(57)【要約】  本発明の一実施形態は、自由空間媒体にわたって送信される光用のＭＳＭ光検出器を使用する。低い静電容量を有するＭＳＭ光検出器は、高速データ送信および大きなアライメント公差を可能にする。
2007504739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、
データ信号を含む光である光信号を供給する光源と、
光信号を伝える光自由空間媒体と、
前記光信号を受け取る金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器とを備え、
システムは、少なくとも５００メガビット／秒のデータレートを有するシステム。
【請求項２】
前記光信号を前記ＭＳＭ光検出器上に収束させるレンズをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
少なくとも１ギガビット／秒のデータレートを有する請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＭＳＭ光検出器はＧａＡｓ基板を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＭＳＭ光検出器はＩｎＰ基板を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＭＳＭ光検出器は、ＧａＮ、サファイア、およびＳｉＣ基板のうちの１つを有する請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記媒体は、前記ＭＳＭ光検出器の光軸に平行な光軸を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記光信号を、前記光信号の方向に対してある角度で前記ＭＳＭ光検出器上に反射する反射器をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記角度は９０°である請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記反射器は前記光信号を前記ＭＳＭ光検出器上に収束させ、前記ＭＳＭ光検出器は前記光導波路の直径より小さい直径を有する請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
娯楽システム、コンピュータ・システム、自動車システム、輸送システム、記憶システム、産業システム、航空システム、マルチメディア・システム、および情報技術システムのうちの１つの関連する請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
信号供給器を受け取りユニットに接続する請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記信号供給器は、ケーブル・システム、ＤＶＤプレーヤ、ビデオ・カセット・プレーヤ、ＣＤプレーヤ、コントローラ、センサ、通信システム、データ記憶デバイス、および多重化器からなるグループから選択される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記受け取りユニットは、ステレオ・システム、テレビジョン、コンピュータ、個人情報端末、ゲーム・システム、電話、家庭用機器、ディスプレイ・スクリーン、制御システム、多重分離器、およびデジタル・レコーダからなるグループから選択される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ＭＳＭ光検出器が実装される基板をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記基板は、プリント回路板、リード・フレーム基板、ＲＦセラミック基板、およびシリコン基板のうちの１つである請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「ＦＲＥＥ  ＳＰＡＣＥ  ＭＳＭ  ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ  ＡＳＳＥＭＢＬＹ」という名称の、２００３年９月５日に出願された米国特許出願第６０／５００，６５５号に対する優先権を主張し、「ＭＳＭ  ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ  ＡＳＳＥＭＢＬＹ」という名称の、２００３年９月５日に出願され、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、同時係属中で、かつ、同一譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／６５５，７５２号に関連する。
【０００２】
