專利名稱：自由空間msm光電探測器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及光學(xué)通信，特別涉及MSM光電探測器組件。
背景技術(shù)：
光導(dǎo)纖維技術(shù)特別適合通信應(yīng)用，因為光導(dǎo)纖維具有較寬的傳輸帶寬和相對較低的衰減。然而，電子和光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的光導(dǎo)纖維接口在制造上很昂貴，這是由將激光發(fā)射和接收器件裝配在襯底上并將它們與獨立裝配的光導(dǎo)纖維對準(zhǔn)的難度造成的。通常這種困難與在精確的公差(tolerance)內(nèi)制造元件和在精確的位置上在精確的公差內(nèi)裝配元件相關(guān)。而對準(zhǔn)問題主要出現(xiàn)在器件的組裝(pakaging)過程中。為了克服這些困難，可以增大發(fā)射器和接收器器件以降低在對準(zhǔn)過程中很難滿足的嚴(yán)格的公差。
在傳統(tǒng)光導(dǎo)纖維通信系統(tǒng)中，發(fā)射器將光學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)送給光纖，由在接收端的探測器接收該數(shù)據(jù)。在光纖的每一端都有一個固有接口。在微米級上進(jìn)行對準(zhǔn)使得在這兩個接口很難保證光學(xué)損失最小化。可以通過增大光導(dǎo)纖維的纖芯從而在發(fā)射端降低對準(zhǔn)公差。然而，這將在接收端接口造成不希望出現(xiàn)的效果。即，從較大纖芯的光纖中發(fā)出的光具有較大的橫截面積，從而使得光難以被捕獲。
大纖芯的光纖，例如纖芯的直徑為50到63微米的光纖，在局域網(wǎng)(LAN)環(huán)境中很常見。與小纖芯的光纖相比，大纖芯對于安裝而言，例如將光纖耦合到激光源或接收光電探測器上，以及將光纖與光學(xué)連接器耦合在一起，提供了更大的公差。一般地，有兩種類型的光電探測器常被用來接收光纖中的光并將其轉(zhuǎn)換為電信號，即PN二極管和金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)二極管。兩者的直徑都大約在70到80微米，以便捕獲來自LAN光纖中的光。
另一種類型的光纖在有限的應(yīng)用中被采用，即硬質(zhì)包層石英(HCS)光纖。這種光纖具有一個石英纖芯，周圍有一層硬塑料包層，并且光纖的直徑大都在200到300微米之間。
另一種光纖是塑料光纖。這種光纖類似于HCS光纖，但是使用塑料纖芯而非石英纖芯。因為其纖芯是塑料的，所以光纖的衰減限制了其有效使用距離一般在10米以內(nèi)。
相應(yīng)地，需要一個包含所需的全部光學(xué)和電學(xué)元件的光學(xué)接收組件來捕獲從低成本平臺的大截面光纖中發(fā)出的光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例是關(guān)于用于接收通信中的數(shù)據(jù)的光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備的系統(tǒng)和方法。特別地，由于具有集成的光學(xué)和電學(xué)元件的樹脂模型導(dǎo)線架的構(gòu)成，本發(fā)明的實施例在組裝上具有低成本。本發(fā)明的實施例采用了較大的高速光電探測器。
根據(jù)本發(fā)明，大面積金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光電探測器被用來捕獲從位于連接的組裝組件內(nèi)的光源發(fā)出的光。本發(fā)明的MSM光電探測器可以使用單個探測器接收單個的光學(xué)通道，也可以使用探測器陣列接收多個光學(xué)通道。MSM光電探測器分別把每個通道的光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號。電信號通過位于同一組裝件內(nèi)的集成電路芯片或分離的獨立芯片進(jìn)行放大。
本發(fā)明的實施例可以包括用于將光匯聚到探測器上的透鏡。本發(fā)明的實施例具有裝配在襯底，例如印刷電路板、導(dǎo)線架襯底、射頻陶瓷襯底或硅襯底上的光電探測器。
上面已對本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點進(jìn)行了概括性描述，以便下面對本發(fā)明的詳細(xì)描述能夠被更好地理解。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在下面進(jìn)行描述，它構(gòu)成了本發(fā)明權(quán)利要求的主題。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道，所公開的概念和特定實施例可以被容易地用作改進(jìn)或設(shè)計與本發(fā)明實現(xiàn)相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)該知道，這種等同的構(gòu)造并沒有背離如附隨的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。通過下面的描述并結(jié)合附圖，將能夠更好的理解關(guān)于組成和操作方法的、作為本發(fā)明特征的新穎技術(shù)特征，以及其它目的和優(yōu)點。然而，應(yīng)該知道，每幅附圖只是為了闡釋和描述的目的，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制的限定。


