CN101419316A - Msm光电检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个实施例使用MSM光电检测器，其被耦合到相对粗的芯光波导，例如HCS纤维或塑料光纤(POF)。具有低电容的MSM光电检测器使高速的数据传输能够使用粗芯光波导。
Description
本申请是申请号为200410047154.2、申请日为2004年9月3日、发明名称为“MSM光电检测装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本申请一般涉及光通信，尤其涉及一种MSM光电检测装置。
背景技术
光纤技术较好地适用于通信应用，因为光纤具有宽的传输带宽和相对低的衰减。然而，对于电子和光网络的光纤接口在制造上是昂贵的，因为相关的困难在于在基片上安装激光发射和接收设备以及用分别安装的光纤对准它们。相关的困难在于制造具有精确配合公差的元件，以及在精确的配合公差内在精确的位置上安装元件。在组装设备过程中一般要面对调整对准的挑战。为克服这些困难，可以增大发射机和接收机设备以便减轻整个对准过程中难于实现的严格的配合公差。
在常规的光纤通信***中，发射机发送光数据进入纤维，在接收端上通过检测器接收该数据。在纤维的两端存在两个内在接口。在这两个接口上是难以最小化光损失的，因为是在微米尺度上调整对准。通过加粗光纤芯可以做到减轻发送端上的对准公差。然而，在接收端接口上就产生一种所不期望的效果。即，退出较粗芯纤维的光具有较大横截面，从而使得难于捕获到光。
粗芯纤维，例如具有50-63微米芯直径的纤维，一般可在局域网(LAN)环境中看到。对于安装来说，例如，将纤维耦合到激光源或接收光电检测器，以及与光连接器一起耦合纤维，粗芯比较细的芯提供更大的配合公差。两种类型的光电检测器一般用于接收来自纤维的光并把光变换成电信号，即PN二极管和金属半导体金属(MSM)二极管。它们目前被制成大约70-80微米的直径，以便从LAN纤维捕获光。
另一类型的纤维正在用于有限的应用，即硬护层硅石(HCS)纤维。该纤维具有由硬塑料层包围的硅石芯，直径一般为200-300微米。
另一类型的纤维是塑料纤维。该纤维类似于HCS纤维，但使用塑料芯取代硅石芯。由于内芯是塑料的，纤维的衰减把纤维的有效使用距离限于10米或更短。
因此，需要一种光接收装置，合并所有需要的光和电元件以便捕获从低成本平台的大面积纤维退出的光。
发明内容
本发明的实施例直接针对用于在通信中接收数据的有关光电信号变换的***和方法。本发明实施例在组装中的成本特别低，这是因为以树脂浇铸引线框的方式形成它们，内带集成的光、电元件。本发明的实施例使用具有大直径纤维的大的、高速的光电检测器。
根据本发明，大面积的金属半导体金属(MSM)光电检测器用于捕获从连接器式组装部件内粗光纤退出的光。本发明的MSM光电检测器可以接受使用单个检测器的单个光信道，或接受使用检测器阵列的多个光信道。在每个各自的信道中，MSM光电检测器把光信号变换成电信号。经集成电路芯片或相同组装中单独分立的芯片，电信号被放大。
在本发明的一个实施例中，通过一个外部连接器单个纤维或纤维阵列被保持在适当的位置。所述外部连接器定位纤维垂直于或平行于检测器表面。通过将连接器对接到装置，完成用于耦合检测器的对准。在垂直结构中，光纤允许利用或不用聚焦元件来捕获退出的光。在平行结构中，连接器以允许捕获光的角度反射光。连接器中的反射表面可以包含或不包含聚焦元件。根据本发明的另一个实施例，提供一个基片用于光元件与光连接器主体的对接。
本发明的实施例使用100微米或更大的粗光纤，例如100、200或400微米，可以是HCS纤维或塑料纤维。设定适合所述纤维的MSM光电检测器的尺寸。本发明的实施例可以包括一个透镜，以便在检测器上聚焦光。这将允许检测器小于纤维的直径。本发明的实施例具有的光电检测器安装在基片上，例如，印刷电路板、引线框基片、RF陶瓷基片、或硅石基片。
