專利名稱：Msm光電檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)一般涉及光通信，尤其涉及一種MSM光電檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
光纖技術(shù)較好地適用于通信應(yīng)用，因?yàn)楣饫w具有寬的傳輸帶寬和 相對(duì)低的衰減。然而，對(duì)于電子和光網(wǎng)絡(luò)的光纖接口在制造上是昂貴 的，因?yàn)橄嚓P(guān)的困難在于在基片上安裝激光發(fā)射和接收設(shè)備以及用分 別安裝的光纖對(duì)準(zhǔn)它們。相關(guān)的困難在于制造具有精確配合公差的元 件，以及在精確的配合公差內(nèi)在精確的位置上安裝元件。在組裝設(shè)備 過程中一般要面對(duì)調(diào)整對(duì)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。為克服這些困難，可以增大發(fā)射 機(jī)和接收機(jī)設(shè)備以便減輕整個(gè)對(duì)準(zhǔn)過程中難于實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格的配合公 差。
在常規(guī)的光纖通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)發(fā)送光數(shù)據(jù)進(jìn)入纖維，在接收 端上通過檢測(cè)器接收該數(shù)據(jù)。在纖維的兩端存在兩個(gè)內(nèi)在接口。在這 兩個(gè)接口上是難以最小化光損失的，因?yàn)槭窃谖⒚壮叨壬险{(diào)整對(duì)準(zhǔn)。
通過加粗光纖芯可以做到減輕發(fā)送端上的對(duì)準(zhǔn)公差。然而，在接收端 接口上就產(chǎn)生一種所不期望的效果。即，退出較粗芯纖維的光具有較 大橫截面，從而使得難于捕獲到光。
粗芯纖維，例如具有50-63微米芯直徑的纖維， 一般可在局域網(wǎng) (LAN)環(huán)境中看到。對(duì)于安裝來說，例如，將纖維耦合到激光源或 接收光電檢測(cè)器，以及與光連接器一起耦合纖維，粗芯比較細(xì)的芯提 供更大的配合公差。兩種類型的光電檢測(cè)器一般用于接收來自纖維的光并把光變換成電信號(hào)，即PN二極管和金屬半導(dǎo)體金屬(MSM) 二 極管。它們目前被制成大約70-80微米的直徑，以便從LAN纖維捕獲 光。
另一類型的纖維正在用于有限的應(yīng)用，即硬護(hù)層硅石(HCS)纖 維。該奸維具有由硬塑料層包圍的硅石芯，直徑一般為200-300微米。
另一類型的纖維是塑料纖維。該纖維類似于HCS纖維，但使用塑 料芯取代硅石芯。由于內(nèi)芯是塑料的，纖維的衰減把纖維的有效使用 距離限于IO米或更短。
因此，需要一種光接收裝置，合并所有需要的光和電元件以便捕 獲從低成本平臺(tái)的大面積纖維退出的光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例直接針對(duì)用于在通信中接收數(shù)據(jù)的有關(guān)光電信號(hào) 變換的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明實(shí)施例在組裝中的成本特別低，這是因?yàn)?以樹脂澆鑄引線框的方式形成它們，內(nèi)帶集成的光、電元件。本發(fā)明 的實(shí)施例使用具有大直徑纖維的大的、高速的光電檢測(cè)器。
根據(jù)本發(fā)明，大面積的金屬半導(dǎo)體金屬(MSM)光電檢測(cè)器用于 捕獲從連接器式組裝部件內(nèi)粗光纖退出的光。本發(fā)明的MSM光電檢 測(cè)器可以接受使用單個(gè)檢測(cè)器的單個(gè)光信道，或接受使用檢測(cè)器陣列 的多個(gè)光信道。在每個(gè)各自的信道中，MSM光電檢測(cè)器把光信號(hào)變 換成電信號(hào)。經(jīng)集成電路芯片或相同組裝中單獨(dú)分立的芯片，電信號(hào) 被放大。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過一個(gè)外部連接器單個(gè)纖維或纖維 陣列被保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｋ鐾獠窟B接器定位纖維垂直于或平行于 檢測(cè)器表面。通過將連接器對(duì)接到裝置，完成用于耦合檢測(cè)器的對(duì)準(zhǔn)。 在垂直結(jié)構(gòu)中，光纖允許利用或不用聚焦元件來捕獲退出的光。在平 行結(jié)構(gòu)中，連接器以允許捕獲光的角度反射光。連接器中的反射表面 可以包含或不包含聚焦元件。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一個(gè) 基片用于光元件與光連接器主體的對(duì)接。本發(fā)明的實(shí)施例使用100微米或更大的粗光纖，例如IOO、 200或 400微米，可以是HCS纖維或塑料纖維。設(shè)定適合所述纖維的MSM 光電檢測(cè)器的尺寸。本發(fā)明的實(shí)施例可以包括一個(gè)透鏡，以便在檢測(cè) 器上聚焦光。這將允許檢測(cè)器小于纖維的直徑。本發(fā)明的實(shí)施例具有 的光電檢測(cè)器安裝在基片上，例如，印刷電路板、引線框基片、RF 陶瓷基片、或硅石基片。