為了對本發(fā)明進(jìn)行更完整的理解，現(xiàn)在將參考下文結(jié)合附圖的描述其中圖1是使用本發(fā)明實施例的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的一個光電探測器實例的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的另一個光電探測器實例的示意圖；和圖4是比較MSM光電探測器和pin光電二極管的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例將在需要短距離、高速光學(xué)數(shù)據(jù)連接環(huán)境，例如30米以內(nèi)、穿越自由空間介質(zhì)、沒有有線或光纖介質(zhì)的環(huán)境中進(jìn)行操作。例如，本發(fā)明的實施例可以用于娛樂系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、存儲系統(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)明的實施例可以將兩個計算機系統(tǒng)連接到一起，將兩塊計算機電路板連接到一起，將DVD播放器連接到電視機(它們可以位于建筑物、汽車、火車、飛機或其它運輸系統(tǒng)內(nèi))，將調(diào)諧器/控制單元連接到大型平板電視監(jiān)視器，將游戲控制器連接到游戲機，將家用電器(例如，電視機、立體聲、電話、計算機、照相機等)連接到控制系統(tǒng)，將數(shù)碼相機連接到存儲或控制系統(tǒng)或者顯示屏，將傳感器連接到計算機，將控制機制連接到計算機，將計算機連接到投影儀或監(jiān)視器，將設(shè)備連接到多路復(fù)用器和多路分解器。此外，本發(fā)明的實施例可以用于大型屏幕設(shè)備，例如與控制單元之間使用高速連接的高清電視(HDTV)。
圖1描述了使用本發(fā)明實施例的光學(xué)通信系統(tǒng)100的構(gòu)造。系統(tǒng)100包括自由空間介質(zhì)101，例如空氣或真空。在這個系統(tǒng)中，光信號被導(dǎo)向在光電探測器的感光區(qū)域上。光信號可以被校準(zhǔn)或聚焦。這樣一個系統(tǒng)的對準(zhǔn)公差隨著光電探測器面積的增大而增大。因此，光電探測器越大，光電探測器和光信號之間的對準(zhǔn)需要達(dá)到的精確性越小。在較大的對準(zhǔn)公差下，相對于光信號發(fā)射器來放置光電探測器會變得更加容易。然而，光電探測器越大，帶寬越低。本發(fā)明的實施例提高了自由空間光學(xué)接收單元的最大帶寬和對準(zhǔn)公差。根據(jù)光電探測器的大小，系統(tǒng)可具有從每秒5M比特到5G比特的帶寬。
系統(tǒng)100使用發(fā)射器103產(chǎn)生用于信號的光并將其耦合到自由空間中。發(fā)射器103可以形成調(diào)制過的光，而后所述光被耦合入介質(zhì)。該光可以以光脈沖的形式攜帶信息穿過介質(zhì)101。光可以由激光108形成，108可以是Fabry-Perot(FP)激光形式的二極管激光，或是垂直腔面激光VCSEL。光源可以是高速發(fā)光二極管(LED)。典型地，產(chǎn)生的光具有500-1550納米的波長。多數(shù)系統(tǒng)在650nm、780nm、或850nm、1300nm左右的波長下操作。
光脈沖可以被接收器104探測到。接收器包括光電探測器106，它可以是一個MSM光電探測器。光電探測器隨后將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。電信號隨后可以被發(fā)送到另一個接收器元件109，例如放大器、濾波器和/或其它處理元件，以及/或者信號(隨后)被發(fā)送到接收器外的元件110，它可以是放大器、過濾器和/或其它處理元件。
可選擇地，接收器104包括透鏡107用以將光聚焦到光電探測器上。
MSM光電探測器優(yōu)于p-intrinsic-n(PIN)光電探測器。隨著PIN型光電探測器尺寸的增大，電容會隨之增大，系統(tǒng)的帶寬或速度會明顯降低。因此，對于大于每秒1G比特的速率，PIN光電探測器的直徑必須小于100微米。由于MSM光電探測器的幾何構(gòu)造，它比相同尺寸的PIN光電探測器具有更低的電容。因此，MSM光電探測器的直徑可以大于100微米并仍然支持大于每秒1G比特的速率。
圖4中的圖400示出了通過計算得到的電極間距為2μm的MSM光電探測器(401)，以及電極間距為3μm的MSM光電探測器(402)，和吸收層厚度為2μm的pin光電二極管(403)的時間常數(shù)的對比。注意，在直徑大于等于150μm時，MSM探測器很明顯地更快。對于較小的直徑而言，由于漂移時間起主導(dǎo)作用，故pin二極管和MSM探測器的速度可以比擬。
MSM光電探測器可以包括基本無雜質(zhì)的砷化鎵用于較短的波長(例如650、780、850納米或接近紅外線的可見光波長)。光電探測器也可以包括磷化銦或類似材料用于較長的波長(例如1.3微米、1.55微米或更高)。用于電極的典型金屬是頂端帶有金層的鉑。下面的鈦層可以提高對半導(dǎo)體的附著度。鈦的厚度可以在20納米以內(nèi)，鉑的典型厚度是100到200納米，并且金層的典型厚度是200納米到1微米。電極的目的是收集在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的載流子。電極也形成對半導(dǎo)體的肖特基勢壘。電極的寬度應(yīng)盡可能小以使被阻擋的光量最少。這些電極的典型寬度是小于1微米，例如0.7微米。兩個電極上表面之間的間距需要根據(jù)光電探測器的具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。這個間距越大，操作器件所需的電壓就越高。典型的電極之間的間距是1到3微米。MSM光電探測器在其表面還可以包括抗反射(AR)膜，用于最小化由表面光反射引起的光損。AR膜層的厚度被調(diào)節(jié)為四分之一波長，有效折射率是空氣(或其它密封劑)和半導(dǎo)體之間的幾何平均值。有效折射率的典型數(shù)值是1.9。