上述内容相对广义地概述了本发明的特点和技术优点，以便可以更好地理解下面本发明的详述。此后将描述形成本发明权利要求主题的本发明的附加的特点和优点。本领域技术人员应当理解，可以容易地利用所公开的概念和特定的实施例，作为修改或设计实现本发明相同目的其他结构的基础。在不脱离所附权利要求中所述本发明精神和范围的情况下，本领域技术人员也可以实现这样等效结构。本发明的组成和操作方法，相信是本发明特征的新颖性，连同其他的目的和优点，通过结合附图考虑下述内容，将更好被理解。然而，显然应当理解，每个图只是出于示例和说明的目的而提供，并未意在定义本发明的限制。
附图说明
为更完全地理解本发明，现在结合附图作出下面的描述，其中：
图1是使用本发明实施例的光纤***的示意图；
图2是根据本发明实施例的连接器和光电检测器的实例示意图；
图3是根据本发明实施例的连接器和光电检测器的另一个实例示意图；和
图4是比较MSM光电检测器和引脚光电二极管的图形。
具体实施方式
本发明的实施例将工作在需要短距离、高速度光数据链接的情况，例如30米或更短。例如，本发明的实施例可用于娱乐***、计算机***、汽车***、运输***、存储***、工业***、航空***、多媒体***、信息技术***等。例如，本发明的实施例可以一起链接两个计算机***，连接DVD播放机到TV(其可以位于建筑物、机车、火车、飞机、或其他的运输***)，连接调谐器/控制单元到大面板TV监视器，链接游戏控制器到游戏盒，连接屋内设备(例如TV、音响、电话、计算机、照相机等)到控制***，连接数字照相机到存储或控制***或显示屏，连接传感器到计算机，连接控制机构到计算机，连接计算机到投影仪或监视器，或连接设备到多路复用器或去多路复用器。而且，本发明的实施例可以与大屏幕设备一起使用，类似于使用到控制单元的高速连接的高清晰度TV(HDTV)组，。
图1图示了使用本发明实施例的光通信***100的配置。***100包括具有芯直径100微米或更粗的光纤101，例如100、200、400、800、1000微米，或100-1000微米。纤维可以是塑料光纤(POF)或HCS纤维。纤维的内芯102可以运载光信号。该***可以包括一个纤维或多个纤维。注意，期望大的纤维直径，因为它允许较高的安装公差。换句话说，直径越大，耦合上的对准公差越宽松，从而允许使用更廉价的耦合。
***100使用发射机103产生和耦合用于接入纤维的信号的光。发射机103将形成调制光，调制光接着被耦合进入该光纤。该光以光脉冲的形式通过纤维101承载信息。光可通过激光器108形成，激光器108可以是Fabry-Perot(FP)激光器形式的二极管激光器，或者垂直空腔表面发射的激光器VCSEL。光源也可以是高速发光二极管(LED)。一般地，产生的光将具有500-1550纳米的波长。大多数***将围绕650nm、780nm或850nm波长工作。
将通过接收机104检测所述光脉冲。接收机104用光连接器105被耦合到纤维101。对于一些应用，可以省略所述连接器，而且纤维将被永久地附在光电二极管上。接收机包括可以是MSM光电检测器的光电检测器106。光电检测器接着把光信号变换成电信号。电信号可以接着被发送到另一个接收机元件109，例如放大器、滤波器、和/或其他的处理元件，并且/或者信号(接着)被发送到非接收机元件110，其可以是放大器、滤波器、和/或其他的处理元件，包括用于另一个纤维的发射机。将设定适合于所述纤维的光电检测器的尺寸，例如对于100微米的纤维，光电检测器也应该是100微米或稍微大些。
