DE69821808T2

DE69821808T2 - Photodiodenmodul und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69821808T2
Application number: DE69821808T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Konohana-ku Fujimura; Yoshiki Konohana-ku Kuhara
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: DE69821808D1; EP0856758A2; CA2227804C; CA2227804A1; EP0856758A3; EP0856758B1; US5963694A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fotodiodenmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Fotodiodenmoduls. Das Modul verfügt über eine Fotodiode und eine Lichtleitfaser und eignet sich für optische Kommunikationssysteme und optische Messungen. Das Fotodiodenmodul (FD) ist für die Verzerrung von Signalen immun und in der Lage, verschiedene analoge Signale ohne Verzerrung zu empfangen.
In dem vorliegenden Text betrifft der Begriff „Fotodiodenmodul" eine Baugruppe aus einer Fotodiode, einer Lichtleitfaser, optischen Bauteilen und einem Gehäuse. Es gibt einige Vorschläge, den FD-Chip mittels einer Linse in einer Baugruppe, bestehend aus einer Faser, einer Linse und einem FD-Chip, von dem Bildpunkt an einem Ende der Faser axial nach vorn oder hinten zu verschieben. So schlagen beispielsweise die japanische Patentoffenlegung Nr. 64-79629 (79629/'89) und die japanische Patentoffenlegung Nr. 5-224101 (224101/'93) ein Fotodiodenmodul vor, welches die relative Position des FD-Chips von dem Bild der Faser mit Hilfe einer Linse nach vorn (innen) oder hinten (außen) verschiebt, so dass die Leistung des reflektierten Lichts verringert wird, die Verzerrung der Signale gemindert wird, usw.
Die Fotodiode ist eine Vorrichtung mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse montierten FD-Chip. Der FD-Chip ist ein Halbleiterchip mit einem PN-Übergang, einer N-Elektrode und einer P-Elektrode. Eine Elektrode, durch die Lichtstrahlen in den FD-Chip gelangen, ist eine ringförmige Elektrode. 1 zeigt einen Schnitt eines konventionellen, typischen FD-Chips. Das Material der lichtempfangenden Schicht wird entsprechend der Wellenlänge des Lichts gewählt. Bänder mit großer Wellenlänge, zum Beispiel ein 1,3 μm-Band oder ein 1,55 μm-Band, machen eine Stift-Fotodiode mit einer Licht empfangenden Schicht aus einem InGaAs-Mischkristall erforderlich. InGaAs-Fotodioden werden auf einem Epitaxial-Wafer hergestellt, der ein N-InP-Substrat 81, eine N-InP-Pufferschicht 82, eine InGaAs-Lichtempfangsschicht 83 und eine N-InP-Fensterschicht 84 aufweist, die auf dem InP-Substrat 81 in dieser Reihenfolge nacheinander aufgebracht werden.
Durch die selektive Diffusion von Zink (Zn) durch eine Maske hindurch auf einen Epitaxial-Wafer entstehen Zn-diffundierende P-Zonen 85 und PN-Übergänge in der InGaAs-Lichtempfangsschicht 83. Pro Chip werden auf dem Wafer eine P-Elektrode 86, eine N- Elektrode 90, ein Passivierungsfilm 88 und ein Antireflexionsfilm 87 ausgebildet. Die P-Elektrode 86 in der P-Zone 85 ist eine ringförmige Elektrode mit einer weiten Öffnung, durch die auftreffendes Licht 89 in die P-Zone 85 eintritt. Die N-Elektrode 90 bedeckt gleichmäßig den Boden des N-InP-Substrats 81. Der Passivierungsfilm 81 schützt die Enden des PN-Übergangs, indem er die Außenseite der ringförmigen P-Elektrode 86 bedeckt. Der Antireflexionsfilm 87 bedeckt die P-Zone 85 und verhindert, das auftreffendes Licht auf der Oberfläche der P-Zone 85 reflektiert wird. Der Wafer wird in eine Vielzahl einzelner Fotodioden-(FD)-Chips zerschnitten.
Eine eigenständige Fotodiode wird hergestellt, indem ein solcher Fotodiodenchip in ein abgedichtetes Metallgehäuse mit Fenster eingebaut wird. Ansonsten wird ein FD-Chip an einer Lichtleitfaser oder an einem optischen Verbinder angebracht, um die sich in der Faser ausbreitenden optischen Signale zu erfassen. Eine derartige Vorrichtung, die einen FD-Chip über eine Linse mit einer Lichtleitfaser oder einem optischen Verbinder kombiniert, wird als „Fotodiodenmodul (FD-Modul)" bezeichnet. Bei einem FD-Modul ist es wichtig, die Faser mit dem FD-Chip abzugleichen, da die FD schmale Strahlen erfassen muss, die von einer dünnen Faser emittiert werden. Der „Abgleich" ist ein Vorgang, bei dem eine Faser passend zu einem FD-Chip in einem FD-Modul gewählt wird, damit die über eine Linse in den FD-Chip eintretende Lichtenergie maximiert wird und eine maximale Empfindlichkeit des FD-Moduls gewährleistet wird. Somit ist der Abgleich eines der wichtigsten Probleme bei der Herstellung von FD-Modulen.
2 zeigt ein konventionelles Fotodiodenmodul einer Anschlussverbindung (Pigtail) einer Lichtleitfaser mit einem FD-Chip. Ein FD-Chip 1 wird auf einem Träger 13 befestigt, der an ein Gehäuse 12 angelötet ist. Beim Verbinden des FD-Chips 1 mit dem Gehäuse 12 sollte zwecks Abgleich darauf geachtet werden, dass die Mitte des FD-Chips 1 mit der Mitte des Gehäuse 12 zusammenfällt. Die Mitte einer Faser 14 wird an einer Verlängerung der Mittelachsenlinie des FD-Chips 1 und des Gehäuses 12 positioniert. Alle optischen Bauteile befinden sich in dem vorgenannten FD-Modul auf einer gemeinsamen Achse. Diese einfache Ausrichtung wird auch als „Ausrichtung auf gemeinsamer Achse" bezeichnet. Das Gehäuse 12 verfügt über einen Anodenstift 15, einen Kathodenstift 16 und einen Umhüllungsstift 17, die sich von der Unterseite nach unten erstrecken.
Auf dem Gehäuse 12 ist eine Kappe 22 mit einer Kugellinse 23 befestigt. Der Innenraum des Gehäuses ist mittels der Kappe 22 hermetisch abgedichtet. Eine zylindrische Buchse 18 umschließt den Sockel des Gehäuses 12. Auf der Oberseite der Buchse 18 ist ein doppelt zylindrischer Hülsenhalter 19 angeschweißt. Der Hülsenhalter 19 hält eine Hülse 20, die ein Ende der Lichtleitfaser 14 auf einer Axiallinie aufnimmt. An dem Hülsenhalter 19 ist ein konischer Biegungsbegrenzer 21 angebracht. Ein Biegungsbegrenzer 21 aus elastischem Material schützt das Ende der Faser vor einer übermäßigen Biegung.
Der FD-Chip 1 wird auf den isolierenden Träger 13 montiert, um eine N-Elektrode (Kathode) der FD elektrisch von dem Gehäuse (Mantel oder Boden) 12 zu trennen. Bei dem Träger 13 handelt es sich um eine rechteckige Isolierplatte aus Aluminiumnitrid Aln, Aluminiumoxid Al₂O₃ oder dergleichen.
Der Träger 13 ist auf beiden Seiten mit dünnen Metallschichten beschichtet (als metallisierte Schichten bezeichnet), damit sich das Anlöten praktisch ausführen lässt. Der FD-Chip 1 wird z. B. mit einem PbSn-Lötmittel an dem Träger 13 befestigt. Die obere Metallschicht des Trägers 13 wird über einen Golddraht mit dem Kathodenstift 16 verbunden. Die P-Elektrode des FD-Chips 1 ist mit einem anderen Golddraht an den Anodenstift 15 angeschlossen.
Die Kugellinse 23 gewährleistet, dass der Eintritt von Licht in die FD mit hoher Wirksamkeit erfolgt, indem die von der Lichtleitfaser 14 auf die Empfangfläche des FD-Chips 1 übertragenen Lichtstrahlen konvergiert werden. Das Ende der Faser 14 ist mit der Hülse 20 schräg geschliffen, um zu verhindern, dass sich auf das Faserende reflektiertes Licht zu einem Laser zurück ausbreitet, der sich am anderen Ende der Faser befindet. Der Winkel des Schrägschleifens beträgt beispielsweise acht Grad. Der Neigungswinkel ist ein willkürlicher Parameter und eine Frage der Konstruktion. Bei diesem FD-Modul sind alle Mittelpunkte der Faser 14, der Linse 23 und des FD-Chips 1 auf derselben Mittelachse ausgerichtet. Dies ist die Bedeutung der „gemeinsamen Achsenausrichtung".
Es scheint selbstverständlich zu sein, dass alle Mittelachsen der optischen Bauteile in FD-Modulen zusammenfallen. Allerdings haben die Erfinder festgestellt, dass eine solche FD mit gemeinsamer Achsenausrichtung einen Nachteil dahingehend aufweist, dass sie bei der analogen Signalübertragung mitunter eine Interferenz zwischen verschiedenen Frequenzen induziert. Auf diesen Nachteil wird noch näher eingegangen. Das optische CATV (Kabelfernsehen) ist das am besten geeignete Beispiel, da bei optischen CATV-FD-Modulen die gegenseitige Interferenz deutlich wird. Wenn ein optisches CATV-System analoge Signale mit vielen verschiedenen Frequenzen an die Empfangsgeräte sendet, die FD-Module enthalten, so sind die an den FD-Modulen empfangenen Signale mitunter durch die Interferenz zwischen Signalen mit verschiedenen Frequenzen verzerrt. Um eine Signalverzerrung bei analogen CATVs zu vermeiden, ist die Anzahl von Kanälen erheblich eingeschränkt. Zu einer Verzerrung kommt es wie folgt: Ein optisches CATV wandelt analoge elektrische Signale mit einem Laser (LD) oder einer LED in analoge optische Signale um und sendet eine Vielzahl von Lichtsignalen mit unter schiedlichen Frequenzen in einer Lichtleitfaser an die Teilnehmer-Empfangsgeräte. Die FD des Empfangsgerätes wandelt die optischen Signale in elektrische Signale um.
Eine Einheit, die eine Frequenz verwendet wird, als „Kanal" bezeichnet. Eine analoge CATV-Station sammelt die Signale von einer Vielzahl von Kanälen mit unterschiedlichen Frequenzen, wandelt die elektrischen Signale der Kanäle mit einem Laser oder einer LED in optische Signale um, die viele analoge Signalen enthalten, und sendet die Gesamtsignale über eine Faser aus. Das Empfangsgerät beim Teilnehmer wandelt die optischen Signale in elektrische Signale mit vielen Frequenzen um und wählt einen Kanal aus den Signalen aus, die eine Vielzahl von Kanälen enthalten. Da ein analoges FD-Modul analoge Signale verwendet, muss die FD sehr gerade sein. Im Unterschied zu digitalen FDs ist die Linearität bei analogen FDs eines der wichtigen Kriterien. Eine gute Linearität bedeutet, dass das elektrische Signal (Fotoelektronenstrom I) über einen breiten Leistungsbereich in einer Fotodiode hinweg kontinuierlich proportional zur Lichtenergie P ist. Wenn das elektrische Signal eine Lichtenergie höherer Ordnung (Potenz) hat (nicht linear ist), werden die Signale durch die Interferenz zwischen den verschiedenen Frequenzen in der FD verzerrt. Wenn das elektrische Signal beispielsweise Ausgangssignale zweiter Potenz aufweist, erscheinen im Ausgang der FD neue parasitäre Frequenzen, die einer Summe oder einer Differenz (Überlagerung) von zwei unterschiedlichen Frequenzen entsprechen. Dadurch entsteht eine Signalverzerrung.
Die Verzerrung ist ein nichtlineares Phänomen, das ebenfalls bei Harmonischen sämtlicher Potenz oberhalb der zweiten Potenz auftritt. Die Verzerrung zweiter Potenz IMD₂ hat von allen Verzerrungen den größten Wert und ist am einfachsten zu messen. Gewöhnlich wird die Leistung einer FD durch die Verzerrung zweiter Potenz IMD₂ eingeschätzt. Die Verzerrung zweiter Potenz ist proportional zu den Eingangssignalen. Wenn das Eingangssignal reduziert ist, ist auch die IMD₂ reduziert. Doch die Reduzierung des Eingangssignals führt auch zu einem geringen Rauschabstand, der verhindert, dass ein Fernsehgerät klare Bilder anzeigt. Bei konventionellen FD-Modulen ist es schwierig, mit einer geringen Verzerrung zu arbeiten, ohne dass dies auf Kosten der Signalleistung geht.
