CN1846378A - 自由空间msm光电探测器组件 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例将MSM光电探测器用于发射的穿越自由空间介质的光。这种具有低电容的MSM光电探测器实现了更高的数据传输速率和更大的对准公差。

Description

自由空间MSM光电探测器组件

相关申请

本申请要求于2003年9月5日递交的美国专利申请号为60/500,655，名为“FREE SPACE MSM PHOTODETECTORASSEMBLY”的美国专利申请为优先权，它涉及与之共同待审查以及共同转让的于2003年9月5日递交的美国专利申请号为10/655,752，名为“MSM PHOTODETECTOR ASSEMBLY”的美国专利申请，该申请所涉及的内容作为参考合并在本说明书中。

技术领域

本发明通常涉及光学通信，特别涉及MSM光电探测器组件。

背景技术

光导纤维技术特别适合通信应用，因为光导纤维具有较宽的传输带宽和相对较低的衰减。然而，电子和光学网络的光导纤维接口在制造上很昂贵，这是由将激光发射和接收器件装配在衬底上并将它们与独立装配的光导纤维对准的难度造成的。通常这种困难与在精确的公差(tolerance)内制造元件和在精确的位置上在精确的公差内装配元件相关。而对准问题主要出现在器件的组装(pakaging)过程中。为了克服这些困难，可以增大发射器和接收器器件以降低在对准过程中很难满足的严格的公差。

在传统光导纤维通信系统中，发射器将光学数据发送给光纤，由在接收端的探测器接收该数据。在光纤的每一端都有一个固有接口。在微米级上进行对准使得在这两个接口很难保证光学损失最小化。可以通过增大光导纤维的纤芯从而在发射端降低对准公差。然而，这将在接收端接口造成不希望出现的效果。即，从较大纤芯的光纤中发出的光具有较大的横截面积，从而使得光难以被捕获。

大纤芯的光纤，例如纤芯的直径为50到63微米的光纤，在局域网(LAN)环境中很常见。与小纤芯的光纤相比，大纤芯对于安装而言，例如将光纤耦合到激光源或接收光电探测器上，以及将光纤与光学连接器耦合在一起，提供了更大的公差。一般地，有两种类型的光电探测器常被用来接收光纤中的光并将其转换为电信号，即PN二极管和金属-半导体-金属(MSM)二极管。两者的直径都大约在70到80微米，以便捕获来自LAN光纤中的光。

另一种类型的光纤在有限的应用中被采用，即硬质包层石英(HCS)光纤。这种光纤具有一个石英纤芯，周围有一层硬塑料包层，并且光纤的直径大都在200到300微米之间。

另一种光纤是塑料光纤。这种光纤类似于HCS光纤，但是使用塑料纤芯而非石英纤芯。因为其纤芯是塑料的，所以光纤的衰减限制了其有效使用距离一般在10米以内。

相应地，需要一个包含所需的全部光学和电学元件的光学接收组件来捕获从低成本平台的大截面光纤中发出的光。

发明内容

本发明的实施例是关于用于接收通信中的数据的光电信号转换设备的系统和方法。特别地，由于具有集成的光学和电学元件的树脂模型导线架的构成，本发明的实施例在组装上具有低成本。本发明的实施例采用了较大的高速光电探测器。

根据本发明，大面积金属-半导体-金属(MSM)光电探测器被用来捕获从位于连接的组装组件内的光源发出的光。本发明的MSM光电探测器可以使用单个探测器接收单个的光学通道，也可以使用探测器阵列接收多个光学通道。MSM光电探测器分别把每个通道的光学信号转换为电信号。电信号通过位于同一组装件内的集成电路芯片或分离的独立芯片进行放大。

本发明的实施例可以包括用于将光汇聚到探测器上的透镜。本发明的实施例具有装配在衬底，例如印刷电路板、导线架衬底、射频陶瓷衬底或硅衬底上的光电探测器。

上面已对本发明的特征和技术优点进行了概括性描述，以便下面对本发明的详细描述能够被更好地理解。本发明的其它特征和优点将在下面进行描述，它构成了本发明权利要求的主题。本领域的技术人员应该知道，所公开的概念和特定实施例可以被容易地用作改进或设计与本发明实现相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应该知道，这种等同的构造并没有背离如附随的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。通过下面的描述并结合附图，将能够更好的理解关于组成和操作方法的、作为本发明特征的新颖技术特征，以及其它目的和优点。然而，应该知道，每幅附图只是为了阐释和描述的目的，而不是对本发明进行限制的限定。

