專利名稱：光探測(cè)器陣列和使用該陣列的光通信監(jiān)視模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信技術(shù)，特別是用于緊湊的波分復(fù)用通信光學(xué)部件和模塊。
背景技術(shù)：
為了滿足光通信中增加通信容量的需求，經(jīng)常采用使用波分復(fù)用技術(shù)的通信方法，它能夠通過準(zhǔn)確地利用現(xiàn)有的光纜來增加通信容量。具有近似100GHz的較小復(fù)用光頻間隔的波分復(fù)用被特別稱為緊湊波分復(fù)用(DWDM)。
為了分開通過復(fù)用具有這樣小的頻率(波長(zhǎng))間隔的光所得到的信號(hào)，諸如波長(zhǎng)濾光器或棱鏡等光譜元件按常規(guī)是已知的，它們不適合于劃分具有接近波長(zhǎng)的大量光束。因此，經(jīng)常利用使用排成陣列的波導(dǎo)光柵(AWG)的系統(tǒng)。
然而，由于AWG對(duì)溫度變化比較敏感，并且制造復(fù)雜的光波導(dǎo)光柵需要先進(jìn)的技術(shù)，AWG通常比較昂貴，并且不適合于需要大量元件的用途。
另一方面，衍射光柵是一種光譜元件，其中在諸如石英或硅襯底等表面上形成精密的凹凸結(jié)構(gòu)，在同一結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的衍射光相互干擾，并沿特定方向發(fā)出具有特定波長(zhǎng)的光。對(duì)于形成凹凸結(jié)構(gòu)的技術(shù)而言，可采用半導(dǎo)體所用的光刻技術(shù)。因此，能夠以非常高的精度形成結(jié)構(gòu)。此外，通過把所形成的凹凸結(jié)構(gòu)設(shè)置成母版，利用轉(zhuǎn)印技術(shù)也很容易形成復(fù)制品。為此，衍射光柵顯然是一種適合于大批量生產(chǎn)的光學(xué)部件。
當(dāng)用于在復(fù)用光信號(hào)中掌握每個(gè)信道的狀態(tài)、且被稱為波長(zhǎng)監(jiān)視器(或信道監(jiān)視器)的設(shè)備是基本光譜分支濾光鏡時(shí)，要加入大量光譜分支濾光鏡并在裝置中使用，例如，利用它們控制光纖放大器。已有多個(gè)發(fā)明人指出過，衍射光柵是適用于該目的的光譜元件，并曾公開過一種將圖4所示的衍射光柵3和光探測(cè)器4的結(jié)構(gòu)組合在一起作為光譜分支模塊(JP-W-WO99/46629)。通過準(zhǔn)直透鏡2把從光纖1發(fā)射并已經(jīng)經(jīng)過波分復(fù)用的光束10變成平行光11，并入射到衍射光柵3上。通過衍射光柵3對(duì)該光進(jìn)行分頻，并以根據(jù)波長(zhǎng)而改變的出射角度發(fā)射。發(fā)射的光12再次經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2，從而在光探測(cè)器陣列4上形成聚焦束光點(diǎn)群13。光探測(cè)器陣列4中的每個(gè)光探測(cè)器40設(shè)置在具有各個(gè)波長(zhǎng)(信道)的光的聚焦束光點(diǎn)組13的位置。
假設(shè)反射的衍射光柵的衍射序數(shù)為m，光柵周期為d和使用的波長(zhǎng)為λ，用θi表示由其上形成有衍射光柵的表面上的法線與入射光束(光纖的光軸5)形成的角度，用θo表示由發(fā)射光束形成的角度，則滿足下面的等式。
sinθi＋sinθo＝mλ/d當(dāng)θi是常數(shù)并按Δλ改變波長(zhǎng)時(shí)，由下面的等式給出光束到達(dá)在離衍射光柵的距離為L(zhǎng)處設(shè)置的光接收表面的位置變化Δx。
Δx＝(Lm/(d·cosθo))·Δλ圖4表示θi＝θo的情況(利特羅(littrow)排列)。在θi≠θo的情況下通常也可建立上面的等式。因此，如果波長(zhǎng)間隔是常數(shù)，按一定間隔排列多個(gè)光探測(cè)器，以便可使光探測(cè)器的位置和波長(zhǎng)(每個(gè)信道)一對(duì)一地相互對(duì)應(yīng)。
按照國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)的標(biāo)準(zhǔn)，以最小值定義DWDM中的通信波長(zhǎng)為每隔100GHz一個(gè)頻率間距。從表1左側(cè)起第一行的列中給出了一個(gè)例子(C波段)。為此，即使根據(jù)λ＝c/f(c是光速)的關(guān)系以一個(gè)恒定的間隔定義頻率f，波長(zhǎng)間隔彼此間不相等。在用衍射光柵作為光譜元件是情況下，不按一定間隔提供分頻光束到達(dá)光接收表面的位置(見表1左起第二行)。