Bei dem Versuch, das Verzerrungsproblem zu lösen, haben die Erfinder einmal ein neues analoges FD-Modul vorgeschlagen, welches die Verzerrung verringern kann, indem die Aberration einer Kugellinse ausgenutzt wird. Dieser Vorschlag ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 6-171873 (171873/'94) mit dem Titel „Analoges FD-Modul und Verfahren zu dessen Herstellung" angegeben. 3 ist ein schematisches Diagramm optischer Bauteile in einem analogen FD-Modul. Ein FD-Chip 1 wird mittels Träger auf ei nem Gehäuse 2 befestigt. Der FD-Chip 1, eine Kugellinse 3 und eine Lichtleitfaser 5 sind nacheinander auf einer Geraden angeordnet. Das Faserende wird von einer Hülse 4 festgeklemmt. Die Bauteile bzw. der Aufbau sind ähnlich wie bei einem konventionellen FD-Modul. Zuerst entdeckten die Erfinder eine Möglichkeit zur Verringerung der Verzerrung, ohne dabei die Empfindlichkeit einzubüßen, indem der Abstand Z zwischen der Linse und dem Ende der Lichtleitfaser variiert wird. Als die Erfinder herausfanden, dass die Differenz zwischen Verzerrung und Empfindlichkeit in Abhängigkeit von dem Abstand Z stand, konnten sie erfolgreich eine neue Anordnung aus FD, Linse und Faser vorschlagen, welche die Aberration einer Kugellinse ausnutzte.
4 ist eine Grafik, die die Wechselstrom-(AC)-Empfindlichkeit RAC (A/W) und die Verzerrung zweiter Potenz IMD₂ (dBc) zeigt, die vom Erfinder als Funktionen des Abstandes Z (mm) zwischen der Linse und der Faser gemessen wurden. Die Abszisse gibt den Abstand Z (mm) an. Die linke Ordinate ist die AC-Empfindlichkeit RAC (A/W). Die rechte Ordinate gibt die Verzerrung zweiter Potenz IMD₂ (dBc) an. Die durchgezogene Linie zeigt die Empfindlichkeit RAC. Die Punktlinie kennzeichnet die Verzerrung IMD₂. Die IMD₂ hat einen Spitzenwert von –61 dBc bei dem Abstand Z = 1,2 mm. In dem Streben nach einer geringeren Verzerrung schenkten konventionelle Module lediglich einem größeren Abstand Z Beachtung, der weit über den maximalen Verzerrungspunkt (Z = 1,2 mm) hinausging. Ein Kriterium bei einer analogen FD besteht darin, dass die IMD₂ unter –75 dBc liegt. Das konventionelle FD-Modul hat einen großen Abstand, der erst oberhalb des maximalen Verzerrungspunktes eine IMD₂ von –75 dBc bietet. Bei diesem Beispiel ordnete das FD-Modul nach dem Stand der Technik das Faserende weit entfernt im Abstand von Z = 1,6 mm zur Linse an (RAC = 0,89 A/W). Der Punkt der Faser war jedoch weit vom maximalen Empfindlichkeitsbereich entfernt (RAC = 0,96 A/W). Dem konventionellen FD-Modul gelang es also, die IMD₂ auf Kosten der Empfindlichkeit auf unter –75 dBc zu senken. Die empfangenen Signale waren so schwach, dass das FD-Modul die Signale, einschließlich vieler Kanäle mit unterschiedlichen Frequenzen, nicht ordnungsgemäß verarbeiten konnte. Durch die geringe Empfindlichkeit wurde die Anzahl von Kanälen eingeschränkt.
Die Erfinder untersuchten die Möglichkeit, lediglich die Verzerrung zu verringern, ohne dabei die Empfindlichkeit von FD-Modulen zu senken, und maßen die IMD₂ und die RAC als Funktion von Z in einem kleinen Bereich von Z, dem vorher noch keine Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Zum ersten Mal entdeckten die Erfinder das Vorhandensein eines Bereiches, eines kleinen Abstandes Z, der die Verzerrung schneller verringert als die Empfindlichkeit. In 4 ist ein Punkt angegeben, der eine IMD₂ = –75 dBc in einem Be reich von Abständen zwischen Z = 0,8 mm und Z = 0,9 mm bietet, die viel kleiner sind als der konventionelle Abstand zwischen Linse und Faser, der beispielsweise Z = 1,6 mm beträgt. Anders als der vorherige Punkt Z = 1,6 mm kann der neu entdeckte Punkt zwischen Z = 0,8 mm und Z = 0,9 mm die Anforderungen sowohl an die Empfindlichkeit als auch an die Verzerrung erfüllen. In der japanischen Patentanmeldung Nr. 6-71873 ist ein FD-Modul angegeben, welches eine hohe Empfindlichkeit und eine geringe Verzerrung aufrechterhält, indem der Abstand Z zwischen Linse und Faser zwischen Z = 0,8 mm und Z = 0,9 mm, festgelegt wird. Siehe auch EP 690323 .
Warum ändert sich der Bereich der maximalen Empfindlichkeit zwischen Z = 0,8 mm und Z = 1,3 mm so stark? Als Grund kann der Folgende angenommen werden: Diese Lichtempfangszone, die von der P-Elektrode eines konventionellen FD-Chips eingeschlossen ist, hat einen breiten Bereich mit einem Durchmesser W von 100 μm (0,1 mm) bis 200 μm (0,2 mm). Die Kugellinse konvergiert die von der Faser emittierten Strahlen auf einen kleinen Punkt (Bild am Faserende: Mittelstück des Strahls) mit einem Durchmesser U, der weitaus kleiner ist als 0,1 mm bis 0,2 mm (U < W). Die Strahlen konvergieren auf der FD zu einem Punkt (Bildpunkt am Faserende), der kleiner ist als die Lichtempfangszone der FD. Auch wenn der Abstand zwischen der FD und der Linse konstant gehalten wird, ändert sich der Durchmesser der Strahlen auf der FD, wenn sich das Faserende in Z-Richtung bewegt. Wenn die Faser an einem Punkt liegt, der dem Strahlenpunkt (Mittelstück des Strahls) auf der FD den kleinsten Durchmesser verleiht, treten alle Strahlen in die Lichtempfangszone ein. Diese Faserposition gewährleistet die größtmögliche Empfindlichkeit. Da U < W, gelangen auch dann noch alle Strahlen in die Lichtempfangszone der FD, wenn die Faser leicht nach links oder rechts verschoben ist, und die FD weist die maximale Empfindlichkeit auf. Da konkret der Durchmesser U des Mittelstücks des Strahls kleiner ist als der Durchmesser W der Lichtempfangszone (U < W), hat die FD einen breiten maximalen Empfangsbereich von 0,8 mm bis 1,3 mm.
Warum unterscheidet sich die Abhängigkeit der Verzerrung IMD₂ von dem Abstand Z zu der Abhängigkeit der Empfindlichkeit von dem Abstand Z? Die IMD₂ hat ihren Spitzenwert nicht in der Mitte Z₀ ( = 1,1 mm) des maximalen Empfindlichkeitsbereiches, sondern eher an einem entfernten Punkt (1,2 mm). Der vorangegangenen Erfindung gelang es, beide Anforderungen – im Hinblick auf die Empfindlichkeit und auf die Verzerrung – zu erfüllen, indem die Asymmetrie zwischen der Verzerrung und der Empfindlichkeit bestmöglich ausgenutzt wurde. Warum kommt es nun zu dieser Asymmetrie zwischen Empfindlichkeit und Verzerrung? Wenn eine Linse keine Aberration aufweisen würde, müssten die von einer Lichtquelle emittierten Strahlen bei einer gewissen Apertur zu einem Bildpunkt (Strahlen-Mittelstück) konvergieren und bei derselben Apertur von dem Bildpunkt divergieren. Anschließend müssten die Strahlen in Bezug auf den Bildpunkt (Mittelstück des Strahls) sowohl nach vorn (zunehmender Abstand Z) und nach hinten (abnehmender Z) vollständig symmetrisch sein, wenn die Linse keine Aberration aufweisen würde. Und dann müsste auch die Verzerrung in Bezug auf den Bildpunkt sowohl nach vorn als nach hinten genau wie die Apertur symmetrisch sein.
Linsen weisen jedoch eine Aberration auf. Insbesondere hat eine Kugellinse eine große Aberration. Infolge der Aberration durchqueren die von einer Linse gebrochenen Strahlen die Mittelachsenlinie nicht an einem gemeinsamen Punkt, sondern an verschiedenen Punkten, die kontinuierlich auf der Mittelachsenlinie verteilt sind. Die Schnittpunkte variieren als Funktion der radialen Abstände der Strahlen von der Linsenachse. Eine Linse mit Aberration bricht Strahlen entfernt von der Achse stärker als Strahlen nahe der Achse. Strahlen entfernt von der Achse durchqueren die Axiallinie der Linse früher als Strahlen nahe der Achse. Kurz gesagt, Strahlen entfernt von der Achse konvergieren schneller als Strahlen nahe der Achse. Die am weitesten entfernte Grenze der Durchquerungspunkte für Strahlen nahe der Achse wird als „Gaußscher Bild"-Punkt bezeichnet. Strahlen entfernt von der Achse durchqueren die Achse an Punkten, die näher an der Linse liegen als das Gaußsche Bild. Der Abstand Z zwischen Faser und Linse ist reziprok zu dem Abstand Y zwischen Linse und Bild, der lediglich durch den Linsenaufbau festgelegt ist. Je länger der Abstand Z zwischen Faser und Linse wird, desto kürzer wird der Abstand Y zwischen Linse und Bild. Die Verzerrung des Signals muss also von der übergroßen Konzentration von Strahlen herrühren. Strahlen nahe der Achse haben eine größere Leistung als Strahlen entfernt von der Achse. Somit ist die Leistungsdichte am Gaußschen Bildpunkt entlang der Achse am höchsten, weil hier die Strahlen nahe der Achse auf die Achse treffen. Die Erfinder vermuten, dass dann, wenn die Lichtempfangsoberfläche einer FD zufällig mit dem Gaußschen Bildpunkt zusammenfällt, die Verzerrung am größten ist, da die Lichtleistung durch eine derartige Anordnung gezwungen wird, sich auf einen schmalen Punkt auf der FD-Oberfläche zu konzentrieren. Da eine Lichtleistung mit hoher Dichte auf einen schmalen Punkt am PN-Übergang auftrifft, erscheint am Fotoelektronenstrom ein Effekt zweiter oder höherer Potenz. Das Auftreten von Harmonischen induziert die Interferenz zwischen verschiedenen Frequenzen und fördert die Verzerrung elektrischer Signale.
Wenn das Faserende von dem Gaußschen Bildpunkt weiter nach vorn gezogen wird, divergieren alle Strahlen. Dann ist der Strahlendurchmesser U größer als der Durchmesser W der FD-Lichtempfangszone (U > W). Hier fängt die Empfindlichkeit an, sich zu ver ringern. Wenn andererseits das Faserende von dem Gaußschen Bildpunkt nach hinten zur Linse hin gezogen wird, beginnen von der Achse entfernte Strahlen genau an der Lichtempfangsfläche der FD zu konvergieren. Der Strahlendurchmesser U ist kleiner als der Durchmesser der FD-Empfangszone (U < W). Die Empfindlichkeit bleibt über einen bestimmten Zeitraum auf dem höchsten Niveau. Im Maximalbereich ist die Empfindlichkeitskurve flach. Wenn das Faserende weiter nach vorn zur Linse geschoben wird, wird der Strahlendurchmesser U größer als der Durchmesser W der FD-Empfangsfläche (U > W). An dem Punkt U = W Nahe der Linse beginnt die Empfindlichkeit abzunehmen. Deshalb bleibt die Empfindlichkeit bei den Faser-Endpositionen von dem Punkt nahe der Linse U = W bis zum Gaußschen Bildpunkt auf dem selben Maximalwert. Die größte Verzerrung liegt jedoch am Gaußschen Bildpunkt vor. Die Asymmetrie zwischen Empfindlichkeit und Verzerrung wird möglicherweise durch die Diskrepanz des Gaußschen Bildpunktes von dem Mittelpunkt des maximalen Empfindlichkeitsbereiches hervorgerufen. Die Abweichung des Gaußschen Bildpunktes nach vorn wird durch die Aberration der Linse verursacht. Von den sphärischen konvexen Linsen hat eine Kugellinse die stärkste Aberration. Deshalb tritt die Asymmetrie zwischen der Empfindlichkeit und der Verzerrung besonders deutlich bei einer FD-Vorrichtung auf, die auf einer Kugellinse basiert.
