波長可控電壓相位光電二極體光電子開關的製作方法

2023-06-12 04:06:41 1

專利名稱：波長可控電壓相位光電二極體光電子開關的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及電壓相位光電子開關(稱為opsistor)，並特別涉及製成單片式集成電路的波長可控電壓相位光電子開關(稱為「OPS-F」)，其性能為快速開關頻率，對外部噪聲和幹擾的高電阻，精確光學位置檢測，及長距離信號的檢測。本發明還涉及本發明的電壓相位光電子開關和OPS-F的幾個應用，包括長距離露天數據傳輸裝置；高速光纖數據傳輸裝置；混合基於光電子的狀態機的基本邏輯和/或存儲單元；高解析度光編碼器；以及適用於圖象和模式識別的靈敏邊緣和目標傳感器；當例如來往於運動的裝置這種物理電連接不適用時的信息傳送裝置。許多其它光學開關的應用可以從電壓相位光電子開關受益。
以前，光學開關一般基於由單一光電二極體、光電電晶體、光電達林頓複合電晶體等組成的光電傳感器，是具有「on」或「off」兩態的電流驅動裝置。對於諸如光電耦合器和光電隔離器的應用，這些裝置以對應的「on」或「off」後耦合電流信號響應「on」或「off」先耦合信號。這種裝置的固有速度受到它們能夠切換其電流「on」和「off」的速率的限制，限制因素常常是被動的返回接地周期。而且對於被識別的「on」電流狀態，電流必須處於顯著大於背景噪聲的振幅。然而產生這一識別所需的信號電流越高，則開關裝置產生這種電流電平的時間越長，並在開關裝置返回接地電平之前要更長的周期。以往的光電開關的這些特性結果是對於標準的光電二極體通常小於1MHz這樣相對慢的切換速度，並對於電壓相位光電子開關這種更複雜的裝置則速度更慢。
雖然使用特別的電路能夠設計出光電子開關以較快的切換頻率響應，但是這種電路附加的組件增加了這些器件的複雜性和成本。而且，快速光電子開關的發送器和接收元件必須靠近，通常是在一個殼體之中，以便使功能有效並降低外部光幹擾。
解決先有的光電開關的限制的本發明的一個方面(「電壓相位光電子開關」)是對信號開關事件使用主動的電壓相位移動。本發明的另一個方面是一種新的波長可控電壓相位光電子開關，這種電晶體允許電壓相位光電子開關的電壓相位開關事件受到光控制。在其最基本的形式中，電壓相位光電子開關由兩個靠近的逆向平行的光電二極體組成(最好在單片基片上彼此靠近配置)，使得第一個光電二極體的陽極通過第一導體與第二個電壓相位光電子開關的陰極電連接，且第一個光電二極體的陰極通過第二導體與第二個電壓相位光電子開關的陽極電連接。電壓相位光電子開關的電壓相位(正或負)受到對兩個電壓相位光電子開關相對亮度變化的信號控制，並能夠迅速切換。此外，通過對兩個光電二極體的每一個使用不同光帶寬通帶濾波器(每一通帶濾波器通過不同於另一通帶濾波器的光的帶寬)，通過使用與兩個電壓相位光電子開關的光電二極體的每一個帶寬響應匹配的傳信光的兩個不同的帶寬亮度的微小變化，電壓相位光電子開關的電壓相位可迅速切換。
帶有響應不同帶寬的光電二極體的電壓相位光電子開關的特性，允許使用受控信號發射器(「TM2」)的波長受控的切換，這種發射器以顯著大於標準的光電耦合器的發射器-接收器距離產生兩個規定波長的光信號。電壓相位光電子開關的應用包括對背景噪聲有高電阻並能夠以高的數據傳輸率進行的長距離戶外數據傳輸(「LDOADT」)；對背景噪聲有高電阻並能夠長距離且以高數據傳輸率通過非優質光纖的高速光纖數據傳輸(「HSFODT」)；基於光學/電子的計算機的基本邏輯和/或存儲器單元；高解析度光學編碼器；適用於圖象和模式識別應用的靈敏邊緣和目標傳感器；當諸如來往於運動裝置這樣的物理上相互電連接不可行時的信息傳輸；植入某些盲人眼睛的人工視網膜模擬裝置；以及實際上從電壓相位光電子開關以下任何和/或所有特性能夠獲益的應用高速、高靈敏度、高噪聲電阻、高線性鑑別、及長發射器-接收器距離。
