CN113280914A - 低伪影、高速、平衡的光学探测器阵列 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种特殊类型的光纤、高速、平衡的探测器阵列,其被设计成具有非常低的伪影、紧凑的设计以及很低的成本。该设计易于扩展到单个探测器或探测器对的多个通道,并且易于增加跨阻抗放大器以放大探测到的光信号。这些设备的带宽当前处于高达10GHz的范围中,并且更高的速度是可能的。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2020年01月31日提交的申请号为62/968,402的美国临时专利申请的权益。该美国临时专利申请62/968,402的公开内容据此被引入以作为参考。
技术领域
本公开涉及光学平衡探测器,尤其涉及一种低伪影、高速、平衡的光学探测器阵列。
背景技术
相干干涉光学成像和传感技术有很多种,例如光学相干断层扫描(OCT)、光探测和测距(LIDAR)以及光频域反射法(OFDR)。随着激光和数字信号处理成本的降低,此类技术变得更为普及。所有这些系统全都使用了某种光学探测形式,以便借助于使用光学传感器设备(例如光电二极管)来将光学信号转换成电信号。在很多情况中,光学系统会产生一对差分信号,这种情况下也会使用图1a所示的一对平衡探测器来减去这两个信号。图1b和图1c显示了与跨阻抗放大器(TIA)耦合的光学平衡探测器的示例。这种差分技术被用于提升所产生的电信号的信噪比(SNR)以及共模抑制比(CMRR)。使用差分光信号的两个分量的探测器被称为平衡探测器,并且其被电气布线以产生高质量的差分信号。平衡探测器依赖于具有两个匹配良好的光电二极管——其中每一个光电二极管针对差分光信号的一个分量。这种低伪影技术也可用于非差分应用,在这种情况下,阵列中的探测器全都是独立的。图1d显示了一个独立工作但受益于共同封装的简单的匹配光电探测器阵列。
如上所述的很多应用会借助光纤来传递光信号(与自由空间的非引导光相反)。这样做能够实现出色的光信号路由和控制,但是还需要将探测器直接耦合到光纤末端,或者通过中间的光学器件来将脱离光纤的光引导到探测器中。在这样做时,一些探测到的光经常会被散射,由此导致探测质量较差。在很多系统中,光学探测器内部的少量光反射或散射具有良好的耐受性,但是类似于OCT这样的成像和传感应用不但需要高速的平衡探测器来实现最佳性能,而且还需要在所产生的电信号(该信号会转换成图像数据)中具有非常低的伪影的探测器。
伪影有可能是由探测器内部的非预期的反射和散射造成的,而这些反射和散射则是因为内部界面沿着光学路径向前或向后反射或散射一些光导致的。这一点对于光纤耦合的探测器(例如本文描述的一些实施例)来说尤其成立。向后反射并被耦合回到光纤中的光被称为光学回波损耗(ORL)或反向散射,它有可能会降低系统的性能。多个反射和/或散射位置同样可能导致光信号的弱时延版本被在向前方向上引导,以及被探测器内部的一个或多个光学传感器收集。这些伪影会引入噪声和伪影信号,由此可能会对很多光学系统(例如OCT成像系统)的性能产生负面影响。
先前的用于成像和传感应用的平衡探测器设计经常会使用处于独立的气密封装中的单个光电二极管元件。这样做很难在紧凑、低成本的封装中以很高的速率实现均衡的性能。这样做还会使得与跨阻抗放大器的集成和匹配更加困难。由此迫切需要一种全新设计,该设计能够将很多匹配的平衡探测器集成在具有并行输入和输出连接的单个封装中。
实施例的目的是在创建探测器阵列的同时最小化这些伪影,其中该探测器阵列同样是高速、紧凑、鲁棒且低成本的,并且完全处于环境稳定的外壳中。根据这里描述的实施例的全新设计能将很多高速、低伪影、平衡的探测器集成在具有并行输入和输出连接的单个鲁棒的封装中。