此外，在使用所定義的頻率中的一部分信道的情況下，所有信道間的頻率間隔不必是常數(shù)。這種情況下，除了上述原因之外，在分頻光束可能到達(dá)更遠(yuǎn)的光接收表面的位置中會(huì)引起“跳變”。
此外，常規(guī)的普通光探測(cè)器陣列在光探測(cè)器之間有恒定的間距。當(dāng)這樣一種光探測(cè)器用于波分復(fù)用信號(hào)時(shí)，不能使光探測(cè)器與每個(gè)信道一一對(duì)應(yīng)，以致相鄰的光探測(cè)器接收一個(gè)信道的信號(hào)，或某些光探測(cè)器元件接收不到信號(hào)。因此，存在著光感受器與信道之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系變得復(fù)雜，而且信道之間的信號(hào)分離需要比信道多的光探測(cè)器的問題。此外，還存在著對(duì)應(yīng)于芯片上存在未使用的光探測(cè)器而增加光探測(cè)器芯片的面積的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有解決上述問題的優(yōu)良的信號(hào)分離特性的小尺寸光探測(cè)器陣列。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，提供一種光探測(cè)器陣列，其中三個(gè)或更多光探測(cè)器沿直線排列，整個(gè)陣列中相鄰光探測(cè)器之間的陣列間距不是常數(shù)。
此外，提供一種光通信監(jiān)視模塊，其中使用對(duì)于在第i′和第(i＋1)′信道間具有波長(zhǎng)間隔Δλi的入射光，其光柵周期為d和衍射序數(shù)為m的衍射光柵，用L表示衍射光柵和光探測(cè)器之間的光程長(zhǎng)度，用θo表示平均出射角度，光探測(cè)器陣列中第i′和第(i＋1)′光探測(cè)器間的間距pi滿足下面的等式pi＝mΔλiL/dcosθo具體地說，通過根據(jù)光探測(cè)器陣列上光的入射位置來改變光探測(cè)器之間的陣列間距，可明顯減小光探測(cè)器陣列芯片的尺寸。
本說明書與日本專利申請(qǐng)No.2000-234941(2000年8月2日提交)中包含的技術(shù)主題有關(guān)，在此將其作為整體清楚地引入供參考。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的光通信監(jiān)視模塊的概念示意圖，圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的光探測(cè)器陣列芯片實(shí)施例的平面圖，圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的光探測(cè)器陣列芯片另一個(gè)實(shí)施例的平面圖，和圖4是表示常規(guī)光通信監(jiān)視模塊的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的光通信監(jiān)視模塊100的示意圖。已經(jīng)經(jīng)過波分復(fù)用的入射光110通過光纖101進(jìn)入模塊的外殼200中，并通過準(zhǔn)直透鏡102整形成具有預(yù)定直徑的光束。接下來，調(diào)節(jié)位置，使光束以預(yù)定角度入射到衍射光柵103上。相應(yīng)地，對(duì)使波長(zhǎng)變化的每個(gè)信道稍微并逐漸地改變出射角度，以便發(fā)射光線112。借助反射鏡106使光線112穿過回程會(huì)聚透鏡108。從而使光束會(huì)聚在光檢探測(cè)器陣列140上。通過設(shè)定將要用下面的等式確定的光檢探測(cè)器陣列140的每個(gè)元件的間隔，能夠形成具有高分離程度的信道監(jiān)視器。