本出願は、一般に、光通信に関し、特に、ＭＳＭ光検出器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）用のアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバ技術は、光ファイバが広い伝送帯域と比較的低い減衰を有するために通信アプリケーションに好適である。しかし、電子および光ネットワークに対する光ファイバ・インターフェースは、レーザ送受信デバイスを基板に実装し（ｍｏｕｎｔ）、デバイスを個別に実装された光ファイバと位置合わせすることに関連する困難さがあるため、製造するのに費用がかる。困難さは、一般に、部品を厳密な公差で製造すること、および、部品を厳密な公差の範囲内で実装することに関連する。アライメント（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）の難問（ｃｈａｌｌｅｎｇｅ）は、通常、デバイスのパッケージング中に直面する。これらの困難さを克服するために、送受信デバイスは、アライメント中に達成することが困難である厳しい公差を緩和するために拡大することができる。
【０００４】
従来の光ファイバ通信システムでは、送信機は、光データをファイバ内に送出し、データは、受信端の検出器で受信される。ファイバの両端には、固有のインターフェースが存在する。これらの２つのインターフェースにおける光損失を最小にすることは、ミクロン程度のアライメントのために難しい。送信端においてアライメント公差を緩和することは、光ファイバのコアを拡大することによって行うことができる。しかし、これは、受信端インターフェースで望ましくない作用がある。すなわち、より大きなコア・ファイバを出る光は、より大きな断面積を有し、それによって、光を捕捉することを難しくさせる。
【０００５】
大きなコア・ファイバ、例えば、５０〜６３ミクロンのコア径を有するファイバは、通常、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）環境で見出される。大きなコアは、より小さなコア・ファイバに比べて、据え付け、例えば、ファイバのソース・レーザまたは受信用光検出器への結合あるいはファイバの光コネクタとの結合ついてより大きな公差を提供する。光をファイバから受信し、光を電気信号に変換するのに、２つのタイプの光検出器、すなわち、ＰＮダイオードおよび金属半導体金属（ＭＳＭ）ダイオードが通常使用される。両者は、ＬＡＮファイバからの光を捕捉するために、径が約７０〜８０ミクロンに現在作られる。
【０００６】
別のタイプのファイバは、限定されたアプリケーション、すなわち、硬質クラッド・シリカ（ＨＣＳ）ファイバで使用される。このファイバは、硬質プラスチック・クラッディングで囲まれたシリカ・コアを有し、典型的に２００〜３００ミクロンの径を有する。
【０００７】
さらなるタイプのファイバはプラスチック・ファイバである。このファイバは、ＨＣＳファイバと同じであるが、シリカ・コアの代わりにプラスチック・コアを使用する。コアがプラスチックであるため、ファイバの減衰は、ファイバの有効使用を１０メートル以下に制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、低コスト・プラットフォームの大面積ファイバを出る光を捕捉するための、すべての必要な光部品および電気部品を組み込む光受信アセンブリに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態は、通信におけるデータを受信するのに使用される光−電気信号変換デバイスに関連するシステムおよび方法を対象とする。本発明の実施形態は、集積化した光部品と電気部品を使用して樹脂成形したリード・フレームで形成するために、パッケージングが特に低コストである。本発明の実施形態は、大きな高速光検出器を使用する。
【００１０】
本発明によれば、大面積金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器（複数可）は、コネクタ付きパッケージ・アセンブリ（ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｉｚｅｄ  ｐａｃｋａｇｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）内部の光源からの光を捕捉するのに使用される。本発明のＭＳＭ光検出器は、単一検出器を使用して単一光チャネルを受信するか、または、検出器アレイを使用して複数光チャネルを受信することができる。ＭＳＭ光検出器は、それぞれの各チャネルにおいて、光信号を電気信号に変換する。電気信号は、同じパッケージ内部の集積化回路チップまたは個別のディスクリート・チップによって増幅される。
【００１１】
本発明の実施形態は、光を検出器上に収束させるためのレンズを含むことができる。本発明の実施形態は、基板、例えば、プリント回路基板、リード・フレーム基板、ＲＦセラミック基板、またはシリコン基板上に実装した光検出器を有する。
【００１２】
上記は、以下に続く本発明の詳細な説明がよりよく理解することができるように、本発明の特徴および技術的利点を、ある程度広く概説する。本発明のさらなる特徴および利点は、以降で述べられることになり、本発明の特許請求項の主題を形成する。開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実行するために、他の構造を変更するか、または、設計するための基礎として容易に利用することができることが当業者によって理解されるべきである。こうした等価な構成は、添付特許請求項で記載される本発明の精神および範囲から逸脱しないことも、当業者によって認識されるべきである。さらなる目的および利点と共に、本発明の編成と動作方法の両方について、本発明に特有であると考えられる新規な特徴は、添付図に関連して考えられると、以下の説明からよりよく理解されるであろう。しかし、図はそれぞれ、具体的に示し、説明するためにだけ提供されており、本発明の制限の規定として意図されないことが、明白に理解される。