在其最基本的形式中電壓相位光電子開關包括兩個反向平行的靠近配置的光電二極體(「第一」和「第二」光電二極體)，最好是單片基片上的集成電路。第一光電二極體的陽極與第二個電壓相位光電子開關的陰極通過公共導體電連接，且第一光電二極體的陰極與第二電壓相位光電子開關的陽極通過第二公共導體電連接。在兩個光電二極體光激勵時，在從電壓相位光電子開關的兩個公共導體測量時獲得電壓相位，或正或負。如果光源產生的一個電壓相位光電子開關的亮度大於另一電壓相位光電子開關的亮度，則電壓相位將為一個方向，並如果這種亮度對第二個電壓相位光電子開關較大，則電壓相位將具有相反的方向。在與另外的標準光電子開關的交變的主動和被動電流狀態比較中，電壓相位光電子開關的電壓相位由其兩個電壓相位光電子開關的光電二極體主動驅動，並能夠非常快速地發生，僅被寄生電容限制。在沒有光線時出現「非主動中性平衡狀態」，並在照射的一個或多個光源相等地激勵兩個光電二極體時出現「主動中性平衡狀態」。除了正電壓相位狀態和負電壓相位狀態之外，這一平衡狀態的兩個形式在電壓相位光電子開關的應用中被採用。
在本發明的另一實施例中(所謂「OPS-F」)，電壓相位光電子開關的光電二極體子單元使用不同帶寬的通帶濾波器即「第一」和「第二」濾光器被濾波。通過改變與每一OPS-F光電二極體子單元匹配的激勵光線的第一和第二不同的帶寬的照射平衡，OPS-F的電壓相位是可控的。第一和第二帶寬光源(以下稱為「TM2」)能夠包含光發射二極體(「LED」)和/或雷射器，這兩者由信號編碼電路調製。切換OPS-F接收器的光的不同帶寬的使用允許長的發射器-接收器距離，並同時允許非常小的OPS-F裝置被傳信。
本發明對於電壓相位光電子開關和OPS-F裝置的應用是很多的，並包括用於LDOADT和HSFODT的高速光電耦合器及光電隔離器；基於光電子的本狀態機的基本邏輯和存儲器子單元；用於來往於快速運動裝置的信息傳輸的光電耦合器；非常靈敏的光邊緣和目標檢測器；高解析度光學編碼器；用於微型機械的嵌入式控制器；以及在申請人以前的U.S.專利申請之一中所透露的人工視網膜(即1996年6月3日提交的U.S.Patent Application Serial No.08/642,702，該文獻在此引入作為參考)。這種人工視網膜裝置的設計，是通過激勵部分視網膜以便恢復某些盲人的視力。
在其作為高速光電耦合器接收單元使用中，電壓相位光電子開關是通過改變向兩個電壓相位光電子開關光電二極體提供信號的兩個發射器光源的強度而被驅動的。這是通過使用的兩個LED或雷射器而實現的，每一個LED或雷射器配置在兩個光電二極體子單元之一上，每一個由一信號源驅動。因為每一發射器更靠近電壓相位光電子開關的光電二極體之一，故每一發射器將最好激勵最靠近它的光電二極體。這樣，由它們的信號源控制的兩個發射器光源激勵強度的微小變化將引起電壓相位光電子開關中的電壓相位的移動，然後這被識別為傳輸的信號。