上述內(nèi)容相對(duì)廣義地概述了本發(fā)明的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，以便可以 更好地理解下面本發(fā)明的詳述。此后將描述形成本發(fā)明權(quán)利要求主題 的本發(fā)明的附加的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以容易 地利用所公開的概念和特定的實(shí)施例，作為修改或設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明相 同目的其他結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在不脫離所附權(quán)利要求中所述本發(fā)明精神和 范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以實(shí)現(xiàn)這樣等效結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的 組成和操作方法，相信是本發(fā)明特征的新穎性，連同其他的目的和優(yōu) 點(diǎn)，通過結(jié)合附圖考慮下述內(nèi)容，將更好被理解。然而，顯然應(yīng)當(dāng)理 解，每個(gè)圖只是出于示例和說明的目的而提供，并未意在定義本發(fā)明 的限制。


為更完全地理解本發(fā)明，現(xiàn)在結(jié)合附圖作出下面的描述，其中 圖l是使用本發(fā)明實(shí)施例的光纖系統(tǒng)的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的連接器和光電檢測(cè)器的實(shí)例示意圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的連接器和光電檢測(cè)器的另一個(gè)實(shí)例示 意圖；和
圖4是比較MSM光電檢測(cè)器和引腳光電二極管的圖形。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例將工作在需要短距離、高速度光數(shù)據(jù)鏈接的情況， 例如30米或更短。例如，本發(fā)明的實(shí)施例可用于娛樂系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、 存儲(chǔ)系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、航空系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、信息技術(shù)系統(tǒng)等。例如，本發(fā)明的實(shí)施例可以一起鏈接兩個(gè)計(jì)
算機(jī)系統(tǒng)，連接DVD播放機(jī)到TV(其可以位于建筑物、機(jī)車、火車、 飛機(jī)、或其他的運(yùn)輸系統(tǒng))，連接調(diào)諧器/控制單元到大面板TV監(jiān)視 器，鏈接游戲控制器到游戲盒，連接屋內(nèi)設(shè)備(例如TV、音響、電話、 計(jì)算機(jī)、照相機(jī)等)到控制系統(tǒng)，連接數(shù)字照相機(jī)到存儲(chǔ)或控制系統(tǒng) 或顯示屏，連接傳感器到計(jì)算機(jī)，連接控制機(jī)構(gòu)到計(jì)算機(jī)，連接計(jì)算 機(jī)到投影儀或監(jiān)視器，或連接設(shè)備到多路復(fù)用器或去多路復(fù)用器。而 且，本發(fā)明的實(shí)施例可以與大屏幕設(shè)備一起使用，類似于使用到控制 單元的高速連接的高清晰度TV (HDTV)組，。
圖1圖示了使用本發(fā)明實(shí)施例的光通信系統(tǒng)100的配置。系統(tǒng)100 包括具有芯直徑100微米或更粗的光纖101，例如100、 200、 400、 800、 1000微米，或100-1000微米。纖維可以是塑料光纖(POF)或HCS 纖維。纖維的內(nèi)芯102可以運(yùn)載光信號(hào)。該系統(tǒng)可以包括一個(gè)纖維或 多個(gè)纖維。注意，期望大的纖維直徑，因?yàn)樗试S較高的安裝公差。 換句話說，直徑越大，耦合上的對(duì)準(zhǔn)公差越寬松，從而允許使用更廉 價(jià)的耦合。