【００１３】
本発明のより完全な理解のために、添付図面と共に考えられる以下の説明が、ここで、参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態は、ワイヤまたはファイバ媒体無しで、自由空間媒体にわたって、短い、例えば、３０メートル以下の高速光データ・リンクを必要とする状況で動作することになる。例えば、本発明者の実施形態は、娯楽システム、コンピュータ・システム、自動車システム、輸送システム、記憶システム、産業システム、航空システム、マルチメディア・システム、および情報技術システムなどで使用される可能性がある。例えば、本発明の実施形態は、２つのコンピュータ・システムを一緒にリンクし、２つのコンピュータ・ボードを一緒にリンクし、ＤＶＤプレーヤをＴＶ（建物、自動車、列車、飛行機、または他の輸送システム内に位置してよい）に接続し、同調器／制御ユニットを大型パネルＴＶモニタに接続し、ゲーム・コントローラをゲーム・ボックスにリンクし、家庭用機器（例えば、ＴＶ、ステレオ、電話、コンピュータ、カメラなど）を制御システムに接続し、デジタル・カメラを記憶または制御システムあるいはディスプレイ・スクリーンに接続し、センサをコンピュータに接続し、制御機構をコンピュータに接続し、コンピュータをプロジェクタまたはモニタに接続し、あるいは、デバイスを多重化器または多重分離器に接続する可能性がある。さらに、本発明の実施形態は、制御ユニットに対して高速接続部を使用する高品位ＴＶ（ＨＤＴＶ）のような大型スクリーン・デバイスと共に使用されてもよい。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態を使用した光通信システム１００用の配置構成を示す。システム１００は、自由空間媒体１０１、例えば、空気または真空を含む。このシステムでは、光信号は、光検出器の感光エリア上に送られる。光信号は、コリメーションされるか、または、収束されることができる。こうしたシステムのアライメント公差は、光検出器のエリアが大きくなるにつれて増加する。そのため、光検出器が大きくなればなるほど、光信号が必要とする光検出器のアライメントの正確さは低くなる。アライメント公差が大きくなると、光信号送信機に対する光検出器の設置がより容易になる。しかし、光検出器が大きくなればなるほど、帯域幅がより狭くなる。本発明の実施形態は、最大帯域幅および自由空間光受信機ユニットのアライメント公差を増加させる。システムは、光検出器のサイズに応じて、５メガビット／秒〜５ギガビット／秒の帯域幅を有してもよい。
【００１６】
システム１００は、信号に使用される光を生成し、自由空間媒体に連結する送信機１０３を使用する。送信機１０３は、変調光を形成することになり、変調光は、その後、媒体に連結される。この光は、光パルスの形態で、媒体１０１を通って情報を伝送することになる。光は、レーザ１０８によって形成することができ、レーザ１０８は、ファブリ−ペロー（ＦＰ）レーザまたは垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）［ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒ］の形態のダイオード・レーザであってよい。光源はまた、高速発光ダイオード（ＬＥＤ）［ｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ］である可能性がある。通常、生成される光は、５００〜１５５０ナノメートルの波長を有するであろう。ほとんどのシステムは、約６５０ｎｍ、７８０ｎｍ、または８５０ｎｍ、１３００ｎｍの波長で動作するであろう。
【００１７】
光パルスは、受信機１０４によって検出されることになる。受信機は、ＭＳＭ光検出器であってよい光検出器１０６を含む。光検出器は、その後、光信号を電気信号に変換することになる。電気信号は、その後、別の受信機部品１０９、例えば、増幅器、フィルタ、および／または、他の処理部品に送出されてもよい、かつ／または、信号は、（その後、）増幅器、フィルタ、および／または、他の処理要素であってよいオフ−受信機部品１１０に送出される。
【００１８】
任意選択で、受信機１０４は、光を光検出器上に収束することになるレンズ１０７を含んでもよい。
【００１９】
ＭＳＭ光検出器は、ｐ型−真性半導体−ｎ型（ＰＩＮ）光検出器［ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ（ＰＩＮ）ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ］に比べて好ましい。ＰＩＮ型光検出器のサイズが増加するにつれて、静電容量が増加し、実際上、システムの帯域幅または速度を低下させる。そのため、１ギガビット／秒より大きな速度の場合、ＰＩＮ光検出器の典型的な径は、１００マイクロメートル未満でなければならないことになる。ＭＳＭ光検出器の幾何学的構成のために、ＭＳＭ光検出器は、同じサイズのＰＩＮ光検出器よりずっと低い静電容量を有する。そのため、ＭＳＭ光検出器は、１００マイクロメートルより大きく、それでも１ギガビット／秒を超える速度を可能にする場合がある。