可选地，接收机104可以包括在光电检测器上聚焦光的透镜107。这将允许光电检测器小于纤维的直径并仍然接收所有来自纤维的光。然而，通过使用透镜可能减少的尺寸是受限制的。需要保存光的相位空间乘积，这意味着纤维的数值孔径乘以纤维的面积的乘积必须是一个常数。因此，为压缩光电检测器的面积，需要增加发射到光电检测器上的光的数值孔径，其具有1的基本限制。因此，纤维输出的光不能被聚焦延伸到单个点。用精心设计的光学器件可以实现减少50％的面积。
MSM光电检测器最好基于p-本征-n(PIN)光电检测器上。由于PIN类型光电检测器尺寸的增加，所以容量增加，这有效地降低了***的带宽或速度。因此，对于每秒超过1吉[千兆]比特的速度，PIN光电检测器的一般直径应该小于100微米。因为MSM光电检测器的几何结构，它具有比相同尺寸的PIN光电检测器更低的容量。因此，MSM光电检测器可以大于100微米并仍然允许每秒超过1吉[千兆]比特的速度。
图4中的图形400显示了分别具有2μm(401)和3μm(402)的两个MSM光电检测器，以及一个具有2μm吸收层厚度的pin光电二极管(403)的计算时间常数的比较。注意，对于150μm及其以上的直径，MSM检测器显著地较快。对于较小的直径，漂移时间是更主要的，并因此，pin二极管的速度与MSM检测器是可比较的。
MSM光电检测器可以包括基本上不掺杂质的砷化镓。用于电极的一般金属可以是在顶部具有金层的白金。在下面的钛层增强了对半导体的粘附力。钛的厚度应该在20纳米的范围中，白金一般应该是100-200纳米，金层一般应该是另外的200纳米-1微米。电极的目的是收集在半导体中产生的载流子。电极也形成对半导体的Schottky阻档层。电极的宽度应该尽可能地小以便具有最小量的光阻塞。这些电极的一般宽度是在1微米或更小的范围中，例如0.7微米。对光电检测器的具体应用，需要优化在顶部表面上两个电极之间的间隔。较长的距离需要更多的电压操作该设备。电极间的一般距离是1-3微米。电极目的在于手机半导体生成的载波。MSM光电检测器也可以在顶面上具有防反射(AR)涂层以最小化由于表面上的反射引起的光损失。AR涂层被调整到四分之一波长厚度，并且有效系数是空气(或其他的密封剂)和半导体之间的几何平均值。一般有效系数的值是1.9。
图2图示了根据本发明实施例的MSM光电检测器和连接器201的剖视图。该装置200包括多个纤维101，来自它的光由光电检测器106的阵列接收。通过固定器203在装置中安排和保持所述多个纤维。多个透镜107将光聚焦到光电检测器106的阵列上。透镜107可以与阵列分离或可以与阵列集成。阵列被附到基片202上，所述基片可以是PCB、硅石基片、陶瓷基片、电介质基片、或金属框基片。纤维固定器203将接着被耦合到连接器201，并且该连接将在可接受的配合公差内调整对准具有光电检测器的所述多个纤维。注意，可以使用更多或更少的纤维，例如1，4，8，12，或36。
图3图示了类似于图2的装置300，但使用了元件302，它在以关于它进入连接器301的方向的一个角度反射该光。注意，元件302除了改变光的方向之外，也可以象透镜107一样聚焦光。此外注意，90度的变化只是出于示例，可以使用其他的角度。
尽管已经详述了本发明和它的优点，应当理解，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变、替换和修改。而且，本申请的范围并未意在局限于说明中所述特殊实施例的处理过程、机器、制造、合成物、装置、方法和步骤。本领域技术人员将从本发明内容中容易理解，当前存在的或后续开发的处理过程、机器、制造、合成物、装置、方法或步骤，基本上执行相同功能或基本上实现与对应在此所述实施例的相同结果，可以根据本发明加以利用。因此，所附权利要求意在包括这些处理过程、机器、制造、合成物、装置、方法或步骤的范围。
Claims (30)
1.一种***，包括：
一个光波导，具有大于100微米的直径并传送一个光信号；和
