可以由有机物、陶瓷或其他合适的材料形成。光具座可以具有射频线的不同尺寸和形状。射频阻流器子支架可以包括不同的取向、尺寸、厚度、形状和电介质材料。射频阻流器可以有不同的尺寸和形状，比如可以采用更小的阻流器。也可以采用能利用屏蔽效应的集成阻流器(也就是说，比如与硅光具座单片集成在一块的阻流器)。设计可以包括不具有中间子支架而直接布置在射频线上的射频阻流器。这可能意味着不再需要接合引线。而是通过比如焊接或导电粘结来实现电接触。

在其他实施例中，射频阻流器可以不经过中间子支架而直接布置在光具座上。接合引线可以直接连接到射频阻流终端，并且屏蔽可以通过将射频线制造在比射频阻流器所在平面更低的平面上来实现，比如在射频阻流器的第一个终端下方的硅上蚀刻一个V型凹槽。

在其他实施例中，本方法和系统可以与光或电输出一起用于给定的工作台设置或组件。换言之，射频信号可以被接收，并为器件提供交流功率，同时，可以为另一器件另外采用直流电源，输出既可以是电信号也可以是光信号。这可以包括对高频晶体管的使用。此外，整个电路(射频和直流)可以集成在一块芯片上。本发明不局限于光具座，也可以用于任何射频偏置-T应用或射频环境的器件。在这样的一个例子中，实施例可以用于光调制器或其他器件。

上面描述了同时屏蔽收发器模块的寄生效应的阻抗匹配电路的优选实施例(仅用于说明，并不限于此)，需注意，根据上面的讲解，本领域的技术人员可以做出修改和变动。所以应该理解，允许对公开的特殊实施例进行修改，这些方案是在所附权利要求书规定的本发明的范围和思想之内的。这样就根据专利法要求的细节和特殊性，描述了本发明的各个方面，权利要求和需要通过专利文件保护的权利在所附的权利要求书中说明。