圖1是根據本發明第一優選實施例的基本電壓相位光電子開關的示意圖；圖2是根據本發明第二優選實施例的OPS-F的示意圖；圖3是OPS-F平面圖，該OPS-F根據本發明第二優選實施例被設計為單片集成電路；圖4是根據本發明第二優選實施例構造為單片集成電路的OPS-F沿圖3的IV-IV線的平面所取的三維剖視圖；圖5是表示用於長距離戶外數據傳輸(「LDOADT」)的TM2/OPS-F組合的圖示；圖6是表示與用於高速光纖數據傳輸(「HSFODT」)的光纖結合使用的TM2/OPS-F組合的圖示；圖7a是在基於光電子的本狀態機使用的TM2/OPS-F單片光纖鏈路剖視圖；圖7b是表示在單片矽基片上作為多個子單元之一配置的OPS-F的雷射寫操作的圖示，單片矽基片用來作為基於光電子的狀態機的基本開關元件，雷射寫操作改變OPS-F的電壓相位狀態為三狀態的OPS-F的三個狀態之一；圖8是表示用作為在高解析度光學編碼器中的光電檢測器的兩個電壓相位光電子開關的圖示；圖9A-C是表示配置在單基片上並用作為線性光學位置傳感器(「LOPS」)的電壓相位光電子開關的圖示，當照射的光點同等地照射電壓相位光電子開關的兩個光電二極體時產生零電壓，只要出現光點有利於電壓相位光電子開關的一個或另一個光電二極體子單元微小的不一致，則出現一個方向上或相反方向的電壓相位；以及圖10是表示對被傳感的光源透明、放置在基於第二電壓相位光電子開關的LOPS上相對於第一LOPS旋轉90度以產生二維目標傳感器的第一薄基片基於電壓相位光電子開關的LOPS。
電壓相位光電子開關(10)(圖1)包括兩個PIN光電二極體，第一個光電二極體(12)和第二個光電二極體(14)，以反向平行方式電連接，使得第一光電二極體(12)的陽極通過第一公共導體(16)與第二光電二極體(14)的陰極電連接，且第一光電二極體(12)的陰極通過第二公共導體(18)與第二光電二極體(14)的陽極電連接。由電壓相位光電子開關(10)形成的電壓相位從第一輸出端(20)和第二輸出端(22)測量。到第一光電二極體(12)的第一發射器信號光源(24)由箭頭(24)表示。到第二光電二極體(14)的第二發射器信號光源(26)由箭頭(26)表示。在輸出端(20，22)處形成的電壓相位由兩個光電二極體(12，14)產生較高電壓的哪一個決定，該電壓取決於與它們從發射器信號光源(24，26)接收的亮度的相對強度。例如，如果第一光電二極體(12)產生高於第二光電二極體(14)的的電壓，則從第一輸出端(20)測量電壓相位將是負的，而來自第二輸出端(22)的電壓相位將是正的。另一方面，如果來自第二光電二極體(14)的電壓高於來自第一光電二極體(12)的電壓，則從第一輸出端(20)測量電壓相位將是正的，而來自第二輸出端(22)的電壓相位將是負的。這樣，如果兩個光電二極體(12，14)類似或儘可能等同，則來自輸出端(20，22)的電壓相位由兩個光電二極體亮度的相對強度，即從發射器信號光源(24，26)到兩個光電二極體(12，14)的相對亮度的變化控制。
一個優選實施例(圖2)是帶寬濾波電壓相位光電子開關(「OPS-F」)(30)。OPS-F(30)包括兩個PIN光電二極體(32，34)、以第一帶寬部分濾波器(33)濾波的第一光電二極體(32)、以第二帶寬部分濾波器(35)濾波的第二光電二極體(34)、它們以反向平行的方式電連接，使得第一光電二極體(32)的陽極通過第一公共導體(36)與第二光電二極體(34)的陰極電連接，且第一光電二極體(32)的陰極通過第二公共導體(38)與第二光電二極體(34)的陽極電連接。第一帶寬部分濾波器(33)使不同於第二帶寬部分濾波器(35)的帶寬的發射器信號光通過。