Die Erfinder haben eine neue Anordnung zwischen Linse und Faser in einer FD entdeckt, die es dem FD-Modul ermöglicht, die Verzerrung auf unter –75 dBc zu senken und eine maximale Empfindlichkeit aufrechtzuerhalten. Bei diesem FD-Modul waren noch immer die FD, die Linse und das Faserende axial zueinander ausgerichtet. Bei dem vorherigen Modul waren drei optische Bauteile auf der Z-Achse ausgerichtet. Allerdings kam das Faserende weiter an die Linse heran. Der Abstand Z zwischen Linse und Faser wurde kleiner eingestellt als der Mittelpunkt Z₀ des Bereiches mit maximaler Empfindlichkeit aus 4. In 4 ist ein Abfall der Verzerrung in einem Bereich zu erkennen, der näher an der Linse liegt als Z₀. Konkret erzeugte das Faserende kein Bild auf der FD-Ebene, sondern erstellte das Bild auf einer anderen Ebene, die weiter von der Linse entfernt ist als bei dem verbesserten FD-Modul. Die FD ist an einem Punkt außerhalb des Brennpunktes (Fokus) platziert. Folglich kann das vorangehende Modul als ein „Defokus"-Modul bezeichnet werden, und das Prinzip, welches dieses FD-Modul unterstützt, kann als Defokus-Verfahren bezeichnet werden. Durch den axialen Defokus (Z < Z₀) wurde die Verzerrung abgeschwächt, ohne die Empfindlichkeit zu beeinträchtigen.
Am Anfang des optischen CATV konnte eine kleine Anzahl von Kanälen die Nachfrage decken. Standardmäßig sind derzeitige optische CATVs gewöhnlich für die Übertragung von Signalen mit 40 Kanälen ausgestattet. Bei künftigen optischen CATVs wird es erforderlich sein, dass das System Signale von 80 bis 110 Kanälen sendet. Es werden immer mehr Kanäle gefordert. Bis jetzt liegt das Empfangs-Frequenzband von Empfangsgeräten bei 450 MHz. Für die Erhöhung der Kanalanzahl sind jedoch anstelle der 450 MHz 860 MHz für das Frequenzband von Empfangsgeräten erforderlich. Folglich muss in der nahen Zukunft das Frequenzband bei optischen CATVs verdoppelt werden. Mit der Entwicklung des CATVs wächst auch die Anzahl von Teilnehmern. Der Übertragungsbereich wird ausgeweitet. Die Sendestation nutzt Hochleistungs-Laserdioden (LDs) zum Senden von Signalen vieler Kanäle zu einer großen Anzahl von Häusern und Wohnungen von Teilnehmern. Da Hochleistungslaser starke Strahlen emittieren, trifft eine Lichtleistung von mehr als 1 MW auf die FD, also die Fotodioden einiger Teilnehmer, die sich in der Nähe der Station befindet. Bei diesen FD-Modulen ist die Verzerrung immens, da Licht mit hoher Leistung und eine große Anzahl von Kanälen die Verzerrung von Signalen verstärken. Bei Licht mit hoher Leistung aus starken Lasern ist möglicherweise der Bedarf an der Erhöhung der Empfindlichkeit geringer, jedoch wird es um so notwendiger, die Verzerrung einzudämmen. Durch diese Tendenz nach mehr Kanälen und einem breiteren Bereich für optische CATV-Systeme wird es notwendig, die Verzerrung von FD-Modulen auf der Seite der Teilnehmer zu verringern. Weiterhin macht es die starke Verbreitung optischer CATVs erforderlich, kostengünstigere und höher entwickelte FD-Module zur Verfügung zu stellen. Daher ist es dringend geboten, stabile Fotodiodenmodule mit geringer Verzerrung und hoher Empfindlichkeit herzustellen.
Um die vorgenannten Aufgaben zu lösen und entsprechend dem Anliegen der Erfindung werden nachstehend Ausführungsformen umfassend beschrieben.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fotodiodenmodul zu schaffen, das selbst bei Lichtsignalen mit hoher Leistung für eine Verzerrung immun ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Fotodiodenmoduls sowohl mit geringer Verzerrung als auch hoher Empfindlichkeit. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur kostengünstigen Herstellung eines FD-Moduls mit geringer Verzerrung. Die vierte Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines FD-Moduls mit geringer Verzerrung und hoher Ausbeute.
Da das Ende einer Lichtleitfaser in einem bestimmten Winkel θ schräg geschnitten wird, bricht der sich in der Faser ausbreitende Strahl in einem schrägen Winkel α zur Achse auf der Stirnfläche und setzt seinen Weg an der Stelle α schräg zur Axiallinie fort. Die Erfindung schlägt ein Fotodiodenmodul vor, das den Mittelpunkt (H) einer Linse und den Mittelpunkt (O) eines FD-Chips auf einer Verlängerung des schrägen Strahls anordnet, der von der schrägen Stirnfläche (Q) der Faser emittiert wird. Im Idealfall schneidet die schräge Linie ausgehend von dem Faserende, welches die Achse am Punkt α kreuzt, den Mittelpunkt (Q) des Faserendes, den Mittelpunkt (H) der Linse und den Mittelpunkt (O) der FD. Ein praktisch direkter Strahl, der emittiert und an der Stirnfläche (Q) der Faser gebrochen wird, dringt ohne Biegung in den Linsenmittelpunkt (H) und den FD-Mittelpunkt (O) ein. Konkret ist QHO eine Gerade, die sich bei α zur Achse der Faser neigt. Die Faserachse weicht in einer Richtung von der Linsenachse ab. Die FD-Achse weicht von der Linsenachse in der anderen Richtung ab. Die Achsen der drei optischen Bauteile sind parallel zueinander, jedoch voneinander getrennt. Im Vergleich mit dem vorher genannten Defokus-FD-Modul wird dieser Typ als „achsenversetztes" FD-Modul bezeichnet. Hierbei handelt es sich um erfindungsgemäß um ein ideales FD-Modul. In der Praxis treten bei der Herstellung von FD-Modulen Größen-, Montage- und andere Fehler auf. Doch zumindest die Linie OH muss parallel zu dem schrägen Strahl sein, der von dem schrägen Faserende emittiert wird. Da der Fasermittelpunkt (Q) durch Ausrichten der Faser festgelegt wird, ist die Linie QH aufgrund der Fehler nicht unbedingt parallel zu dem schrägen Strahl vom Faserende. Im Idealfall sollte die Linie QH ebenfalls parallel zu dem von der Faser emittierten schrägen Strahl sein.
Wenn die Mitte (H) der Linse an einer Stelle auf der axialen Mittellinie stehend am Gehäuse angeordnet wird, sollte die Mitte (O) der Fotodiode in einer bestimmten Richtung um –Ltan α von der Mitte des Gehäuses abweichen, die erfindungsgemäß als „–X"-Richtung bezeichnet wird, wobei L der axiale Abstand zwischen der Linsenmitte (H) und der Fotodiode FD ist und α der Neigungswinkel des Strahls ist, der von der Faser zur Axiallinie verläuft. Demgegenüber sollte die Mitte (Q) der Faser in der umgekehrten Richtung (+X-Richtung) um Lftan α von der Axiallinie abweichen, wobei Lf der axiale Abstand zwischen der Linsenmitte (H) und dem Faserende (Q) ist. Die Abstände L und Lf werden von durch die „Defokussierung" festgelegt, bei der die FD an einer Stelle angeordnet ist, an der die von der Faser emittierten Strahlen noch nicht vollständig von der Linse konvergiert worden sind. Konkret ist Lf um die Linse kürzer als der Abstand zwischen dem Linsenmittelpunkt und dem Gaußschen Bildpunkt.
Weiterhin sollte die Ausrichtung der Faser durch Drehen der Faser bestimmt werden, wodurch der unterste Punkt (S) am nächsten an die Achse und der oberste Punkt (T) am weitesten entfernt zur Achse angeordnet wird. Bei dieser Ausrichtung tritt der am Ende der Faser gebrochene Mittelstrahl gerade durch den Linsenmittelpunkt (H) hindurch und kommt am Mittelpunkt (O) des FD-Chips an, ohne von der Linse gebogen worden zu sein. Für die vorliegende Erfindung ist die Ausrichtung der Faser genauso wichtig wie die reziproken Abweichungen der FD und der Faser. Die Tatsache, dass die spitze Kante (S) am nächsten zu der Mittellinie ZH gelegen ist und die stumpfe Kante (T) am weitesten entfernt zu ihr liegt, wird jetzt als „Iso-Ausrichtung" bezeichnet. In 5 ist die Iso-Ausrichtung abgebildet. Wenn sich demgegenüber die stumpfe obere Kante (T) am nächsten an der ZH befindet und die spitze untere Kante (F) am weitesten zur ZH entfernt ist, wird die relative Position als „Aniso-Ausrichtung" bezeichnet, wie in 6 abgebildet.
Bei dem oben Dargelegten handelt es sich um das erfindungsgemäße Prinzip. Die Abstände L und Lf sind keine symmetrischen Parameter. Der Abstand L zwischen Linse und FD ist eine Konstante, die genau von der Höhe der Kappe des Gehäuses bestimmt wird. Lf ist ein inhärenter Parameter, der durch die Einstellung der Faser zwecks Verringerung der Verzerrung und Erhöhung der Empfindlichkeit für die einzelnen Chips festgelegt wird. Wenn L und θ bekannte Parameter sind, sollte die achsenversetzte Position der FD bestimmt werden, um die Verzerrung von Signalen durch Abweichung der FD um –Ltan α zu minimieren. Zur Verringerung der Verzerrung wird bei der vorliegenden Erfindung weiterhin die Faser von der Mittellinie getrennt. Die vorherige Verbesserung durch die Erfinder wurde als „Defokus"-Typ bezeichnet. Die vorliegende Anordnung kann als „achsenversetztes" FD-Modul bezeichnet werden. Die Begriffe „achsenversetzt", „Iso-Ausrichtung" und „Defokus" charakterisieren erfindungsgemäße Merkmale. Warum kann die achsenversetzte Abweichung der FD und der Faser die Verzerrung unterdrücken? Jetzt wird näher auf den Grund eingegangen, warum die Verzerrung durch eine radiale Verschiebung der Faser und der FD verringert wird.
Die Erfinder haben eine Vielzahl von Defokus-FD-Modulen hergestellt, bei denen erfindungsgemäß eine Faser näher an der Linse angeordnet ist als der Bildpunkt der FD. Bei der Herstellung der Defokus-FD-Module wurde die Aufmerksamkeit der Erfinder auf eine interessante Tatsache gelenkt. Durch Schwankungen der latenten Produktionsbedingungen kam es vor, dass einige FD-Module eine bessere Verzerrungseigenschaft aufwiesen als ein standardmäßiges Modul, wohingegen andere FD-Module schlechtere Verzerrungseigenschaften als die standardmäßigen aufwiesen. Wodurch werden nun die Unterschiede der Verzerrungseigenschaften zwischen den verschiedenen Defokus-FD-Modulen hervorgerufen? Die gepunktete Kurve aus 4 zeigt die Änderung der Verzerrung IMD₂ als Funktion des Abstandes Z zwischen Linse und Faser. Gibt es noch einen anderen Parameter, der einen Einfluss auf die Verzerrung hat als der Abstand Z zwischen Linse und Faser? Wenn es keinen weiteren Parameter gäbe, der sich auf die Ver zerrung auswirkt, wäre die große Schwankung der Verzerrungseigenschaften von Defokus-FD-Modulen nur schwer zu verstehen.