系統(tǒng)100使用發(fā)射機(jī)103產(chǎn)生和耦合用于接入纖維的信號(hào)的光。 發(fā)射機(jī)103將形成調(diào)制光，調(diào)制光接著被耦合進(jìn)入該光纖。該光以光 脈沖的形式通過纖維101承載信息。光可通過激光器108形成，激光 器108可以是Fabry-Perot(FP)激光器形式的二極管激光器，或者垂直 空腔表面發(fā)射的激光器VCSEL。光源也可以是高速發(fā)光二極管 (LED)。 一般地，產(chǎn)生的光將具有500-1550納米的波長(zhǎng)。大多數(shù)系 統(tǒng)將圍繞650nm、 780nm或850nm波長(zhǎng)工作。
將通過接收機(jī)104檢測(cè)所述光脈沖。接收機(jī)104用光連接器105 被耦合到纖維101。對(duì)于一些應(yīng)用，可以省略所述連接器，而且纖維 將被永久地附在光電二極管上。接收機(jī)包括可以是MSM光電檢測(cè)器 的光電檢測(cè)器106。光電檢測(cè)器接著把光信號(hào)變換成電信號(hào)。電信號(hào) 可以接著被發(fā)送到另一個(gè)接收機(jī)元件109，例如放大器、濾波器、和/ 或其他的處理元件，并且/或者信號(hào)(接著)被發(fā)送到非接收機(jī)元件110，其可以是放大器、濾波器、和/或其他的處理元件，包括用于另一個(gè)纖 維的發(fā)射機(jī)。將設(shè)定適合于所述纖維的光電檢測(cè)器的尺寸，例如對(duì)于
100微米的纖維，光電檢測(cè)器也應(yīng)該是100微米或稍微大些。
可選地，接收機(jī)104可以包括在光電檢測(cè)器上聚焦光的透鏡107。 這將允許光電檢測(cè)器小于纖維的直徑并仍然接收所有來自纖維的光。 然而，通過使用透鏡可能減少的尺寸是受限制的。需要保存光的相位 空間乘積，這意味著纖維的數(shù)值孔徑乘以纖維的面積的乘積必須是一 個(gè)常數(shù)。因此，為壓縮光電檢測(cè)器的面積，需要增加發(fā)射到光電檢測(cè) 器上的光的數(shù)值孔徑，其具有l(wèi)的基本限制。因此，纖維輸出的光不 能被聚焦延伸到單個(gè)點(diǎn)。用精心設(shè)計(jì)的光學(xué)器件可以實(shí)現(xiàn)減少50%的 面積。
MSM光電檢測(cè)器最好基于p-本征-n (PIN)光電檢測(cè)器上。由于 PIN類型光電檢測(cè)器尺寸的增加，所以容量增加，這有效地降低了系 統(tǒng)的帶寬或速度。因此，對(duì)于每秒超過1吉千兆]比特的速度，PIN 光電檢測(cè)器的一般直徑應(yīng)該小于100微米。因?yàn)镸SM光電檢測(cè)器的 幾何結(jié)構(gòu)，它具有比相同尺寸的PIN光電檢測(cè)器更低的容量。因此， MSM光電檢測(cè)器可以大于100微米并仍然允許每秒超過1吉[千兆
比特的速度。
圖4中的圖形400顯示了分別具有2pm(401)和3jim(402)的兩個(gè) MSM光電檢測(cè)器，以及一個(gè)具有2nm吸收層厚度的pin光電二極管 (403)的計(jì)算時(shí)間常數(shù)的比較。注意，對(duì)于150nm及其以上的直徑， MSM檢測(cè)器顯著地較快。對(duì)于較小的直徑，漂移時(shí)間是更主要的， 并因此，pin二極管的速度與MSM檢測(cè)器是可比較的。
MSM光電檢測(cè)器可以包括基本上不摻雜質(zhì)的砷化鎵。用于電極的 一般金屬可以是在頂部具有金層的白金。在下面的鈦層增強(qiáng)了對(duì)半導(dǎo) 體的粘附力。鈦的厚度應(yīng)該在20納米的范圍中，白金一般應(yīng)該是 100-200納米，金層一般應(yīng)該是另外的200納米-1微米。電極的目的 是收集在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的載流子。電極也形成對(duì)半導(dǎo)體的Schottky阻 檔層。電極的寬度應(yīng)該盡可能地小以便具有最小量的光阻塞。這些電極的一般寬度是在1微米或更小的范圍中，例如0.7微米。對(duì)光電檢 測(cè)器的具體應(yīng)用，需要優(yōu)化在頂部表面上兩個(gè)電極之間的間隔。較長(zhǎng) 的距離需要更多的電壓操作該設(shè)備。電極間的一般距離是1-3微米。 電極目的在于手機(jī)半導(dǎo)體生成的栽波。MSM光電檢測(cè)器也可以在頂 面上具有防反射(AR)涂層以最小化由于表面上的反射引起的光損失。 AR涂層被調(diào)整到四分之一波長(zhǎng)厚度，并且有效系數(shù)是空氣(或其他 的密封劑)和半導(dǎo)體之間的幾何平均值。 一般有效系數(shù)的值是1.9。
圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MSM光電檢測(cè)器和連接器201 的剖視圖。該裝置200包括多個(gè)纖維101，來自它的光由光電檢測(cè)器 106的陣列接收。通過固定器203在裝置中安排和保持所述多個(gè)纖維。 多個(gè)透鏡107將光聚焦到光電檢測(cè)器106的陣列上。透鏡107可以與 陣列分離或可以與陣列集成。陣列被附到基片202上，所述基片可以 是PCB、硅石基片、陶瓷基片、電介質(zhì)基片、或金屬框基片。纖維固 定器203將接著被耦合到連接器201，并且該連接將在可接受的配合 公差內(nèi)調(diào)整對(duì)準(zhǔn)具有光電檢測(cè)器的所述多個(gè)纖維。注意，可以使用更 多或更少的纖維，例如l， 4， 8， 12，或36。