附图说明

为了对本发明进行更完整的理解，现在将参考下文结合附图的描述：其中

图1是使用本发明实施例的光学系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的一个光电探测器实例的示意图；

图3是根据本发明实施例的另一个光电探测器实例的示意图；和

图4是比较MSM光电探测器和pin光电二极管的图。

具体实施方式

本发明的实施例将在需要短距离、高速光学数据连接环境，例如30米以内、穿越自由空间介质、没有有线或光纤介质的环境中进行操作。例如，本发明的实施例可以用于娱乐系统、计算机系统、汽车系统、运输系统、存储系统、工业系统、航空系统、多媒体系统、信息技术系统等。例如，本发明的实施例可以将两个计算机系统连接到一起，将两块计算机电路板连接到一起，将DVD播放器连接到电视机(它们可以位于建筑物、汽车、火车、飞机或其它运输系统内)，将调谐器/控制单元连接到大型平板电视监视器，将游戏控制器连接到游戏机，将家用电器(例如，电视机、立体声、电话、计算机、照相机等)连接到控制系统，将数码相机连接到存储或控制系统或者显示屏，将传感器连接到计算机，将控制机制连接到计算机，将计算机连接到投影仪或监视器，将设备连接到多路复用器和多路分解器。此外，本发明的实施例可以用于大型屏幕设备，例如与控制单元之间使用高速连接的高清电视(HDTV)。

图1描述了使用本发明实施例的光学通信系统100的构造。系统100包括自由空间介质101，例如空气或真空。在这个系统中，光信号被导向在光电探测器的感光区域上。光信号可以被校准或聚焦。这样一个系统的对准公差随着光电探测器面积的增大而增大。因此，光电探测器越大，光电探测器和光信号之间的对准需要达到的精确性越小。在较大的对准公差下，相对于光信号发射器来放置光电探测器会变得更加容易。然而，光电探测器越大，带宽越低。本发明的实施例提高了自由空间光学接收单元的最大带宽和对准公差。根据光电探测器的大小，系统可具有从每秒5M比特到5G比特的带宽。

系统100使用发射器103产生用于信号的光并将其耦合到自由空间中。发射器103可以形成调制过的光，而后所述光被耦合入介质。该光可以以光脉冲的形式携带信息穿过介质101。光可以由激光108形成，108可以是Fabry-Perot(FP)激光形式的二极管激光，或是垂直腔面激光VCSEL。光源可以是高速发光二极管(LED)。典型地，产生的光具有500-1550纳米的波长。多数系统在650nm、780nm、或850nm、1300nm左右的波长下操作。

光脉冲可以被接收器104探测到。接收器包括光电探测器106，它可以是一个MSM光电探测器。光电探测器随后将光信号转换为电信号。电信号随后可以被发送到另一个接收器元件109，例如放大器、滤波器和/或其它处理元件，以及/或者信号(随后)被发送到接收器外的元件110，它可以是放大器、过滤器和/或其它处理元件。

可选择地，接收器104包括透镜107用以将光聚焦到光电探测器上。

MSM光电探测器优于p-intrinsic-n(PIN)光电探测器。随着PIN型光电探测器尺寸的增大，电容会随之增大，系统的带宽或速度会明显降低。因此，对于大于每秒1G比特的速率，PIN光电探测器的直径必须小于100微米。由于MSM光电探测器的几何构造，它比相同尺寸的PIN光电探测器具有更低的电容。因此，MSM光电探测器的直径可以大于100微米并仍然支持大于每秒1G比特的速率。

图4中的图400示出了通过计算得到的电极间距为2μm的MSM光电探测器(401)，以及电极间距为3μm的MSM光电探测器(402)，和吸收层厚度为2μm的pin光电二极管(403)的时间常数的对比。注意，在直径大于等于150μm时，MSM探测器很明显地更快。对于较小的直径而言，由于漂移时间起主导作用，故pin二极管和MSM探测器的速度可以比拟。