In dem Versuch, den Grund für die Schwankungen bei den Verzerrungseigenschaften zu ermitteln, zerschnitten die Erfinder einige Defokus-FD-Module mit großer Verzerrung und andere Defokus-FD-Module mit geringer Verzerrung. Durch die Schnittanalyse stellten die Erfinder unerwartet fest, dass FD-Module mit geringer Verzerrung einen verschobenen FD-Chip und eine nach hinten verschobene Faser aufweisen, wobei wie in 5 die unterste Kante (S) am nächsten zu der Mittellinie ZH gelegen ist und die oberste Kante (T) am weitesten von dieser entfernt ist. FD-Module mit starker Verzerrung haben einen verschobenen FD-Chip und eine in umgekehrte Richtung verschobene Faser, wobei die unterste Kante (spitz) S am weitesten von der Mittellinie ZH entfernt ist und die oberste Kante (stumpf) T am nächsten zu dieser angeordnet ist, wie in 6 abgebildet. Konkret haben die besseren FD-Module die Faserausrichtung (Iso-Ausrichtung) aus 5. Bei den Schlechteren findet man eine Ausrichtung der Faser (Aniso-Ausrichtung) wie in 6. In 5 verläuft ein Mittelstrahl entlang der Punkte (Q), (H) und (O), die auf einer direkten Linie angeordnet sind. In 6 breitet sich ein Mittelstrahl entlang eines gebogenen Weges aus, der an einem Rand der Linse entlangläuft. Andere FD-Module mit einem mittleren Verzerrungsgrad haben allgemein eine Faser und einen FD-Chip, die gerade auf der Mittellinie angeordnet sind. Anschließend wurde den Erfindern klar, dass die gepunktete Linie aus 4 die Verzerrung der FD-Module angibt, bei denen die FD und die Faser gerade auf der Mittellinie angeordnet sind, und dass die achsenversetzte Abweichung einer FD und einer Faser eine unbekannte Wirkung auf die Verzerrungseigenschaften mit sich bringen würde. Im Hinblick auf die Herstellung von Defokus-Modulen können das FD-Modul aus 5 und das FD-Modul aus 6 identisch sein, da L und Lf gemeinsame Abstände für beide Figuren 5 und 6 sind. Die Verbesserung gemäß Defokus-Typ geht davon aus, dass das FD-Modul ohne achsenversetzte Abweichung ideal wäre. Doch oft führen unvermeidliche Fehler bei der Herstellung zu einem Achsenversatz in vertikaler Richtung zwischen FDs, Linsen und Fasern. Bei der Strahlenanalyse erweisen sich das Modul aus 5 und das Modul aus 6 jedoch als unterschiedlich. Die Unterschiede zwischen den Strahlen werden mittels der geometrischen Optik analysiert.
9 verdeutlicht das Verhältnis zwischen dem schräg geschnittenen Winkel θ und dem Neigungswinkel α des Mittelstrahls zur Faserachse. (S) ist das längste Ende und (T) ist das kürzeste Ende der Faser. Der Mittelstrahl (RQ), der auf der Faserachse gestreut wird, wird an der schräg geschnittenen Fläche (ST) in Richtung von (S) in der Strahlenli nie QM gebrochen. Der mittlere Strahl bildet einen Weg RQM. An dem Neigungswinkel α trifft QM mit der Verlängerung QU der Faserachse RQ zusammen. Die Stirnfläche ST ist um θ von der vertikalen Stirnfläche verschoben. Qn ist eine Senkrechte, die auf der schrägen Stirnfläche TS steht. Nach dem Gesetz von Snell gilt für den Mittelstrahl RQS: n0sin(α + θ) = n1sin θ. (1)
Hierbei ist n₀ der Brechungsindex von Luft und n₁ der Brechungsindex des Faserkerns. Aus Gleichung (1) geht hervor: α = sin–1{(n1sin θ)/n0} – θ (2),wobei θ eindeutig α bestimmt.
6 zeigt die Ausrichtung von Bauteilen, die die Signalverzerrung verbessern. Die Mittelpunkt (H) der Linie liegt auf der Z-Achse, die als eine parallele Linie zur Faser definiert ist. Die Mitte (Q) des Faserendes weicht in einer Richtung von der Z-Achse ab. Die Mitte (O) der FD weicht ebenfalls in umgekehrter Richtung von der Z-Achse ab. Der oberste Punkt (T) am Faserende befindet sich am nächsten zur Z-Achse. Der unterste Punkt (S) an dem Ende ist am weitesten zur Z-Achse entfernt. Die Ausrichtung des schräg abgeschnittenen Endes der Faser ist umgekehrt zu dem Modul aus 5. Die Mitte (Q) des Faserendes, die Mitte (H) der Linse und die Mitte (O) der FD sind nahezu auf einer geraden Linie angeordnet. Der Mittelstrahl wird in einem Winkel α nach außen zu (S) auf dem schräg geschnittenen Ende ST gebrochen. Der Strahl tritt in einen Randteil der Linse ein und wird von der Linse als weit von der Achse entfernter Strahl stark nach innen gebrochen. Der Strahl verlässt die Linse mit einem Neigungswinkel zur Achse hin, der größer als α ist. Anschließend tritt der Strahl in die Mitte (O) der FD ein. 6 ist ähnlich wie 5 dahingehend, dass das Bild des Faserendes in der Mitte (O) der FD von der Linse erzeugt wird. Allerdings ist der Weg des Strahls aus 6 aufgrund der umgekehrten Ausrichtung des Faserendes vollkommen anders als der Weg aus 5. Die geometrische Optik würde den Unterschied der Wege außer Acht lassen und wäre nicht in der Lage, den Einfluss auf die Signalverzerrung festzustellen, da die an der FD ankommenden Leistungen für den Fall aus 5 und 6 gleich sind.
Die Erfinder haben sich dem Ursprung der Asymmetrie in den Ausrichtungen von 5 und 6 zugewandt. Wenn die Verzerrung nicht symmetrisch zur Mittelachse (Z-Achse) ist, muss die Asymmetrie von einigen asymmetrischen Teilen verursacht werden. Sowohl die Kugellinse als auch die FD sind symmetrische Teile. Daher muss die Asymmetrie auf die Lichtleitfaser zurückzuführen sein, denn die Faser weist ein schräg geschnittenes Ende auf, das in einem Winkel von 4 bis 10 Grad geschliffen ist, um das Zurückkehren der reflektierten Strahlen zum Laser als Lichtquelle zu verhindern. Die Aus richtung des geschliffenen Endes der Faser scheint die Verzerrungseigenschaften zu steuern. Die unterschiedlichen Ausrichtungen der schräg geschnittenen Enden führt zu einem großen Unterschied bei den Strahlenwegen. Natürlich konvergieren in beiden Fällen alle Strahlen zu der Mitte (O) der FD, da die Linsen ein Abbild des Faserendes (Q) auf die Mitte (O) der FD werfen. Allerdings kann das von der Faser emittierte Licht nicht vollständig von einem einzigen Mittelstrahl dargestellt werden. In der Praxis werden viele divergierende Strahlen in einem imaginären Lichtkegel von dem Punkt (Q) des Faserendes emittiert. Der Lichtkegel wird von einer Achse des Mittelstrahls, einem obersten Punkt (Q) und einem oberen Winkel γ definiert. Der obere Winkel γ hängt von dem Brechungsindex des Kerns und der Umhüllung der Faser ab.
Wenn die Linse keine Aberration aufweisen würde, würden alle Strahlen, die einmal in den Lichtkegel divergiert wurden, durch die Linse an der Mitte (O) des FD-Chips konvergiert werden. Doch die Linsen weisen eine Aberration auf. Vor allem Kugellinsen haben eine sehr große Aberration. Strahlen nahe der Achse konvergieren langsam an einem von der Linse weit entfernten Punkt (Gaußscher Bildpunkt), wohingegen Strahlen weit entfernt von der Achse schnell an einem nahen Punkt zur Linse konvergieren. Die Konvergierungspunkte unterscheiden sich bei Strahlen im Lichtkegel und sind abhängig von den Punkten, an denen der Strahl in die Linse eintritt. Bei 5 und 6 sind die Konvergierungspunkte verschieden. Bei 5 ist es möglich, dass die Strahlen in nahezu rechten Winkeln in die FD eintreten, da der Mittelstrahl durch die Linsenmitte (H) hindurchtritt. Die Verteilung der ankommenden Strahlen ist nahezu symmetrisch an der Mitte (O) der FD-Oberfläche in 5. Die FD erfasst gleichmäßig verteilte Strahlen.
Die Ausrichtung aus 6 zwingt die Strahlen, von äußeren Richtungen her schräg auf die FD aufzutreffen. Die Strahlen treffen schräg mit spitzen Winkeln, die weit von 90 Grad entfernt sind, auf die FD. Da die Strahlen schräg auf die FD auftreffen, unterscheidet sich die Dichte der ankommenden Strahlen in einem linken Bereich von (O) sehr von der Dichte in einem rechten Bereich von (O). Die Schwankung der Strahlenleistungsdichte hat einen geringen Einfluss auf die Empfindlichkeit, aber einen großen Einfluss auf die Verzerrung. Die Neigung der Strahlen hat eine starke Tendenz, die Leistungsdichte der auftreffenden Strahlen zu streuen. In einigen Bereichen ist die Leistungsdichte der Strahlen hoch, während die Leistungsdichte in anderen Bereichen niedrig ist. Die Schwankung der Strahlendichte ist auf der Oberfläche der FD erheblich. Durch die starken Schwankungen der Strahlenleistung können Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Frequenzen induziert werden, die eine starke Signalverzerrung bei der Ausrichtung von 6 nach sich ziehen.
Angesichts dessen haben die Erfinder eine Hypothese aufgestellt, wonach die Schwankung der Strahlendichte eine Verzerrung in einer FD herbeiführen würde. Diese Hypothese wurde durch eine Simulation auf der Grundlage der Strahlenverfolgungsanalyse nachgewiesen. Wenn man davon ausgeht, dass eine bestimmte Anzahl von Strahlen von der Faser mit einer gleichmäßigen Wahrscheinlichkeit für einen soliden Winkel beim Eintreten in den Lichtkegel emittiert werden sollte, dann verfolgt die Analyse sämtliche Wege der einzelnen Strahlen von der Faser durch die Linse zu der FD mit der geometrischen Optik. Die Analyse berechnet den Eintrittspunkt für jeden Strahl in die Linse, den Weg in die Linse, den Austrittspunkt des Strahls und den Eintrittspunkt an der FD ganz genau. Da das Verfahren die Positionen sämtlicher Strahlen verfolgt, wird das Verfahren als Strahlenverfolgungsanalyse bezeichnet. Zur Berechnung der Positionen der Strahlen kann die geometrische Optik auf die Brechung an der Linsenoberfläche angewandt werden. 7 zeigt die Verteilung der auftreffenden Strahlen auf der FD bei einer Ausrichtung wie in 5. In 8 ist die gleiche Strahlenverteilung auf der FD für die Ausrichtung aus 6 abgebildet. Die Punktverteilung aus 7 und 8 ist nicht das Ergebnis von Experimenten, sondern ein Ergebnis der Berechnung mittels Strahlenverfolgungsanalyse unter der Annahme einer gleichen Wahrscheinlichkeit der Streuung von Strahlen im Lichtkegel.
Die Abweichung der Mitte (O) des FD-Chips von der Z-Achse ist mit X gekennzeichnet. Die Abweichung der Mitte (Q) der Faser von der Z-Achse ist als W gekennzeichnet. Die Vorzeichen (+ oder –) von X und W sind so definiert, dass W negativ ist und X positiv ist (W < 0, X > 0), wenn der unterste Punkt S wie in 6 weiter von der Z-Achse entfernt ist als der oberste Punkt (T). In 6 zeigt der Pfeil nach links konkret die positive x-Richtung an. Da drei Punkte (Q), (H) und (O) auf einer geraden Linie ausgerichtet sind und (H) auf der Z-Achse liegt, unterscheidet sich das Vorzeichen von W stets von dem Vorzeichen von X. Demgegenüber müsste W positiv sein und X negativ sein (W > 0, X < 0), wenn die unterste Kante (S) näher an der Z-Achse gelegen ist als die oberste Kante (P), wie in 5 abgebildet. In 5 gibt der Pfeil nach rechts die positive x-Richtung an. In 5 bis 8 hat die Kugellinse beispielsweise einen Durchmesser von 1,5 mm und einen Brechungsindex von 1,5. Die Brennweite des Gaußschen Bildes für die Kugellinse beträgt 1,12 mm. Wenn der Abstand Lf zwischen der Linsenmitte und der Faser (Objekt) Lf = 1850 μm oder Lf = 1650 μm beträgt, wird das Gaußsche Bild an einem Punkt ausgebildet, der 3000 μm oder 3500 μm von der Linsenmitte entfernt ist.
In 5 sind bevorzugte Parameter W = 120 μm (Faserabweichung), X = –140 μm (FD-Abweichung), Lf = 1850 μm (Abstand Linse-Faser) und L = 2100 μm (Abstand Linse- FD), α = 3,7° und θ = 8°. Da der Abstand L = 2100 μm kürzer ist als 3000 μm, befindet sich die FD von dem Gaußschen Bildpunkt entfernt (defokussiert). 7 veranschaulicht die Verteilung von Punkten auf der FD-Oberfläche von Strahlen nahe der Achse bei der Ausrichtung aus 5. Die Abszisse ist die X-Achse (rechts positiv) und die Ordinate ist die Y-Achse (oben positiv). Am Ursprungspunkt (O) (Mitte der FD) trifft die Z-Achse rechtwinklig sowohl auf die X-Achse als auf die Y-Achse. Jeder Punkt bedeutet einen Auftreffpunkt jedes einzelnen Strahls. Der Kreis C repräsentiert den Bereich der Lichtempfangszone der FD. In 7 sind die Punkte von auftreffenden Strahlen gleichmäßig innerhalb des Kreises C verteilt. Die linke Hälfte von Minus-X hat hier in etwa die gleiche Verteilung wie die rechte Hälfte von Plus-X. Die untere Hälfte von Minus-Y hat eine ähnliche Verteilung wie die obere Hälfte von Plus-Y. Die Strahlenpunkte sind isotrop auf der X-Y-Ebene verteilt. Die Verteilung von Punkten ist gleichmäßig, wobei keine übergroße Konzentration an einer Stelle vorliegt.