圖3圖示了類似于圖2的裝置300，但使用了元件302,它在以關(guān) 于它進(jìn)入連接器301的方向的一個(gè)角度反射該光。注意，元件302除 了改變光的方向之外，也可以象透鏡107—樣聚焦光。此外注意，90 度的變化只是出于示例，可以使用其他的角度。
盡管已經(jīng)詳述了本發(fā)明和它的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離所附權(quán) 利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變、替 換和修改。而且，本申請(qǐng)的范圍并未意在局限于說明中所述特殊實(shí)施 例的處理過程、機(jī)器、制造、合成物、裝置、方法和步驟。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將從本發(fā)明內(nèi)容中容易理解，當(dāng)前存在的或后續(xù)開發(fā)的處理過 程、機(jī)器、制造、合成物、裝置、方法或步驟，基本上執(zhí)行相同功能 或基本上實(shí)現(xiàn)與對(duì)應(yīng)在此所述實(shí)施例的相同結(jié)果，可以根據(jù)本發(fā)明加 以利用。因此，所附權(quán)利要求意在包括這些處理過程、機(jī)器、制造、 合成物、裝置、方法或步驟的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種系統(tǒng)，包括一個(gè)光波導(dǎo)，具有大于100微米的直徑并傳送一個(gè)光信號(hào)；和一個(gè)金屬半導(dǎo)體金屬(MSM)光電檢測(cè)器，接收來自光纖的光信號(hào)，并把所述光變換成電信號(hào)；一個(gè)反射器，以相對(duì)于所述光信號(hào)退出所述光波導(dǎo)的方向的90度角度，將所述光信號(hào)反射到MSM光電檢測(cè)器上；其中系統(tǒng)具有每秒至少500兆比特的數(shù)據(jù)速率。
2. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)具有至少每秒1吉比特的數(shù)據(jù)速率。
3. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中光波導(dǎo)是光纖。
4. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中光纖是硅石纖維。
5. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中光纖是硬護(hù)層硅石纖維。
6. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中光纖是塑料光纖。
7. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中MSM光電檢測(cè)器具有GaAs基片。
8. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中MSM光電檢測(cè)器具有InP基片。
9. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中MSM光電檢測(cè)器具有GaN、 Sapphire 和SiC基片之一。
10. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)透鏡，將所述光信號(hào)聚焦到所述MSM光電檢測(cè)器上， 其中MSM光電檢測(cè)器具有小于所述光波導(dǎo)直徑的直徑。
11. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述反射器把所述光信號(hào)聚焦到所 述MSM光電檢測(cè)器，以及MSM光電檢測(cè)器具有小于光波導(dǎo)直徑的 直徑。
12. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述光波導(dǎo)是多個(gè)光波導(dǎo)中的一個(gè) 纖維，以及所述MSM光電檢測(cè)器是多個(gè)光電檢測(cè)器中的一個(gè)MSM 光電檢測(cè)器，其中各個(gè)光波導(dǎo)與各個(gè)MSM光電檢測(cè)器相聯(lián)。
13. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中光波導(dǎo)具有小于30米的長(zhǎng)度。
14. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)與娛樂系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、 汽車系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、航空系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng) 和信息技術(shù)系統(tǒng)的其中之一相關(guān)。
15. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述光波導(dǎo)具有100-1000微米之間 的直徑。
16. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 一個(gè)基片，其上安裝所述MSM光電檢測(cè)器。
17. 權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中所述基片是打印電路板、引線框基 片、RF陶瓷基片和硅石基片的其中之一。
18. —種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括一個(gè)發(fā)射機(jī)，提供在具有大于100微米直徑的光波導(dǎo)上傳送的光 信號(hào)，其中所述光信號(hào)對(duì)于一部分時(shí)間具有每秒至少500兆比特的數(shù) 據(jù)速率；一個(gè)接收機(jī)，接收所述光信號(hào)并把光信號(hào)變換成電信號(hào)，其中接 收機(jī)包括金屬半導(dǎo)體金屬(MSM)光電檢測(cè)器；一個(gè)反射器，以相對(duì)于所述光信號(hào)退出所述光波導(dǎo)的方向的90度 角度，將所述光信號(hào)反射到所述MSM光電檢測(cè)器上；和一個(gè)連接器，將所述接收機(jī)耦合到所述光波導(dǎo)。
19. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)具有至少每秒1吉比特的 數(shù)據(jù)速率。
20. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中光波導(dǎo)是光纖。
21. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中光纖是硅石纖維。
22. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述光纖是硬護(hù)層硅石纖維。
23. 權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中光纖是塑料光纖。
24. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)透鏡，將所述光信號(hào)聚焦到所述MSM光電檢測(cè)器上， 其中所述MSM光電檢測(cè)器具有小于所述光波導(dǎo)直徑的直徑。
25. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述反射器將光信號(hào)聚焦到MSM 光電檢測(cè)器上，并且MSM光電檢測(cè)器具有小于光波導(dǎo)直徑的直徑。
26. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中光波導(dǎo)是多個(gè)光波導(dǎo)中的一個(gè)纖維， 以及MSM光電檢測(cè)器是多個(gè)光電檢測(cè)器中的 一個(gè)MSM光電檢測(cè)器， 其中各個(gè)光波導(dǎo)與各個(gè)MSM光電檢測(cè)器相聯(lián)。
27. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述光波導(dǎo)具有小于30米的長(zhǎng)度。
28. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中光波導(dǎo)具有100-1000微米的直徑。
29. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 一個(gè)基片，其上安裝所述MSM光電檢測(cè)器。
30. 權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中所述基片是印刷電路板、引線框基 片、RF陶瓷基片和硅石基片的其中之一。
全文摘要
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用MSM光電檢測(cè)器，其被耦合到相對(duì)粗的芯光波導(dǎo)，例如HCS纖維或塑料光纖(POF)。具有低電容的MSM光電檢測(cè)器使高速的數(shù)據(jù)傳輸能夠使用粗芯光波導(dǎo)。
文檔編號(hào)H04B10/02GK101419316SQ200810181729
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2004年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者弗蘭克·佟, 托爾斯騰·維派朱斯基, 阿倫·回 申請(qǐng)人:新科實(shí)業(yè)有限公司