一个金属半导体金属(MSM)光电检测器，接收来自光纤的光信号，并把所述光变换成电信号；
一个反射器，以相对于所述光信号退出所述光波导的方向的90度角度，将所述光信号反射到MSM光电检测器上；
其中***具有每秒至少500兆比特的数据速率。
2.权利要求1的***，其中***具有至少每秒1吉比特的数据速率。
3.权利要求1的***，其中光波导是光纤。
4.权利要求3的***，其中光纤是硅石纤维。
5.权利要求3的***，其中光纤是硬护层硅石纤维。
6.权利要求3的***，其中光纤是塑料光纤。
7.权利要求1的***，其中MSM光电检测器具有GaAs基片。
8.权利要求1的***，其中MSM光电检测器具有InP基片。
9.权利要求1的***，其中MSM光电检测器具有GaN、Sapphire和SiC基片之一。
10.权利要求1的***，进一步包括：
一个透镜，将所述光信号聚焦到所述MSM光电检测器上，
其中MSM光电检测器具有小于所述光波导直径的直径。
11.权利要求1的***，其中所述反射器把所述光信号聚焦到所述MSM光电检测器，以及MSM光电检测器具有小于光波导直径的直径。
12.权利要求1的***，其中所述光波导是多个光波导中的一个纤维，以及所述MSM光电检测器是多个光电检测器中的一个MSM光电检测器，其中各个光波导与各个MSM光电检测器相联。
13.权利要求1的***，其中光波导具有小于30米的长度。
14.权利要求1的***，其中该***与娱乐***、计算机***、汽车***、运输***、存储***、工业***、航空***、多媒体***和信息技术***的其中之一相关。
15.权利要求1的***，其中所述光波导具有100-1000微米之间的直径。
16.权利要求1的***，进一步包括：
一个基片，其上安装所述MSM光电检测器。
17.权利要求16的***，其中所述基片是打印电路板、引线框基片、RF陶瓷基片和硅石基片的其中之一。
18.一种数据传输***，包括：
一个发射机，提供在具有大于100微米直径的光波导上传送的光信号，其中所述光信号对于一部分时间具有每秒至少500兆比特的数据速率；
一个接收机，接收所述光信号并把光信号变换成电信号，其中接收机包括金属半导体金属(MSM)光电检测器；
一个反射器，以相对于所述光信号退出所述光波导的方向的90度角度，将所述光信号反射到所述MSM光电检测器上；和
一个连接器，将所述接收机耦合到所述光波导。
19.权利要求18的***，其中所述***具有至少每秒1吉比特的数据速率。
20.权利要求18的***，其中光波导是光纤。
21.权利要求20的***，其中光纤是硅石纤维。
22.权利要求20的***，其中所述光纤是硬护层硅石纤维。
23.权利要求20的***，其中光纤是塑料光纤。
24.权利要求18的***，进一步包括：
一个透镜，将所述光信号聚焦到所述MSM光电检测器上，
其中所述MSM光电检测器具有小于所述光波导直径的直径。
25.权利要求18的***，其中所述反射器将光信号聚焦到MSM光电检测器上，并且MSM光电检测器具有小于光波导直径的直径。
26.权利要求18的***，其中光波导是多个光波导中的一个纤维，以及MSM光电检测器是多个光电检测器中的一个MSM光电检测器，其中各个光波导与各个MSM光电检测器相联。
27.权利要求18的***，其中所述光波导具有小于30米的长度。
28.权利要求18的***，其中光波导具有100-1000微米的直径。
29.权利要求18的***，进一步包括：
一个基片，其上安装所述MSM光电检测器。
30.权利要求29的***，其中所述基片是印刷电路板、引线框基片、RF陶瓷基片和硅石基片的其中之一。
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