Es wäre falsch zu glauben, dass dies ein logisches Ergebnis des nahezu senkrechten Auftreffens von Strahlen wie in 5 wäre. Denn genau das Gegenteil ist der Fall. Wenn die Linse keine Aberration hätte, würden alle von (Q) emittierten Strahlen genau an der Mitte (O) der FD konvergiert werden. Von der aberrationsfreien Linse würden Tausende von Strahlen am Punkt (O) gesammelt werden. Die zu starke Konvergenz am Punkt (O) würde infolge einer zu starken Wechselwirkung zwischen verschiedenen Frequenzen zu einer großen Signalverzerrung führen. Deshalb würde eine aberrationsfreie Linse die Verzerrung genau an dem Punkt der maximalen Empfindlichkeit maximieren und eine symmetrische Strahlenverteilung vor und hinter dem Bildpunkt des Faserendes bewirken. Eine aberrationsfreie Linse erhöht die Verzerrung proportional zur Empfindlichkeit einer FD. Somit ist es schwierig für eine aberrationsfreie Linse, die Verzerrung zu unterdrücken, ohne dass dies auf Kosten der Empfindlichkeit einer FD ginge.
Aus diesen Erwägungen wird deutlich, dass es gerade die Linsenaberration ist, die eine Asymmetrie zwischen Empfindlichkeit und Verzerrung, wie in 4 angegeben, herbeiführt. Die Trennung zwischen Verzerrung und Empfindlichkeit beruht auf der Verwendung einer Kugellinse, die eine hohe Aberration aufweist. Da die Faser bei der Defokus-Anordnung aus 3 an einer Stelle positioniert ist, die sich näher an der Kugellinse befindet als der Bildpunkt der FD, entsteht der Gaußsche Bildpunkt an einer Stelle, die weiter von der Linse entfernt ist als die Lichtempfangsfläche der FD. Der konvergierende Punkt ist ein anderer als die FD-Mitte (O). Dabei werden die Strahlen nahe der Achse noch nicht an der FD-Oberfläche konvergiert. Anschließend verteilen sich die Strahlen gleichmäßig auf der FD-Oberfläche. Durch eine gleichmäßige Verteilung von Strahlen kann die Verzerrung vermindert werden, indem die gegenseitige Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Frequenzen verringert wird. Neben der geringen Verzerrung ist auch die Empfindlichkeit bei der Defokus-Anordnung aus 3 und 4 hoch, da nahezu alle Strahlen mit einer gleichmäßigen Strahlendichte in den Bereich eintreten, der von (C) eingekreist wird.
Eine derartige rätselhafte Verbesserung wird mit einer Linse mit hoher Aberration und Defokus-Position der FD erreicht. Die Verringerung der Verzerrung bei dem Defokus-Typ ist sowohl von der Linsenaberration als auch vom FD-Defokus abhängig. Allerdings trifft es nicht immer zu, dass die Verbesserung der Verzerrung durch eine Aberrationslinse und eine FD-Position erreicht wird, die näher an der Linse gelegen ist als der Gaußsche Bildpunkt. Hierbei wird der Gaußsche Bildpunkt mit einer Konvergierungsformel definiert. Darin ist „A" der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kugellinse und dem Objekt und „B" der Abstand zwischen dem Kugellinsenmittelpunkt und dem Gaußschen Bildpunkt. Danach beträgt A^–1 + B^–1 = 2(n – 1)/nR. Für das Gaußsche Bild einer Kugellinse beträgt die Brennweite nR/2 (n – 1), wobei R der Radius der Kugellinse ist und n der Brechungsindex. Mit dieser Formel kann auf jeden Fall der Gaußsche Bildpunkt berechnet werden. Natürlich unterscheidet sich die Brennweite der Kugellinse von der Brennweite (R/2(n – 1)) einer dünnen Linse. Oft wird die Herstellung von Defokus-FD-Modulen durch verschiedene Fehler erschwert. Manchmal wird die Verzerrung durch Achsenversetzungsfehler von FDs oder Fasern verringert, aber manchmal wird sie auch verstärkt.
8 zeigt die Verteilung der Punkte von auftreffenden Strahlen auf die FDs bei Strahlen fern von der Achse aus 6. Die Faser zeigt in Minus-Richtung und die FD weicht in Plus-X-Richtung ab. Dies bedeutet, dass die unterste Kante (S) weiter von der Z-Achse entfernt ist als die oberste Kante (T). Die Parameter bei dem Beispiel aus 6 sind Folgende: W = – 160 μm (Faserabweichung), X = +140 μm (FD-Abweichung); Lf = 160 μm (Linsen-Faser-Abstand), L = 2100 μm (Linsen-FD-Abstand) α = 3,7° und θ = 8°. Fast alle Strahlen befinden sich innerhalb des Kreises (C), wodurch eine hohe Empfindlichkeit sichergestellt ist. In 8 ist die Dichte aber unregelmäßig. In einem Halbmond GJEF nahe des Punktes (J) befinden sich keine Punkte. An dem Halbmond kommen keine Strahlen an. In einem Bereich (EFGKON) liegt eine hohe Punktdichte vor. Rechts in dem Bereich X < 0 sind nur wenige Strahlen vorhanden. Die Verzerrung wird durch die hohe Konzentration von Strahlen innerhalb des Bereiches EFGKON verursacht.
Die Ausrichtung aus 6 bewirkt keine gleichmäßige Verteilung, sondern führt zu einer hohen Konzentration von Strahlen auf der FD. Die zu hohe Konzentration zieht eine Wechselwirkung zwischen Frequenzen nach sich und erhöht die Verzerrung. Da fast alle Strahlen in dem Kreis (C) absorbiert werden, ist die Empfindlichkeit hoch. Doch die Verzerrung ist bei dem Beispiel aus 6 aufgrund der zu hohen Strahlenpopulation an bestimmten Stellen, wie in 8 angegeben, groß. Die Verzerrung nimmt proportional zur zu hohen Strahlendichte zu. Dennoch ist es nicht einfach, die Ergebnisse der zu hohen Dichte vorherzusagen.
Das reine Defokus-Modul aus 3, bei dem sich die Faser und die FD genau auf der Z-Achse befinden, zeigt eine mittlere Punktverteilung zwischen 7 und 8. Das Beispiel aus 7 hat eine geringere Verzerrung als das Beispiel aus 3, bei dem sich die Faser und die FD auf der linken Achse (Z-Achse) befinden. Bei dem besten Beispiel aus 7 ist die Verzerrung erfolgreich verringert worden, indem die auftreffenden Strahlen durch Ausnutzung der starken Aberration einer Kugellinse in dem Empfangsbereich der FD gleichmäßig verteilt sind.
Die obige Feststellung wird durch Vergleich von drei typischen Beispielen aus 5 (W > 0), 6 (W < 0) und 3 (W = 0) abgeleitet. Neben diesen drei Fällen wurden natürlich noch weitere Beispiele näher untersucht, um eine klare Beziehung zwischen der Achsenabweichung und der Verzerrung festzustellen. Die Achsenabweichung mit der FDs von der Z-Achse wird als wichtigster Parameter angenommen. Die Annahme von X ist äquivalent zu der Verwendung von W als Parameter, denn W wird eindeutig von X bestimmt. Drei Punkte (Q), (H) und (O) sind auf einer direkten Linie ausgerichtet. Es werden der Abstand Lf zwischen Linse und Faser und der Abstand L zwischen Linse und FD eingestellt, um die Empfindlichkeits-Feinjustierung von Licht mit 1,3 μm auf 0,9 A/W vorzunehmen. Bei all diesen Beispielen befindet sich die FD-Oberfläche um die Linse näher an der Linse als der Gaußsche Bildpunkt der Faser. Konkret sind nach dem Erfindungsgedanken der vorherigen Anmeldung der Erfinder alle Beispiele defokussiert. Alle anderen Parameter, L, Lf und W ändern sich unter den obigen Bedingungen als Funktion von X. Die Faser ist eine Einzelmodus-Quarzfaser, die sich für 1,3 μm bis 1,55 μm eignet. Der geschliffene Neigungswinkel des Faserendes beträgt 8°. Der Kern-Brechungsindex ist n₁ = 1,5. nach Gleichung (2) beträgt der Ausgangswinkel α = 3,7°.
10 zeigt das Messergebnis von IMD₂ durch Veränderung der Abweichung X einer FD. Die Abszisse ist die Abweichung X einer FD. Die Ordinate gibt die Verzerrung IMD₂ zweiter Potenz an. Wie bereits zuvor erwähnt, wird X als positiv definiert, wenn sich die unterste Kante (S) des Faserendes weiter von der Z-Achse entfernt befindet als die oberste Kante (T). Konkret ist X in 6 positiv und in 5 negativ. Die Richtung eines Vectors ST, der auf die XY-Ebene projiziert wird, ist die Richtung eines positiven X.
X = –140 μm führt zu der minimalen Verzerrung von –86 dBc. Dieser Fall entspricht der Ausrichtung aus 5, bei der W = +120 μm, Lf = 1850 μm und L = 2.100 μm. Wenn X = –150 μm bis –100 μm ist, führt dies zu einer Verzerrung von unter –85 dBc, die ausreichend niedrig ist.
Bei einem einfachen Defokus-Typ aus 3 (X = 0) ohne Achsenabweichung entsteht eine Verzerrung IMD₂ = –79 dBc. Das einfache Defokus-Modell hat eine schlechtere Verzerrung als der Typ Defokus + Achsenabweichung aus 5. In dem Bereich von X = –200 μm bis X = +50 μm liegt die Verzerrung IMD₂ bei unter –75 dBc. Traditionell wird eine IMD₂ von weniger als –75 dBc gefordert. Der Bereich von X = –200 μm bis X = +50 μm erfüllt diese traditionelle Forderung. Allerdings werden künftig die Anforderungen an die IMD₂ strenger sein. Wenn X den Punkt X = 0 durchquert, steigt die IMD₂ steil an. X = +140 μm entspricht der typischen Ausrichtung aus 6, bei der W = –160 μm, Lf = 1650 μm und L = 2100 μm. Bei X = 140 μm beträgt die Verzerrung –59 dBc.
Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung sollte auf die Positionierung eines FD-Chip auf einem Gehäuse geachtet werden. Die einfachste Art und Weise besteht (1.) darin, den FD-Chip an einem Punkt zu fixieren, der um –Ltan α von der Mitte P des Gehäuses abweicht, und die Linse genau über der Mitte P des Gehäuses zu positionieren. Eine Alternative besteht (2.) darin, den FD-Chip an der Mitte P zu fixieren und die Linie an einem Punkt zu positionieren, die um +Ltan α in x-Richtung von der Mitte P des Gehäuses abweicht. Eine weitere Auswahlmöglichkeit besteht (3.) darin, den FD-Chip an einem willkürlichen Punkt am Gehäuse zu fixieren und die Linse an einem Punkt zu positionieren, der um +Ltan α in X-Richtung von dem Punkt des Chips abweicht.
Die drei Möglichkeiten können einfach durch die folgenden Bedingungen ausgedrückt werden.

(1.) Mittels der FD O = –Ltan α, Mitte der Linse H = 0.
(2.) Mitte der FD O = 0, Mitte der Linse H = +Ltan α.
(3.) Mitte der FD O = β, Mitte der Linse H = β + Ltan α.

Die Ausrichtung der Faser war durch das Neigungsende ST bekannt. Die Position der Faser kann nicht von vornherein festgelegt werden. Die optimale Position der Faser in X-Richtung wird eigentlich bestimmt, indem sie parallel zur XY-Ebene und axial auf der Z-Achse bewegt wird, um so den Punkt der minimalen Verzerrung und der maximalen Empfindlichkeit zu suchen.
Die optimale Position des Endes Q der Faser sollte sein: (1.) Q = Lftan α. (2.) Q = Lftan α + Ltan α (3.) Q = Lftan α + Ltan α + β,und zwar für alle drei Fälle. Lf kann nicht α priori ermittelt werden, da die Faser auch in Z-Richtung ausgerichtet ist, um die Verzerrung ebenfalls auf der XY-Ebene zu minimieren.