发明内容
本文公开了一种特殊类型的光纤、高速、平衡的探测器阵列,特别地,该阵列被设计成具有非常低的伪影、紧凑的设计以及很低的成本。该设计易于扩展到单个探测器或探测器对的多个通道,并且易于增加跨阻抗放大器以放大探测到的光信号。这些设备的带宽当前处于1kHz到10GHz的范围以内,其中更高级的光学系统需要超出10GHz的更高的速度,而对于其他应用来说,设备的带宽低于1kHz。
本公开的一个实施例提供了一种光纤探测器,包括:具有多个光电探测器的半导体探测器阵列;被配置为将光束引导到所述多个光电探测器中的光纤阵列;其中所述光纤阵列中的每一根光纤的输出端都倾斜一角度,以使出射光束相对于光纤轴线以一角度进行传输,并且沿着不与光电探测器的表面垂直的主光束路径入射在光电探测器上;其中所倾斜的角度被选定成致使来自光束路径中的表面的反射被引导离开主光束路径,并且避免被光电探测器探测到或是沿光纤轴线在相反的方向上被发送。由此保护系统免受反向散射或多个散射光子影响。
附图说明
图1a显示了不具有放大器的简单光学平衡探测器的电路图。图1b显示了具有跨阻抗放大器的平衡光电探测器。图1c显示了一对向差分放大器馈电的匹配光电探测器。图1d显示了简单的匹配光电探测器阵列。
图2显示了根据一个实施例的具有输入光纤连接器的平衡光学探测器封装的不同工程视图。
图3是根据一个实施例的具有盖件的平衡光学探测器配件的透视图。
图4是根据一个实施例的用于显示内部组件的没有盖件的平衡光学探测器配件的透视图。
图5是根据一个实施例的可以看出光纤尖端与PD元件相校准的平衡光学探测器配件的顶视图。
图6是根据一个实施例的平衡光学探测器配件的侧视图。
图7是根据一个实施例的配件的侧视图,该图显示了主光束以及相关联的杂散光束的细节,其中如果不能将杂散波束从预期的信号光束路径中消除,那么其有可能会导致伪影产生。
图8显示了根据一个实施例的平衡光学探测器的时域脉冲响应。
图9显示了根据一个实施例的平衡光学探测器的频率响应。
具体实施方式
关于根据本公开原理的说明性实施例的描述应该结合附图来阅读,这些附图应被认为是整个书面描述的一部分。在本公开的实施例的描述中,关于方向或方位的任何引用仅仅是为了便于描述,其目的并不是以任何方式限制本公开的范围。相对的术语(例如“较低”、“较高”、“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”)及其衍生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应被解释成是指当时描述的方向或是在所讨论的附图中显示的方向。这些相对术语仅仅是为了便于描述,并且除非明确指示,否则不需要以特定的方位来构造或操作该装置。除非另有明确指示,否则诸如“附着”、“附接”、“连接”、“耦合”、“互连”等术语指的是结构彼此直接或者间接地通过中间结构固定或附着的关系,以及可移动或刚性的附着或关联。此外,本公开的特征和有益效果是通过参考示例性实施例来示出的。相应地,本公开明显不应局限于此类的例示实施例,该例示实施例示出了可单独存在或以其他特征组合方式存在的特征的一些可能非限制性组合;本公开的范围是由附加于此的权利要求书限定的。
本公开描述了当前想到的关于本公开的一种或多种最佳实施方式。该描述不应被理解成具有限制意义,相反,该描述通过参考附图提供了关于本公开的示例,这些示例仅仅是出于说明性目的给出的,由此将本公开的优点和有益效果告知给本领域普通技术人员。在不同的附图中,相似的参考字符表示相同或相似的部分。