圖2繪出了根據(jù)本發(fā)明實施例的一個MSM光電探測器和一個連接器201的剖視圖。配置方案200包括端口或開口203，光電探測器陣列106通過它從自由空間介質(zhì)接收光。一組透鏡107將光聚焦在光電探測器陣列106上。透鏡107可以獨立于所述陣列，也可以集成在陣列上。陣列附著在襯底202上，它可以是一個PCB、硅襯底、陶瓷襯底、電介質(zhì)襯底或金屬框架襯底。
圖3示出了與圖2相似的配置方案300，但它使用了元件302，用于以相對于光進(jìn)入連接器301的方向的一個特定角度將光反射出去。注意，元件302也可以像透鏡107一樣對光進(jìn)行聚焦，同時改變其方向。還應(yīng)該注意，90度改變僅僅是作為一個實例，其它的角度也可以使用。
盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，但是應(yīng)該知道，只要不背離由附隨的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍，可以在此對本發(fā)明進(jìn)行各種變化、替代和改變。此外，本申請的范圍并不限于說明書中描述的過程、機器、制造、構(gòu)造、裝置、方法和步驟的特定實施例。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以容易地從本發(fā)明的公開中知道的那樣，現(xiàn)存的或是將來被開發(fā)出來的、與這里描述的相應(yīng)實施例實質(zhì)上執(zhí)行相同功能或者實現(xiàn)相同效果的過程、機器、制造、構(gòu)造、裝置、方法和步驟，都可以根據(jù)本發(fā)明被應(yīng)用。因此，所附權(quán)利要求旨在將這些過程、機器、制造、構(gòu)造、裝置、方法或步驟包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括用于提供光信號的光源，所述光信號是包括數(shù)據(jù)信號的光；用于傳輸光信號的光學(xué)自由空間介質(zhì)；和用于接收光信號的金屬-半導(dǎo)體-金屬-MSM光電探測器；其中所述系統(tǒng)具有至少每秒500M比特的數(shù)據(jù)速率。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于將光信號聚焦到MSM光電探測器上的透鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)具有至少每秒1G比特的數(shù)據(jù)率。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述MSM光電探測器具有砷化鎵襯底。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述MSM光電探測器具有磷化銦襯底。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述MSM光電探測器具有氮化鎵襯底、藍(lán)寶石襯底和碳化硅襯底中的一個。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述介質(zhì)具有與MSM光電探測器的光軸平行的光軸。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于以相對于光信號方向的一個角度將所述光信號反射到MSM光電探測器的反射器。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述角度為90度。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述反射器將光信號聚焦到MSM光電探測器上，并且所述MSM光電探測器的直徑小于光學(xué)波導(dǎo)的直徑。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)與娛樂系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)和存儲系統(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)中的一個相關(guān)。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)將信號提供方與接收單元相連接。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述信號提供方從下組中選擇電纜系統(tǒng)、DVD播放器、錄像帶播放器、CD播放器、控制器、傳感器、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和多路復(fù)用器。
14.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述接收單元從下組中選擇立體聲系統(tǒng)、電視機、計算機、個人數(shù)據(jù)助理、游戲系統(tǒng)、電話、家用電器、顯示屏幕、控制系統(tǒng)、多路分解器和數(shù)字記錄器。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于將MSM光電探測器安裝在其上的襯底。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中該襯底是印刷電路板、導(dǎo)線架襯底、射頻陶瓷襯底和硅襯底中的一個。
全文摘要
本發(fā)明的一個實施例將MSM光電探測器用于發(fā)射的穿越自由空間介質(zhì)的光。這種具有低電容的MSM光電探測器實現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的對準(zhǔn)公差。
文檔編號H04B10/00GK1846378SQ200480025445
公開日2006年10月11日 申請日期2004年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者托斯坦·維皮基烏斯基, 艾倫·輝, 弗蘭克·桐 申請人:新科實業(yè)有限公司