Das nächste Problem besteht darin, warum die unterschiedliche Ausrichtung der Faser zu einem so offensichtlichen Unterschied bei der Strahlenverteilung auf der FD führt. Das Berechnungsergebnis auf der Grundlage der Strahlenverfolgungsanalyse ist in 7 (Iso-Ausrichtung) und 8 (Aniso-Ausrichtung) abgebildet. Die Figuren zeigen visuell die Verteilung von Strahlen auf der FD. Aus ihnen geht jedoch nicht der Grund hervor, warum die Strahlenverteilung verschieden ist. Die ungleichmäßige Strahlenverteilung aus 8 für den Fall aus 6 erklärt sich durch Bezugnahme auf 13. 13 zeigt die Position der Strahlen, die von dem Faserende (Q) ausgehen, die Kugellinse (H) durchdringen und auf den FD-Chip auftreffen. Zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Positionen ist die Strahlenverteilung übertrieben dargestellt. Die in Neigungsrichtung eines Winkels α von der Faser ausgehenden Strahlen haben eine kugelförmige Apertur bzw. Öffnung. Der halbe (Öffnungswinkel γ wird angegeben durch sin γ = (n₁ ² – n₂ ²)^½, wobei n₁ der Brechungsindex des Kerns ist und n₂ der Brechungsindex der Umhüllung. Im Falle der schrägen Aussendung verteilen sich die Strahlen in einem ähnlichen Öffnungswinkel mit demselben konischen oberen Winkel 2γ.
Wenn die Strahlen von (Q) ausgehen, werden sie mit verschiedenen Winkeln von der Kugellinie gebrochen und konvergieren (durch die Mittelachse QbHmFb) an verschiedenen Stellen. Die Strahlen, die entferntere Teile der Linse durchqueren, konvergieren eher, und die Strahlen, die mittlere Teile der Linse durchdringen, konvergieren später. Nun werden die Positionen der Strahlen betrachtet, die an den Punkten a, b, c, d, e, f, und g auf der Oberfläche der Kugellinse gebrochen werden. Die Strahlen, die die Mittelachse QbHm durchqueren, konvergieren als Letzte an dem Gaußschen Bildpunkt Fb, bei dem es sich um den entferntesten Punkt handelt. Die Strahlen nahe der Achse Qcl und Qan konvergieren am Punkt Fc, der der nächstentfernteste Punkt ist. Ein mittlerer Strahl Qdk durchquert die Achse an der Stelle Fd, die näher an der Linse gelegen ist als Fc. Ein weiterer mittlerer Strahl Qej durchquert die Achse an dem Punkt Fe, der näher an der Linse gelegen ist als Fg. Ein äußerer Strahl Qgh, der einen Randteil gh durchdringt, konvergiert an dem Punkt Fw, der der am nächsten an der Linse gelegene Punkt ist. Ein Paket von Strahlen, das einen äußeren Teil der Linse durchquert, wird stärker von der Linse gebrochen und an einem Punkt konvergiert, der dichter an der Linse gelegen ist. Ein weiteres Strahlenpaket, welches einen mittleren Teil der Linse durchquert, wird schwächer gebrochen und konvergiert an einem anderen Punkt, der weiter von der Linse entfernt ist. Obwohl alle Strahlen vom selben Punkt (Q) ausgehen, sind die Konvergierungspunkte unterschiedlich. Dies ist die Aberration der Linse. Zum Beispiel treten die Strahlen nahe der Achse, die in der Nähe von (H) in 5 hindurchtreten, an einer Stelle zwischen a und b in die Linse ein und treten an einem Punkt m bis Punkt n aus 13 aus der Linse aus. Die Strahlen konvergieren zwischen dem Punkt Fb und Fc.
Aus dieser Entdeckung der Erfinder (japanische Patentanmeldung Nr. 6-171873) wird klar, dass die Verzerrung durch Anordnung einer FD an einen Punkt vor dem Gaußschen Bildpunkt, an dem die Strahlen nahe der Achse konvergieren, verringert wird.
Bei den Strahlen nahe der Achse mit Iso-Ausrichtung aus 5 befindet sich die FD an der Stelle pq aus 3. Da die Strahlen mit Iso-Ausrichtung aus 5 innerhalb von ab auf der Linse und innerhalb von mn auf der Linse gleichmäßig verteilt sind, ist die Verteilung der Strahlen auch innerhalb von pq aus 13 gleichmäßig. Somit ist die Strahlenverteilung für 5, wie in 7 abgebildet, gleichförmig.
Demgegenüber hat die Faser aus 6 ein Neigungsende, das zur umgekehrten Richtung weist. Das Faserende emittiert die Strahlen nach außen. Die Strahlen Qg bis Qf, die nach außen gebrochen werden, durchqueren den Randteil zwischen „gh" und „fi" weit entfernt von der Mitte (H) in der Linse. Die aus dem Randteil hi austretendenden Strahlen werden stark gebrochen und gelangen an der Stelle Sr im 13 in die FD. Alle Strahlen zwischen „hs" und „is" werden an der Stelle s auf der FD konvergiert. Die zu hohe Konzentration an dem Punkt „s" entspricht einer Überpopulation von Strahlen in dem Bereich EFGKON von 8. Die hohe Konzentration in diesem Bereich wird durch die teilweise Konvergenz von Strahlen zwischen „hs" und „is" am Punkt „s" hervorgerufen.
Durch eine Kugellinse treffen sich ein äußerer Strahl und ein innerer Strahl an einem Punkt, z. B. „s", der näher an der Linse gelegen ist als der Gaußsche Bildpunkt und der weit von der Achse entfernt ist. Das Defokus-Verfahren fixiert die FD an einer Stelle mit einer lokalen Überpopulation wie „sr". Alle Strahlen, die sich zwischen Qf und Qg befinden, konvergieren an dem Punkt „s". Die übergroße akkumulierte Leistung der konvergierten Strahlen an dem Punkt „s" induziert eine Störung zwischen verschiedenen Frequenzen und erhöht die Verzerrung IMD₂ in der FD an der Stelle „sr" erheblich. Strahlen weit entfernt von der Achse induzieren aufgrund der starken Brechung durch die Kugellinse eine derartige übergroße Konzentration an einem bestimmten Punkt. Demgegenüber kreuzen sich die Strahlen nahe der Achse nicht, bevor sie an dem Gaußschen Bildpunkt ankommen. Das fehlende sich Kreuzen hat zur Folge, dass die Strahlen nahe der Achse gleichmäßig auf der FD verteilt sind, die an einer Stelle platziert ist, die näher an der Linse gelegen ist als der Gaußsche Bildpunkt. Vereinfacht ausgedrückt ist dies der Grund für die Asymmetrie der Verzerrung zwischen den Strahlen nahe der Achse (Iso-Ausrichtung) und den Strahlen fern von der Achse (Aniso-Ausrichtung). Die Änderung der Eintrittspunkte von b über c, d, e, f bis g an der Vorderseite der Linse entspricht der Vergrößerung der FD-Abweichung X von –140 μm in positiver Richtung in 10.
Vorstehend erfolgte eine intuitive Klärung für das asymmetrische Auftreten der Verzerrung. Die Verzerrung wird bei Strahlen weit entfernt von der Achse besser (6), da die Strahlen, die den Randteil der Linse passieren, in einem schmalen Bereich auf der FD konvergieren und Leistungsdichte dort anomal erhöhen. Die Verzerrung bei Strahlen nahe der Achse ist schwach (5), da die Strahlen, die die Linsenmitte (H) passieren, einander nicht kreuzen und somit keine zu große Leistungsdichte bewirken. Solange alle Strahlen in die FD gelangen, hat die FD die maximale Empfindlichkeit. Allerdings hängt die Verzerrung von der Schwankung der Strahlenverteilung ab. Bei der vorliegenden Erfindung wird die starke Aberration einer Kugellinse dahingehend ausgenutzt, dass sie die Verzerrung noch weiter verringert als das einfache Defokus-Verfahren, das in der vorherigen Anmeldung offen gelegt wurde. Die große Aberration einer Linse ist kein Hindernis, sondern von Nutzen für die erfindungsgemäße Verringerung der Verzerrung.
Zum Zwecke der Verminderung der Verzerrung legt die vorliegende Erfindung eine Verschiebung der optischen Bauteile in einem FD-Modul „außerhalb der Achse" sowie „außerhalb des Brennpunkts bzw. Fokus" offen. Durch diese Verschiebung außerhalb der Achse werden die Strahlen gleichmäßig auf der Vorderseite der FD verteilt und eine zu hohe Konzentration der Eingangsleistung in einem schmalen Bereich wird aufgehoben. Durch diese Erfindung ist es uns möglich, FD-Module mit geringer Verzerrung herzustellen, d. h. mit einer IMD₂ = –80 dBc bis –85 dBc. Die Verzerrung ist so gering, dass die FD-Module für analoge Signalempfänger optischer CATV-Systeme mit mehr als 100 Kanälen verwendet werden können. Darüber hinaus lassen sich die FD-Module als digitale Signalempfänger für große optische Leistungen einsetzen.
Die vorliegende Erfindung lässt sich praktisch anwenden. Eine deutliche Asymmetrie entsteht an einem Gehäuse, indem ein FD-Chip an einer Stelle montiert wird, die um einen bestimmten Abstand von der Mitte des Gehäuses abweicht. Die Ausrichtung ST der Faser ist zum Beispiel durch die Markierung 51 bekannt. Die Dreheinstellung kann weggelassen oder vereinfacht werden, indem die Faser in Richtung der Asymmetrie der FD ausgerichtet wird. Durch die parallele Verschiebung bzw. durch die parallele Verschiebung und die Dreheinstellung innerhalb von 90° kann die geforderte Verzerrung von weniger als –75 dBc eingehalten werden. Das Weglassen bzw. die Vereinfachung der Dreheinstellung ist vorteilhaft, da die Dreheinstellung an sich zeitaufwändig ist. Nun werden erfindungsgemäße Beispiele anhand verschiedener Figuren der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Schnittdarstellung eines FD-Chips nach dem Stand der Technik, der zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung zur Verfügung steht.
2 ist eine Schnittdarstellung eines Fotodiodenmoduls (FD-Modul) nach dem Stand der Technik.
3 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Defokus-FD-Moduls, das von der vorherigen Patentanmeldung Nr. 6-171873 der Erfinder offen gelegt wurde. Die Faser, die Linse und der FD-Chip sind auf der Axiallinie ausgerichtet.
4 ist eine Grafik, die die Abhängigkeit der AC-Empfindlichkeit RAC (A/W) und der Verzerrung IMD₂ von dem Abstand Z (mm) zwischen der Linsenmitte und dem Faserende bei dem Defokus-FD-Modul nach Nr. 6-171873 zeigt.
5 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung aus einer Faser, einer Linse und einer FD mit Iso-Ausrichtung, bei der ein schräg von der Faser ausgehender Strahl die Mitte (H) der Linse durchquert und an der Mitte (O) der FD entlang einer direkten Linie ankommt. θ = 8°, α = 3,7°, W = 120 μm, X = –140 μm, Lf = 1850 μm und L = 2100 μm.
6 ist eine schematische Ansicht einer Vergleichsanordnung mit einer Vorrichtung aus einer Faser, einer Linse und einer FD in einer Aniso-Ausrichtung, wobei ein von der Faser schräg ausgehender Strahl einen Randbereich der Linse durchquert und in der Mitte (O) der FD entlang einer Kurve ankommt. θ = 8°, α = 3,7°, W = 160 μm, X = +140 μm, Lf = 1650 μm und L = 2100 μm.
7 ist ein Diagramm der Verteilung von Strahlen, die auf der FD-Oberfläche ankommen und mit der Strahlenverfolgungsanalyse berechnet werden, die einzelne Strahlen verfolgt, die mit einer gleichen Wahrscheinlichkeit für jeden festen Winkel in einer Apertur im Falle des FD-Moduls mit Iso-Ausrichtung aus 5 ausgehen.
8 ist ein Diagramm der Verteilung von Strahlen, die auf der FD-Oberfläche ankommen und mit der Strahlenverfolgungsanalyse berechnet werden, die einzelne Strahlen verfolgt, die mit einer gleichen Wahrscheinlichkeit für jeden festen Winkel in einer Apertur im Falle eines FD-Moduls mit Aniso-Ausrichtung aus 6.
9 ist eine erläuternde Seitenansicht eines Endes einer Faser, mit der die Brechung eines Strahls an dem schräg geschnittenen Ende verdeutlicht wird.
10 ist eine Grafik, die das Messergebnis des Verhältnisses zwischen der Abweichung X der FD und der IMD₂ zeigt, wenn die Faser in entgegengesetzter Richtung zur FD verschoben wird, wobei die höchste Empfindlichkeit von 0,9 A/W gehalten wird.