具體地說，當(dāng)使用對(duì)于在第i′和第(i＋1)′信道間具有波長(zhǎng)間隔Δλi的入射光其光柵周期為d和衍射序數(shù)為m的衍射光柵時(shí)，用L表示衍射光柵和光探測(cè)器之間的光程長(zhǎng)度，用θo表示中心波長(zhǎng)中的出射角度，光檢探測(cè)器陣列中第i′和第(i＋1)′光檢探測(cè)器之間的間距(光探測(cè)器間距)pi滿足下面的等式pi＝mΔλiL/dcosθo下面描述信道監(jiān)視器設(shè)計(jì)的具體例子。在下面的實(shí)施例中，對(duì)衍射光柵的入射角和出射角變化的情況進(jìn)行描述。本發(fā)明還可應(yīng)用于利特羅排列。[第一實(shí)施例]使用1.55μm頻帶的波長(zhǎng)。定義中心波長(zhǎng)為1552.52nm。根據(jù)1TU的C波段標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定信道間距為100GHz，并使用16個(gè)連續(xù)信道。確定光程長(zhǎng)度L，使光探測(cè)器陣列中的間隔在中心波長(zhǎng)附近為50μm。將衍射光柵的衍射序數(shù)設(shè)定為25，并確定光柵周期為24.7μm，以致對(duì)于中心波長(zhǎng)而言，入射角度是71.5°，出射角度是38.5°。此時(shí)，表1中示出與來自具有各個(gè)波長(zhǎng)(信道)的光的衍射光柵的出射角度對(duì)應(yīng)的光探測(cè)器之間的間隔(即光探測(cè)器間距)。L是48mm。光探測(cè)器之間的間隔(即光探測(cè)器間距)使兩端(即最大和最小值之間)有1.4μm(2.8％)的差值。
如果設(shè)計(jì)具有按圖1所示間隔(光探測(cè)器間距)設(shè)置的光探測(cè)器的光探測(cè)器陣列的光掩膜，可以用常規(guī)方法進(jìn)一步制造包括InGaAsP/InP的臺(tái)式晶體管光探測(cè)器陣列。圖2是表示所制造的光探測(cè)器陣列芯片151的平面圖。圖2是光探測(cè)器的尺寸，間隔(間距)等不太精確的示意圖。在InP襯底150上形成16個(gè)光探測(cè)器140，并分別通過金屬布線170連接到焊接區(qū)160。焊接區(qū)的尺寸通常需要80至100μm2。在該實(shí)施例中，光探測(cè)器140之間的間隔(即光探測(cè)器間距)約為50μm，比焊接區(qū)160之間的間隔小。因此，焊接區(qū)160在光探測(cè)器140的一側(cè)排列成兩行。排列方式不限于此，不過可將焊接區(qū)160排列為兩行，每行比如分別位于光探測(cè)器140的一側(cè)。
通過選擇中心波長(zhǎng)和信道數(shù)目，比如可以構(gòu)成諸如8信道或32信道等的各種信道監(jiān)視器。
在本實(shí)施例中，按陣列排列光探測(cè)器140，以準(zhǔn)確地滿足表1所示的光探測(cè)器間距。然而，在本實(shí)施例中，因所選擇的波長(zhǎng)所造成的光探測(cè)器之間的間隔(即光探測(cè)器間距)的差值在2.8％內(nèi)，因此，即使以相等的間距排列所有光探測(cè)器140，在實(shí)際工作條件下很少出現(xiàn)問題。另外，如果因選擇的波長(zhǎng)而使光探測(cè)器之間的間隔的差值較大，也可根據(jù)光探測(cè)器之間的間隔(間距)比來改變光探測(cè)器的寬度。[第二實(shí)施例]雖然在第一實(shí)施例中使用16個(gè)連續(xù)信道，可以將它們分成兩部分，也就是比如每部分有8個(gè)信道供使用。另外，頻率間隔不必是100GHz。在本實(shí)施例中，在各具有200GHz頻率間隔的兩個(gè)部分之間的中部設(shè)置1THz的未使用頻帶(見表1)。這種情況下，在表1所示的光探測(cè)器140之間間隔的中部產(chǎn)生約250μm(針對(duì)四個(gè)元件)的“跳變”。圖3(a)示出在跳變部分也形成光探測(cè)器，以便構(gòu)成與第一實(shí)施例具有相同結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器陣列芯片152的例子。虛線圍繞的部分表示未使用的部分220，該部分中的光探測(cè)器140和焊接區(qū)160未被使用。