【００２０】
図４のグラフ４００は、それぞれ、２μｍ（４０１）と３μｍ（４０２）の電極間隔を有する２つのＭＳＭ光検出器と、２μｍの吸収層厚を有するｐｉｎフォトダイオード（４０３）の計算された時定数の比較を示す。ＭＳＭ検出器は、１５０μｍ以上の径について実質的に速いことに留意されたい。より小さい径の場合、ドリフト時間が支配的であり、したがって、ｐｉｎダイオードの速度は、ＭＳＭ検出器に匹敵する。
【００２１】
ＭＳＭ光検出器は、より短い波長（例えば、６５０、７８０、８５０ナノメートル、または可視から近赤外）については、基本的にドーピングされないガリウム・ヒ素を含んでもよい。光検出器はまた、より長い波長（例えば、１．３マイクロメートル、１．５５マイクロメートル以上）について、インジウム・リンまたは同様な材料を含んでもよい。電極用の典型的な金属は、金層を上部に有するプラチナであってよい。下にあるチタン層は、半導体に対する接着性を改善する。チタンの厚みは、２０ナノメートルの範囲になり、プラチナは、通常、１００〜２００ナノメートルであり、金層は、通常、別の２００ナノメートル〜１ミクロンであることになる。電極の目的は、半導体内で生成されるキャリアを収集することである。電極はまた、半導体に対するショットキー障壁を形成する。電極の幅は、最小量の光遮蔽を持つためにできる限り小さいことになる。これらの電極の典型的な幅は、１ミクロン以下の範囲、例えば、０．７ミクロンである。上部表面上の２つの電極間の間隔は、光検出器の特定のアプリケーションについて最適化される必要があることになる。距離が長いほど、デバイスを動作させるのにより高い電圧が必要とされる。電極間の典型的な距離は、１〜３ミクロンである。ＭＳＭ光検出器はまた、表面における反射による光損失を最小にするために、上部表面上に反射防止（ＡＲ）皮膜を有してもよい。ＡＲ膜層は、４分の１波長厚に調整され、有効屈折率は、空気［または他のカプセル化剤（ｅｎｃａｐｓｕｌａｎｔ）］と半導体の間の幾何学平均である。有効屈折率についての典型的な数値は１．９である。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態によるＭＳＭ光検出器およびコネクタ２０１の分解図の例を示す。この配置構成２００は、光が、自由空間媒体から光検出器１０６のアレイによって受け取られるポートまたは開口２０３を含む。複数のレンズ１０７は、光を光検出器１０６のアレイ上に収束させる。レンズ１０７は、アレイから離れてもよいし、または、レンズ１０７は、アレイと一体にされてもよい。アレイは、ＰＣＢ、シリコン基板、セラミック基板、誘電体基板、または金属フレーム基板であることができる基板２０２に取り付けられる。
【００２３】
図３は、図２と同じ配置構成３００であるが、光を、コネクタ３０１内への光の入射方向に対してある角度で反射する要素３０２を使用する。要素３０２はまた、光の方向を変えることに加えて、レンズ１０７と同様に、光を収束させてもよいことに留意されたい。他の角度が使用される可能性があるため、９０°の変化は例としてのみであることに、さらに留意されたい。
【００２４】
本発明およびその利点が詳細に述べられたが、添付特許請求項によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で、種々の変更、置換、および代替を行うことができることが理解されるべきである。さらに、本アプリケーションの範囲は、本明細書に述べる、プロセス、機械装置、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることが意図されない。本発明の開示から当業者が容易に理解するように、本明細書で述べる対応する実施形態と実質的に同じ機能を実施するか、または、実質的に同じ結果を達成する、現在存在するか、または、後で開発される、プロセス、機械装置、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップが、本発明に従って利用されてもよい。したがって、添付特許請求項は、その範囲内に、こうしたプロセス、機械装置、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップを含むことを意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態を使用した光システムの略図である。
【図２】本発明の実施形態による光検出器の例の略図である。
【図３】本発明の実施形態による光検出器の罰の例の略図である。
【図４】ＭＳＭ光検出器とｐｉｎフォトダイオードを比較するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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