MSM光电探测器可以包括基本无杂质的砷化镓用于较短的波长(例如650、780、850纳米或接近红外线的可见光波长)。光电探测器也可以包括磷化铟或类似材料用于较长的波长(例如1.3微米、1.55微米或更高)。用于电极的典型金属是顶端带有金层的铂。下面的钛层可以提高对半导体的附着度。钛的厚度可以在20纳米以内，铂的典型厚度是100到200纳米，并且金层的典型厚度是200纳米到1微米。电极的目的是收集在半导体内产生的载流子。电极也形成对半导体的肖特基势垒。电极的宽度应尽可能小以使被阻挡的光量最少。这些电极的典型宽度是小于1微米，例如0.7微米。两个电极上表面之间的间距需要根据光电探测器的具体应用进行优化。这个间距越大，操作器件所需的电压就越高。典型的电极之间的间距是1到3微米。MSM光电探测器在其表面还可以包括抗反射(AR)膜，用于最小化由表面光反射引起的光损。AR膜层的厚度被调节为四分之一波长，有效折射率是空气(或其它密封剂)和半导体之间的几何平均值。有效折射率的典型数值是1.9。

图2绘出了根据本发明实施例的一个MSM光电探测器和一个连接器201的剖视图。配置方案200包括端口或开口203，光电探测器阵列106通过它从自由空间介质接收光。一组透镜107将光聚焦在光电探测器阵列106上。透镜107可以独立于所述阵列，也可以集成在阵列上。阵列附着在衬底202上，它可以是一个PCB、硅衬底、陶瓷衬底、电介质衬底或金属框架衬底。

图3示出了与图2相似的配置方案300，但它使用了元件302，用于以相对于光进入连接器301的方向的一个特定角度将光反射出去。注意，元件302也可以像透镜107一样对光进行聚焦，同时改变其方向。还应该注意，90度改变仅仅是作为一个实例，其它的角度也可以使用。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应该知道，只要不背离由附随的权利要求所限定的本发明的精神和范围，可以在此对本发明进行各种变化、替代和改变。此外，本申请的范围并不限于说明书中描述的过程、机器、制造、构造、装置、方法和步骤的特定实施例。正如本领域的普通技术人员可以容易地从本发明的公开中知道的那样，现存的或是将来被开发出来的、与这里描述的相应实施例实质上执行相同功能或者实现相同效果的过程、机器、制造、构造、装置、方法和步骤，都可以根据本发明被应用。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、构造、装置、方法或步骤包括在权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种系统，包括：

用于提供光信号的光源，所述光信号是包括数据信号的光；

用于传输光信号的光学自由空间介质；和

用于接收光信号的金属-半导体-金属-MSM光电探测器；

其中所述系统具有至少每秒500M比特的数据速率。

2.如权利要求1所述的系统，还包括：

用于将光信号聚焦到MSM光电探测器上的透镜。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述系统具有至少每秒1G比特的数据率。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述MSM光电探测器具有砷化镓衬底。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述MSM光电探测器具有磷化铟衬底。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述MSM光电探测器具有氮化镓衬底、蓝宝石衬底和碳化硅衬底中的一个。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述介质具有与MSM光电探测器的光轴平行的光轴。

8.如权利要求1所述的系统，还包括：

用于以相对于光信号方向的一个角度将所述光信号反射到MSM光电探测器的反射器。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述角度为90度。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述反射器将光信号聚焦到MSM光电探测器上，并且所述MSM光电探测器的直径小于光学波导的直径。

11.如权利要求1所述的系统，其中该系统与娱乐系统、计算机系统、汽车系统、运输系统和存储系统、工业系统、航空系统、多媒体系统和信息技术系统中的一个相关。

12.如权利要求1所述的系统，其中该系统将信号提供方与接收单元相连接。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述信号提供方从下组中选择：

电缆系统、DVD播放器、录像带播放器、CD播放器、控制器、传感器、通信系统、数据存储设备和多路复用器。

14.如权利要求12所述的系统，其中所述接收单元从下组中选择：

立体声系统、电视机、计算机、个人数据助理、游戏系统、电话、家用电器、显示屏幕、控制系统、多路分解器和数字记录器。

15.如权利要求1所述的系统，还包括：

用于将MSM光电探测器安装在其上的衬底。

16.如权利要求15所述的系统，其中该衬底是印刷电路板、导线架衬底、射频陶瓷衬底和硅衬底中的一个。

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