如图3和4所示,本公开的一个实施例是一种匹配的高速光电探测器阵列(PDA),其在前向和反向方向上都提供了很低的光学伪影。这一点对于那些对PDA附近的光学路径中的非预期反射和散射敏感的应用(例如OCT、LIDAR)而言是非常有用的。该效果是通过使用光纤阵列来实现的,其中该光纤阵列被一个特殊的角度抛光(angle-polished)棱镜终止,以便将光束从光纤引导到PDA(例如被抛光以提供全内反射的V型槽阵列)。角度抛光可以用其他很多用于生产光学组件的技术(例如借助于激光成形、针对期望的棱镜特征的激光加工、或者借助磁流变抛光(MRF))来补充或替代。
如图2所示,根据一个实施例的平衡光学探测器封装可以包括具有光纤连接器的一对输入光纤。光信号被馈送到输入光纤中,以便由平衡探测器执行信号检测。图3显示了具有密封盖件的探测器封装,以及图4显示了没有盖件的PCB基板上的探测器封装的组件。
如图6和7所示,棱镜被以如下方式安置在PDA附近,即,该方式确保来自中间表面的任何杂散二次反射在沿着光纤朝向PDA或背向PDA的任一方向上被引导离开光学路径。耦合回到光纤的反向反射通常被称为光学回波损耗(ORL)。如图6所示,根据一个实施例,棱镜被结合到精确厚度的垫片(spacer)上,所述垫片将棱镜的下表面置于与PDA表面上方相距一小段距离的位置。
图7显示了主光束和相关联的杂散光束的细节,其中如果不从光束路径中消除该杂散光束,那么其有可能会导致伪影产生。PDA通常具有抗反射涂层(ARC),该ARC将来自PDA表面的反射最小化并提高PDA的灵敏度的。该棱镜的附加表面可被调整(condition),以辅助消除来自光学路径的反射(例如,可以缩短前端)。此外,在棱镜的底部表面还可以添加ARC,以便避免棱镜与PDA之间的多次反射。在棱镜的反射表面上还可以添加镜面涂层,以便提高反射率。垫片和PDA全都结合在相同的基板上,以便保持校准和稳定性。在棱镜与PDA之间的空间中还可以添加折射率匹配材料,以便将反射最小化。该PDA能使各个光电探测器元件的性能紧密匹配,因为它们来自同一半导体晶圆的相邻位置。可替换地,可以对各个光电探测器进行筛选和配对,以便确保匹配。在创建用于例如OCT等应用的平衡或差分的探测器配对时,这一点是至关重要的。
对那些对于平衡探测器之间的相位差非常敏感的应用(例如OCT)来说,该光纤阵列能使光纤的长度匹配更加容易。由于光纤阵列和PDA都是用公差通常小于1μm的微制造技术制造的,因此保证了光纤阵列与PDA相校准。用于保持光纤的棱镜允许对光纤末端的反射角进行精确抛光,由此实现低伪影性能。在一个实施例中,光纤末端所倾斜的角度被选定成致使来自光束路径中的表面的反射被引导离开主光束路径,并且避免被光电探测器探测到或是沿着光纤轴线在相反的方向上被发送。该倾斜的角度取决于以下的一项或多项:组件间隔、光纤发射角、探测器尺寸等等。在一个实施例中,在该封装中包含了涂层,以便吸收光学设备中常见的一些杂散光。
通过使用阵列光学组件,允许精确地校准提供高速、平衡性能的小型探测器。在图5中,该探测器封装的顶视图显示了实施例的优点,其中一对光纤可被精确地安置在阵列中的两个选定的光电探测器的上方,由此可以将光引导到光电探测器的有效(active)区域。同样的原理与很多探测器的使用相适合。图5显示了在光纤阵列具有四根光纤的情况下使用所有的四个探测器的可能性。
回到图3,其中显示了包含密封盖件的探测器封装。应该指出的是,光学路径还有可能得益于防止污染物进入的密封环境,其中一些污染物有可能会增加不必要的散射。这一点是通过使用金属盖件或聚合物盖件来实现的,其中该金属盖件或聚合物盖件以允许光纤穿过所述盖件的壁部并保持环境密封的方式被密封在基板上,所述密封限制了此类环境组件的渗透率(例如灰尘、水蒸气和氧气)。关于这种盖件材料的一个示例是液晶聚合物(LCP),它是一种用于密封电子组件的常用材料。特殊的低渗透性环氧树脂被用于形成所述盖件和光纤密封。应该理解的是,很多封装方法可以用于制造鲁棒的配件,例如激光焊接的全气密封装。