如果不象圖3(b)所示那樣形成四個(gè)光探測(cè)器(虛線中所示)142，還可以省略附加至那里的焊接區(qū)和布線。如果以與第一實(shí)施例中相同的方式設(shè)定光探測(cè)器140之間的間隔(即光探測(cè)器間距)約為50μm，焊接區(qū)160最好應(yīng)按圖3(a)的結(jié)構(gòu)排列成兩行。另一方面，如果如圖3(b)所示省略了四個(gè)光探測(cè)器142，可在空白空間中設(shè)置數(shù)個(gè)焊接區(qū)。在圖3(b)所示的排列例子中，在空白空間中排列三個(gè)元件的焊接區(qū)162，以便可將剩余的焊接區(qū)164排成一行。為此，可以減小芯片153的面積，比芯片152的面積(如點(diǎn)劃連線所示)小10％或更多，并可減小光探測(cè)器陣列芯片的尺寸。圖3(b)所示的焊接區(qū)的排列僅是為了說明目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制，可以設(shè)想各種結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施例中，頻率間隔是200GHz，該頻率間隔是第一實(shí)施例中的兩倍。因此，如果光探測(cè)器之間的間隔(光探測(cè)器間距)以與第一實(shí)施例相同的方式是約50μm，光程長(zhǎng)度L可以是約24mm，該光程長(zhǎng)度是第一實(shí)施例中的一半。
另外，在本實(shí)施例中，同樣排列光探測(cè)器140以準(zhǔn)確地滿足表1所示的光探測(cè)器間距。然而，所分成的兩部分中的每一部分因選擇的波長(zhǎng)而造成光探測(cè)器之間的間隔(即光探測(cè)器間距)的差值不太大，因此，即使以相等的間距排列每部分中的光探測(cè)器140，在實(shí)際工作條件下也很少出現(xiàn)問題。另外，如果因所選擇的波長(zhǎng)而造成光探測(cè)器之間的間隔差值較大，也可以根據(jù)光探測(cè)器間的間隔(間距)比來改變光探測(cè)器的寬度。
在使用衍射光柵的信道監(jiān)視模塊中，即使信道的波長(zhǎng)不具有相等的間隔，可使信道與光探測(cè)器一一對(duì)應(yīng)，并可簡(jiǎn)化模塊的結(jié)構(gòu)。此外，可減小光探測(cè)器的尺寸。
表1


權(quán)利要求
1.一種具有三個(gè)或更多直線排列的光探測(cè)器的光探測(cè)器陣列，其特征在于，整個(gè)陣列中，相鄰光探測(cè)器之間的陣列間距不是常數(shù)。
2.一種光通信監(jiān)視模塊，通過衍射光柵對(duì)具有N個(gè)信道(N是3或大于3的整數(shù))的波分復(fù)用光分頻，并通過光探測(cè)器陣列接收分頻的光，衍射光柵的衍射序數(shù)為m，光柵周期為d，其特征在于，光探測(cè)器陣列中的第i′和第(i＋1)′(i是1至(N－1)的整數(shù))光探測(cè)器間的間距pi滿足下面的等式pi＝mΔλiL/dcos θoΔλi是第i′和第(i＋1)′信道之間的波長(zhǎng)間隔，L是衍射光柵和光探測(cè)器陣列之間的光程長(zhǎng)度，θo是平均出射角度。
3.一種光探測(cè)器陣列芯片，包括按行排列的光探測(cè)器；和分別通過布線連接到光探測(cè)器的焊接區(qū)；其特征在于，至少一個(gè)焊接區(qū)布置在該行光探測(cè)器上并在相鄰的兩個(gè)光探測(cè)器之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光探測(cè)器陣列芯片，其特征在于，大部分焊接區(qū)按行排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光探測(cè)器陣列芯片，其特征在于，整個(gè)陣列中，相鄰光探測(cè)器之間的陣列間距不是常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光探測(cè)器陣列芯片，其特征在于光探測(cè)器陣列芯片用于通過衍射光柵對(duì)具有N個(gè)信道(N是3或大于3的整數(shù))的波分復(fù)用光分頻，衍射光柵的衍射序數(shù)為m，光柵周期為d；和光探測(cè)器陣列中的第i′和第(i＋1)′(i是1至(N－1)的整數(shù))光探測(cè)器間的間距pi滿足下面的等式pi＝mΔλiL/dcosθoΔλi是第i′和第(i＋1)′信道之間的波長(zhǎng)間隔，L是衍射光柵和光探測(cè)器陣列之間的光程長(zhǎng)度，θo是平均出射角度。
全文摘要
當(dāng)使用對(duì)于在第i′和第(i+1)′信道之間具有波長(zhǎng)間隔Δλ
文檔編號(hào)H01L27/144GK1336740SQ0112382
公開日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2001年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月2日
發(fā)明者黑田靖尚, 田上高志, 仲間健一 申請(qǐng)人:日本板硝子株式會(huì)社