11 ist eine Schnittansicht des FD-Chips mit peripheren P-Zonen, die das Auftreten der Signalsverzögerung durch Streulicht verhindern, wie dies in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2-230206 derselben Erfinder vorgeschlagen wurde.
12 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines FD-Moduls.
13 ist ein Strahlendiagramm an einer Kugellinse, welches verdeutlicht, dass die von einer Faser (Q) ausgehenden Strahlen an verschiedenen Punkten auf der Achse in Abhängigkeit von den Bereichen konvergieren, in denen die Strahlen die Linse durchquert haben. Bei Strahlen fern von der Achse entsteht eine Zone übergroßer Lichtenergiekonzentration, da sich diese Strahlen an einer Stelle vor dem Gaußschen Bildpunkt kreuzen. Die vorliegende Erfindung stellt ausgezeichnete FD-Module zur Verfügung, die aufgrund eines neuen Montageverfahrens ohne besondere Bauteile, Materialien oder Linsen nahezu immun für eine Verzerrung sind. Eine geringe Verzerrung ist die am meisten gewünschte Eigenschaft bei analogen FD-Modulen, bei denen die Verzerrung der größte Nachteil war. Bisher wurden die negativen Aspekte der Verzerrung bei analogen Signalen und analogen FDs beschrieben. Neben der Anwendung bei analogen FDs ist die vorliegende Erfindung auch bei digitalen FDs einsetzbar, die Lichtsignale mit hoher Leistung empfangen. Durch die starke Lichtenergie wird eine Verzerrung sogar in digitalen FDs hervorgerufen. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung versetzt digitale FDs in die Lage, präzisere Wellenformen zu regenerieren, indem die Lichtenergiedichte auf FD-Oberflächen nivelliert wird. Konkret kann die Erfindung geeignete Empfänger mit verzerrungsarmen FDs sowohl für analoge als auch digitale Signale bereitstellen. Das erfindungsgemäße FD-Modul besteht aus einer FD und einem Modul. Nachfolgend wird die FD an sich und das FD-Modul getrennt erläutert.
[AUSFÜHRUNGSFORMEN VON FD-CHIPS]
Bei der vorliegenden Erfindung können konventionelle Fotodioden-Chips zum Einsatz kommen. Die Erfindung ist keine Verbesserung einer FD an sich. 1 ist eine Schnittdarstellung eines konventionellen Fotodioden-Chips. Das Substrat 81 ist Teil eines N-InP-Einzelkristall-Wafers. Ein Epitaxial-Wafer wird hergestellt, indem epitaxial eine N-InP-Pufferschicht 82, eine N-InGaAs-Lichtempfangsschicht 83 und eine N-InP-Fensterschicht 84 auf dem N-InP-Substrat 81 abgeschieden wird. Ein Passivierungsfilm 88 wird auf die N-InP-Fensterschicht 84 aufgebracht. PN-Übergänge entstehen durch Perforieren von Löchern mittels Ätzen des Passivierungsfilms wahlweise in der Mitte ein zelner Einheiten und durch Diffundieren von Zinkatomen als P-Unreinheiten durch die Löcher hindurch in die zentralen Teile der N-InP-Fensterschicht 84 der N-InGaAs-Schicht 83 der einzelnen Einheiten und durch deren Umwandlung in eine P-InP-Fensterschicht und eine P-InGaAs-Lichtempfangsschicht. Der Übergang zwischen der N-InGaAs-Schicht und der umgewandelten P-InGaAs-Schicht ist der PN-Übergang. Die P-Seite oben auf der P-InP-Fensterschicht ist mit einem Antireflexionsfilm 87 aus einem dielektrischen transparenten Material, zum Beispiel SiON oder SiNx, abgedeckt, so dass kein Licht an der Oberfläche reflektiert werden kann. Der Antireflexionsfilm 87 ist eine Anordnung aus dielektrischen Filmen mit einer solchen Dicke und einem solchen Brechungsindex, die es ermöglichen, dass Licht mit einer Länge von 1,3 μm oder 1,55 μm die Oberfläche ohne Reflexion passieren kann.
Andernfalls kann die InGaAs-Lichtempfangsschicht durch eine InGaAsP-Lichtempfangsschicht ersetzt werden. InGaAsP hat eine kürzere Absorptions-Kantenwellenlänge λg = 1,4 μm als InGaAs. Die InGaAsP-Lichtempfangsschicht verleiht der FD die Wellenlängen-Auswahlmöglichkeit, die lediglich bis zu 1,3 μm empfindlich ist, aber bis 1,5 μm bzw. 1,6 μm unempfindlich ist.
Auf der mit Zink diffundierten P-Zone wird eine P-Elektrode 86 pro Einheit in einem Ring oder einem Punkt abgelagert. Eine N-Elektrode 90 wird auf dem untersten N-InP-Substrat 81 aufgebracht. An die P-Elektrode 86 und die N-Elektrode 90 wird eine Vorspannung mit umgekehrten Vorzeichen angelegt, so dass ein starkes elektrisches Feld an dem PN-Übergang entsteht. Auftreffendes Licht 89 gelangt durch den Antireflexionsfilm 87 in die Lichtempfangszone hinein, die von dem Passivierungsfilm 88 eingeschlossen ist. Das Licht, welches durch die InP-Fensterschicht verlustfrei eindringt, wird in der InGaAs-Lichtempfangsschicht 83 absorbiert, da die Lichtenergie größer ist als der Bandabstand von InGaAs. Das Licht erzeugt Paare aus Elektronen und Löchern in der InGaAs-Schicht. Ein Fotoelektronenstrom fließt von der N-Elektrode 90 zu der P-Elektrode 86, da Elektronen zu der N-Elektrode 90 und Löcher zu der P-Elektrode 86 gezogen werden. Der Fotoelektronenstrom ist proportional zu der Lichtenergie.
Ein optisches CATV-Empfangsgerät macht eine sehr schnelle Reaktion von mehr als 1 GHz bei der Fotodiode (FD) erforderlich. Deshalb ist der Durchmesser der Lichtempfangszone der FD auf 70 μm bis 100 μm festgelegt. 1 zeigt ein derartiges Beispiel einer Fotodiode.
11 zeigt einen weiteren verbesserten FD-Chip, der in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2-230306 (230306/'90) von den Erfindern vorgeschlagen wurde. Die peripheren Teile 95 werden mit Zink dotiert, während gleichzeitig Zink in die zentrale P-Zone 85 dif fundiert wird. Die peripheren P-Teile 95 sind über die N-InP-Fensterschicht 84 von der zentralen P-Zone 85 getrennt. Doppelte PN-Übergänge isolieren den peripheren P-Teil 95 vollständig von der zentralen P-Zone 85. Selbst wenn Streulicht in den peripheren Teil 95 gelangt und dort weitere Paare von Elektronen und Löchern erzeugt, so können diese zusätzlichen Elektronen nicht zu der N-Elektrode 90 wandern, und die zusätzlichen Löcher können nicht an der P-Elektrode 86 ankommen. Bald schon sind die zusätzlichen Elektronen und Löcher in dem peripheren P-Teil 95 verschwunden, ohne dem Fotoelektronenstrom hinzugefügt zu werden. Wenn diese zusätzlichen Ladungsträger zu den N- und P-Elektroden driften würden, so würde ein verzögerter Fotoelektronenstrom fließen und die Reaktion der FD verzögern. Der periphere P-Teil 95 erhöht die Geschwindigkeit der Reaktion, indem er zusätzliche Ladungsträger absorbiert, die durch Streulicht an den Rändern entstanden sind. Vorzuziehen ist die Verbesserung aus 11 für die FD des Empfangsgerätes eines optischen CATVs mit einer weiter zunehmenden Anzahl von Kanälen.
[AUSFÜHRUNGSFORM VON FD-MODULEN]
12 ist eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines FD-Moduls. Die wichtigste Verbesserung besteht in den reziproken Abweichungen der Faser und der FD zur Mittelachse mit dem Ziel, den schrägen Strahl, der von der schräg geschnittenen Faser ausgeht, durch die Mitte (H) der Linse zu der Mitte (O) der FD auf einer geraden Linie zu lenken. Die Ausrichtung der schräg geschnittenen Faser ist eine wichtige Angelegenheit. Wenngleich diese Ausführungsform derjenigen aus 2 nach dem Stand der Technik zu ähneln scheint, so ist die Ausführungsform aus 12 doch nicht genau dieselbe wie das Modul aus 2, welches die Faser, die Linse und die FD auf einer geraden Linie senkrecht zur FD-Oberfläche ausrichtet.
In 12 weist ein Sockel (Gehäuse) 32 einen Träger 33 in der Mitte der Oberseite auf. Ein Fotodioden-Chip 31 (FD-Chip) ist auf dem Träger 33 durch Bonden angebracht. Der Sockel 32 vertilgt über Stifte 41, 42 und 43, die nach unten herausragen. Der Träger 33 ist eine Isoliervorrichtung, deren beide Seiten metallisiert (mit einem dünnen Metallfilm beschichtet) sind. Dadurch ist die Oberseite in dem Träger von der Unterseite isoliert. Die P-Elektrode des FD-Chips 31 ist über einen Draht 36 mit dem Stift 41 verbunden. Die N-Elektrode der FD ist auf dem Träger 33 Mit einem Draht 37 ist die Oberseite des Trägers 33 an dem Stift 43 angeschlossen. Die Mitte des FD-Chips 31 liegt nicht auf der Mitte des Sockels 32. Die Mitte (O) des FD-Chips 31 weicht in horizontaler Richtung um einen bestimmten Abstand von der Mitte des Sockels 32 ab. Die Abweichung x der FD auf dem Sockel ist angegeben durch x = Ltan α, wobei L der Abstand zwischen der Mitte der Linse und der FD ist und α der Neigungswinkel des ausgehenden Strahls zur Mittelachse, die eine zu der FD senkrechte Linie ist. Der FD-Chip 31 sollte an einer Stelle gebondet werden, die um x = Ltan α von der Gehäusemitte abweicht.
Eine Kappe 38 verfügt über ein Fenster mit einer Kugellinse 34. Die Kappe 38 wird an einer zentralen Position auf dem Sockel 32 angebracht. Die Mitte (H) der Linse 34 fällt in vertikaler Richtung mit der Mitte (P) des Sockels 32 zusammen. Die Z-Achse ist als eine senkrechte Linie definiert, die auf dem Sockel 32 steht und die Mitte (H) der Linse 34 enthält. Natürlich kann beim Montieren der Kappe auf dem Sockel ein unbekannter Fehler auftreten. Dieser Fehler wird in der nachfolgenden Beschreibung vernachlässigt, da er durch eine Ausrichtung der Faser sicher absorbiert werden kann. Auf dem Sockel 32 ist eine zylindrische Buchse 44 aufgeschweißt. Eine Hülse 45 umfasst ein Ende einer Lichtleitfaser 35. Das Ende 54 der Hülse mit der Faser ist schräg in einem Winkel θ abgeschliffen, um zu verhindern, dass Reflexionslicht zu dem Laser zurückkehrt. Ein Punkt 52 ist der unterste Punkt des Hülsenendes. Der schräge Winkel θ beträgt allgemein 5 bis 10°. Bei dem vorliegenden Beispiel wird ein schräger Winkel von 8° geschnitten.
θ = 8° hat einen Winkel α = 3,9° zur Folge. Der vertikale Abstand L zwischen der Linsenmitte (H) und dem Chip wird durch die Größe der Kappe 38 bestimmt. Im vorliegenden Fall ist L = 2000 μm (2 mm). Die FD sollte an einer Stelle fixiert werden, die um x = –136 μm (Ltan α) von der Mitte (P) des Sockels abweicht. Ein derartiges achsenversetztes Bonden der FD kann als „versetztes Montieren" bezeichnet werden. Bei einer alternativen Montage wird die Linse um +136 μm versetzt, und der Mittelpunkt der FD fällt mit der Mitte des Sockels zusammen. Allgemein sollte die FD von der Linse um x = –Ltan α versetzt sein. Bei der Ausrichtung ist es allerdings praktisch, die Linse auf der Achse zu belassen und die FD zu verschieben.