这种几何结构还能在同一紧凑型封装内部的PDA输出端直接添加放大器。这种几何结构还可以实现阵列电输出,例如通孔或球栅阵列。
图8显示了根据一个实施例的平衡光电探测器的典型时域脉冲响应性能,以及图9显示了根据一个实施例的平衡光电探测器的典型频率响应性能。
虽然已经对照所描述的若干个实施例而以一定的长度和一定特殊性对本公开进行了描述,但是本公开并不限于任何此类细节或实施例或是任何特定的实施例,相反,其应该被理解成有鉴于现有技术而提供了最广泛的可能的解释,并且由此有效地包含了本公开的预定范围。此外,以上内容是依照发明人可以预见的实施例来描述本公开的,但是目前尚未预见的关于本公开的非实质性修改仍然可以代表其等效形式。
Claims (17)
1.一种光纤探测器,包括:
光电探测器阵列;
光纤阵列,被配置为将光束引导到所述光电探测器阵列;
其中,所述光纤阵列中的每一根光纤包括输出端,所述输出端被倾斜一角度,以使出射光束相对于光纤轴线以一角度进行传输,并且沿着不与所述光电探测器的表面垂直的主光束路径入射在所述光电探测器阵列中相应的光电探测器上;
其中,所倾斜的角度被选定成致使来自所述光束路径中的表面的反射被引导离开所述主光束路径,并且避免被所述光电探测器探测到或是沿所述光纤轴线在相反方向上被发送。
2.如权利要求1所述的光纤探测器,其中所述光纤的所述输出端被嵌入在支撑结构中,所述支撑结构将所述光纤保持在阵列中,其中光纤间距与所述光电探测器阵列中的探测器间距基本匹配。
3.如权利要求1所述的光纤探测器,其中所述光束路径中的至少一个表面具有抗反射涂层(ARC),以便提高光纤与所述光电探测器的有效区域之间的耦合效率。
4.如权利要求1所述的光纤探测器,其中所述光电探测器以平衡配对的方式电连接,以便来自指定配对的光电流相减。
5.如权利要求1所述的光纤探测器,其中一个或多个跨阻抗放大器(TIA)被引入,以便放大光电流以及将所述光电流转换为电压信号。
6.如权利要求1所述的光纤探测器,其中所述光电探测器的区域被限制成具有台面结构、浸渍氧化物层或硬孔径的小型区域。
7.如权利要求1所述的光纤探测器,其中在输出信号与接地之间引入了基本上为电阻性的端接。
8.如权利要求1所述的光纤探测器,其中DC阻隔电容器被引入。
9.如权利要求1所述的光纤探测器,其中所述光电探测器阵列被减少为单个光电探测器;和/或,所述光纤阵列被减少为单个光纤。
10.如权利要求1所述的光纤探测器,其中使用了常规的气密封装。
11.如权利要求1所述的光纤探测器,其中所述光纤探测器是用封装构成的,所述封装包括:印刷电路板(PCB)基板和LCP盖件。
12.如权利要求11所述的光纤探测器,其中所述盖件通过环氧树脂附着于所述基板。
13.如权利要求11所述的光纤探测器,其中所述光纤穿过所述盖件中的通道,并且所述通道是用环氧树脂填充的。
14.如权利要求13所述的光纤探测器,其中所述通道中的环氧树脂是通过所述基板中的孔洞注入的。
15.如权利要求11所述的光纤探测器,其中输出信号去往所述基板边缘周围的齿形通孔。
16.如权利要求11所述的光纤探测器,其中输出信号穿过具有填充通孔的所述基板,然后去往与所述基板底侧上的通孔相邻或覆盖该通孔的衬垫。
17.如权利要求16所述的光纤探测器,其中在所述衬垫上添加了焊球或引脚。
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