Die Hülse 45 wird in einen Hülsenhalter 46 eingeführt. Der Hülsenhalter 46 wird auf die Stirnfläche (G) der Hülse 44 aufgeschweißt. Der Mittelpunkt des Hülsenhalters 46 liegt nicht über der Mitte (P) des Sockels 32. Der Hülsenhalter 46 weicht von der Mittelachse (Z-Achse) in entgegengesetzter Richtung zur Abweichung des FD-Chips 31 ab. Von allen Punkten des schräg geschnittenen Endes 40 der Faser 35 ist im Übrigen die unterste Kante (S) am nächsten zur Axiallinie (Z-Achse) gelegen. Diese Ausrichtung ist wichtig. Hierbei handelt es sich um die Iso-Ausrichtung, die bereits definiert worden ist. Auf der Seite des Hülsenhalters 46 ist eine Markierung 51 vorgesehen, die die Richtung der untersten Kante (S) angibt. Durch die Markierung 51 erfahren wir die Ausrichtung der Faser. Die Iso-Ausrichtung aus 12 kann erreicht werden, indem die Markierung 51 mit einer imaginären Ebene zusammenfällt, welche die Linsenmitte (H) und die FD-Mitte (O) enthält und die vertikal zur Sockelebene (XY-Ebene) verläuft.
Die Ausrichtung der Faser umfasst eine axiale Einstellung in Z-Richtung, eine parallele Verschiebung auf der XY-Ebene und eine Dreheinstellung um die Faserachse herum. Mit diesen drei Arten von Ausrichtungen kann die optimale Stelle einer Faser in einem FD-Modul festgelegt werden. Die axiale Einstellung bedeutet eine axiale Verschiebung der Faser in Z-Richtung in der Hülse, um einen optimalen Punkt zu suchen, der ein Gaußsches Bild des Faserendes auf der Rückseite der FD erzeugt und eine ausreichende Lichtenergie für die FD zur Verfügung stellt. Konkret legt die axiale Einstellung das Faserende auf einen defokussierten Punkt fest, während die maximale Empfindlichkeit der FD entsprechend der zuvor erwähnten Anmeldung nach dem Stand der Technik Nr. 6-171873 erhalten bleibt. Vorliegend wird davon ausgegangen, dass die axiale Einstellung bereits erfolgt ist, so dass die anderen beiden Einstellungen näher erläutert werden, d. h. die parallele XY-Verschiebung und die Dreheinstellung.
Konventionell umfasst das Ausrichten auf einer bestimmten Ebene parallel zur XY-Ebene die parallele Verschiebung und Drehung. Konkret bedeutet dies: konventionelle Ausrichtungen auf XY-Ebene = parallele Verschiebung + Drehung. Glücklicherweise kann mit der vorliegenden Erfindung in einigen Fällen auf die Dreheinstellung verzichtet werden. Abgesehen davon kann die Erfindung die Dreheinstellung in anderen Fällen vereinfachen.
Der erste Schritt ist die Suche nach einem Punkt, der die maximale Lichtenergie (höchste Empfindlichkeit) und die minimale Verzerrung (kleinste IMD₂) für die FD bietet, indem der Hülsenhalter 46 parallel zu der Stirnfläche der Buchse 44 verschoben wird. Während der parallelen Verschiebung werden die Ausgangswerte der FD überwacht. Der zweite Schritt besteht darin, die Ausrichtung der Faser durch Drehen der Faser 35 mit dem Hülsenhalter 46 zu untersuchen, um die Ausrichtung zu finden, bei der die minimale Verzerrung IMD₂ auftritt. Wenn die optimale Ausrichtung erkannt worden ist, wird der Hülsenhalter 46 an der Buchse 44 in dieser Position und mit der entsprechenden Ausrichtung fixiert. Durch die Erfindung verringert sich der Zeitaufwand für die Dreheinstellung sehr erheblich, da die bevorzugte Ausrichtung der Faser bereits vorher festgelegt ist, und zwar so, dass die unterste Kante (S) am dichtesten an der Axiallinie angeordnet ist. In jedem Fall kann die Dreheinstellung höchstens innerhalb von 90° erfolgen. In einigen Fällen lässt sich die Erfindung vollständig ohne Dreheinstellung anwenden. Kurz gesagt gilt hier: erfindungsgemäße Ausrichtung auf XY-Ebene = parallele Verschiebung + be schränkte Drehung. Oder: Ausrichtung = parallele Verschiebung. Durch Weglassen der Dreheinstellung im vollen Umfang von 360° verringert sich die Zeit für die Ausrichtung.
Im Idealfall sollte die Ausrichtung der Faser erfolgen, indem sowohl die Energie als auch die Verzerrung der FD überwacht werden. Es ist jedoch hinlänglich bekannt, dass die Eingangsleistung in einem breiten Bereich einen Maximalwert hat, wie in 4 angegeben. Dann kann die Ausrichtung durch Überwachen von lediglich der Verzerrung erfolgen. Bei FDs ist die Verzerrung wichtiger als die Empfindlichkeit.
Im Idealfall sollte der Mittelstrahl, der von dem Faserende (Q) mit einem Neigungswinkel α ausgeht, die Linsenmitte (H) durchqueren und auf die Mitte der FD (O) auftreffen. Bei Erzeugnissen kann der Mittelstrahl durch Herstellungsfehler von (H) und (O) abgelenkt werden. Die Position und Ausrichtung der Faser werden eigentlich durch drei oder zwei Arten von Ausrichtungen bestimmt, mit denen eine minimale Verzerrung und eine maximale Empfindlichkeit angestrebt werden. Somit ist es nicht erforderlich, dass sich QHO genau auf einer Geraden befinden. Aber auf jeden Fall sind bei den erfindungsgemäß hergestellten FD-Modulen die Punkte (Q), (H) und (O) nahezu auf einer direkten Linie ausgerichtet.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Fotodiodenmoduls, das die folgenden Schritte umfasst: Berechnen eines Neigungswinkels α eines austretenden Mittelstrahls, der an einem Ende (Q) einer Lichtleitfaser (35) gebrochen wird, die schräg in einem Winkel θ geschnitten ist und eine spitze Kante mit einem untersten Punkt (S) und eine stumpfe Kante mit einem obersten Punkt (T) hat; Berechnen einer Abweichung X = Ltan α, wobei L ein vorgegebener Abstand zwischen der Mitte (H) einer Linse (34) und einem Fotodioden-Chip (31) ist; Montieren des Fotodioden-Chips an einem Gehäusesockel (32) an einem Punkt, der um X = Ltan α von der Mittelachse des Gehäusesockels (32) abweicht; Fixieren der Linse (34) mit Aberration an einem Punkt, an dem die Mitte (H) der Linse in einer Richtung senkrecht zu dem Gehäusesockel (32) um L von dem Fotodioden-Chip (31) beabstandet ist und mit der Mittelachse des Gehäusesockels (32) zusammenfällt; Halten der schräg geschnittenen Lichtleitfaser in einer Ausrichtung, in der der unterste Punkt (S) des schrägen Endes (ST) am nächsten an der Mittelachse liegt, die durch die Linsenmitte (A) hindurchtritt und senkrecht zu dem Gehäusesockel (32) ist; Bewegen der Faser (35) in einer Ebene senkrecht zu der Mittelachse und in einer Richtung parallel zu der Mittelachse, um einen Punkt zu suchen, durch den die Fotodiode die geringste Verzerrung bei einer gewünschten Empfindlichkeit erhält; und Fixieren der Faser an dem Punkt.
Verfahren zum Herstellen eines Fotodiodenmoduls, das die Schritte des Berechnens eines Neigungswinkels α eines austretenden Mittelstrahls, der an einem Ende der Lichtleitfaser (35) gebrochen wird, die schräg in einem Winkel θ geschnitten ist und eine spitze Kante (S) mit einem untersten Punkt und eine stumpfe Kante mit einem obersten Punkt (T) hat; des Berechnens einer Abweichung X = Ltan α, wobei L ein vorgegebener Abstand zwischen der Mitte (H) einer Linse (34) und einem Fotodioden-Chip (31) ist; des Montierens des Fotodioden-Chips (31) an einem Gehäusesockel (32) an einem Punkt, der um β (einschließlich β = 0) von der Mittelachse des Gehäusesockels (32) abweicht; des Fixierens der Linse (34) mit Aberration an einem Punkt, an dem die Mitte (H) der Linse (34) um L von dem Fotodioden-Chip (31) beabstandet ist und mit einem Punkt zusammenfällt, der um Q + X von der Mittelachse des Gehäusesockels (32) abweicht; des Haltens der schräg geschnittenen Lichtleitfaser (35) in einer Ausrichtung, in der der unterste Punkt des schrägen Endes (10) am nächsten an der Linsenachse liegt, die durch die Linsenmitte (H) hindurchtritt und senkrecht zu dem Gehäusesockel (32) ist; des Bewegens der Faser (35) in einer Ebene senkrecht zu der Mittelachse und in einer Richtung parallel zu der Mittelachse, um einen Punkt zu suchen, durch den die Fotodiode (31) die geringste Verzerrung bei einer gewünschten Empfindlichkeit erhält; und des Fixierens der Faser an dem Punkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Punkt, an dem das Ende der Faser fixiert wird, so nahe an der Linse mit Aberration liegt, dass der Gausssche Bildpunkt des Faserendes durch die Linse an einem Punkt erzeugt wird, der weiter von der Linse entfernt ist als die Fotodiode.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei keine Dreheinstellung der Faser ausgeführt wird, wenn das Faserende auf die Linse und die Fotodiode ausgerichtet wird, indem die Faser in der Ebene vertikal zu der Mittelachse und in der Richtung parallel zu der Mittelachse bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Dreheinstellung der Faser innerhalb von 90° ausgeführt wird, wenn das Faserende auf die Linse und die Fotodiode ausgerichtet wird, indem die Faser in einer Ebene vertikal zu der Mittelachse und in der Richtung parallel zu der Mittelachse bewegt wird.
Fotodiodenmodul, das umfasst: eine Lichtleitfaser (35), die ein schräg geschnittenes Ende (ST) mit einer spitzen Kante, die einen untersten Punkt (S) hat, und einer stumpfen Kante, die einen obersten Punkt (T) hat, zum Emittieren von Strahlen aufweist; eine Linse (34) mit Aberration zum Konvergieren der von der Lichtleitfaser emittierten Strahlen; und einen Fotodioden (PD)-Chip (31) zum Umwandeln der konvergierten Strahlen in elektrische Signale; wobei eine Mitte (O) der Fotodiode um Ltan α von einer Linsenachse, die parallel zu der Faser (35) ist und durch die Mitte (H) der Linse hindurchtritt, in der Richtung einer Projektion eines Vektors TS in einer Ebene senkrecht zu der Linsenachse abweicht und das Faserende an einem Punkt fixiert ist, der in der umgekehrten Richtung abweicht und der Fotodiode die geringste Verzerrung verleiht; wobei α der Neigungswinkel des austretenden Mittelstrahls ist, der am schräg geschnitte nen Ende (ST) der Lichtleitfaser gebrochen wird und L der Abstand der Linse zu der Fotodiode ist.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 6, wobei ein Punkt, an dem das Ende der Faser fixiert ist, so nah an der Linse mit Aberration liegt, dass der Gausssche Bildpunkt des Faserendes durch die Linse an einem Punkt erzeugt wird, der weiter von der Linse entfernt ist als die Fotodiode.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 7, wobei der schräge Schnittwinkel des Faserendes 4° bis 10° beträgt.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 8, wobei die Linse mit Aberration eine Kugellinse ist.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 9, wobei die Lichtleitfaser eine Einmodenfaser mit einem Kern mit einem Durchmesser von etwa 10 μm ist, der schräge Schneidwinkel des Faserendes nahezu 8° beträgt, der Abstand Lf zwischen der Linsenmitte (H) und dem Faserende (Q) ungefähr 1850 μm beträgt, der Brechungsindex der Linse 1,5 beträgt, der Durchmesser der Kugellinse 1,5 mm beträgt, der Abstand L zwischen der Linsenmitte (H) und der Fotodiode etwa 2100 μm beträgt und die Abweichung X des Fotodioden-Chips von der Linsenmitte (H) 100 μm bis 200 μm beträgt.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 10, wobei der Fotodioden-Chip eine InGaAs-Lichtempfangsschicht hat.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 10, wobei der Fotodioden-Chip eine InGaAsP-Lichtempfangsschicht hat.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 11, wobei der Fotodioden-Chip ein InP-Substrat, eine InP-Pufferschicht, eine InGaAs-Lichtempfangsschicht und eine InP-Fensterschicht hat.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 12, wobei der Fotodioden-Chip ein InP-Substrat, eine InP-Pufferschicht, eine InGaAsP-Lichtempfangsschicht und eine InP-Fensterschicht hat.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Fotodioden-Chip zusätzliche PN-Übergänge an Rändern aufweist, die durch Zink-Diffusion hergestellt werden, um zusätzliche Ladungsträger zu beseitigen, die durch Streulicht entstehen, das in die Ränder eintritt.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 13, wobei das Fotodiodenmodul eine IMD₂ hat, die kleiner ist als –80 dB.
Fotodiodenmodul nach Anspruch 14, wobei das Fotodiodenmodul eine IMD₂ hat, die kleiner ist als –85 dB.