由OPS-F(30)形成的電壓相位從第一輸出端(40)和第二輸出端(42)測量。到第一光電二極體(32)的第一帶寬部分信號光源(「WPSLS-1」)(44)由箭頭(44)表示。到第二光電二極體(34)的第二帶寬部分信號光源(「WPSLS-2」)(46)由箭頭(46)表示。因為每一波長部分濾波的光電二極體(32，34)只對其自身特定的光帶寬進行響應，故可從遠距離無交叉幹擾地提供用於光電二極體(32)的WPSLS-1(44)和用於光電二極體(34)的WPSLS-1(46)。「光」這一術語不限於可見光，而是還包括從遠紫外線到遠紅外線。
在輸出端(40，42)形成的電壓相位由兩個光電二極體(32，34)產生較高電壓的哪一個決定，該電壓又取決於與它們從發射器信號光源WPSLS-1(44)和WPSLS-2(46)接收的亮度的相對強度。例如圖2中，如果第一光電二極體(32)從WPSLS-1(44)接收較大亮度從而產生高於由WPSLS-2(46)照射的第二光電二極體(34)的電壓，則從第一輸出端(40)測量電壓相位將是負的，而來自第二輸出端(42)的電壓相位將是正的。另一方面，如果第二光電二極體(34)從WPSLS-2(46)接收較大亮度從而產生高於由WPSLS-1(44)照射的第一電壓相位光電子開關(32)的電壓，則從第一輸出端(40)測量的電壓相位將是正的，而從第二輸出端(42)測量的電壓相位將是負的。這樣，如果兩個光電二極體(32，34)類似或等同，則來自輸出端(40，42)的電壓相位由兩個光電二極體亮度的相對強度和WPSLS-1(44)和WPSLS-2(46)到兩個光電二極體(32，34)的相對亮度變化而控制。
如圖3-4所示，OPS-F裝置(30)最好按單片集成電路構造。OPS-F(30)由兩個PIN光電二極體(32，34)組成，第一光電二極體(32)以第一帶寬部分濾波器(33)濾波，第二光電二極體(34)以第二帶寬部分濾波器(35)濾波，它們以反向平行的方式電連接，使得第一光電二極體(32)的陰極(32c)通過第一公共導體(36)與第二光電二極體(34)的陽極(34a)電連接，且第一光電二極體(32)的陽極通過第二公共導體(38)與第二光電二極體(34)的陰極(34c)連接。第一帶寬部分濾波器(33)使不同於第二帶寬部分濾波器(35)的帶寬的激勵光通過。由OPS-F(30)形成的電壓相位從同時作為輸出端的第一公共導體(36)和第二公共導體(38)測量。在公共導體(36，38)處形成的電壓相位由兩個光電二極體(32，34)中產生較高電壓的那一個決定，該電壓取決於它們從它們各自的信號光源接收的相對亮度。
例如，如果整個OPS-F(30)的亮度包含可激勵第一光電二極體(32)的帶寬的份額大於可激勵第二光電二極體(34)的份額，則由第一光電二極體(32)形成高於第二光電二極體(34)的電壓，而從第一公共導體(36)測量的電壓相位將是負的，而從第二公共導體(38)測量的電壓相位將是正的。另一方面，如果到整個OPS-F(30)的亮度包含可激勵第二光電二極體(34)的帶寬的份額大於可激勵第一光電二極體(32)的份額，則由第二光電二極體(34)形成高於第一光電二極體(32)的電壓，而從第一公共導體(36)測量的電壓相位將是正的，而從第二公共導體(38)測量的電壓相位將是負的。
在圖3-4中所示OPS-F(30)的優選實施例中，第一光電二極體(32)的P+表面(40)使其陽極(32a)在圍繞P+區域(40)的整個邊緣澱積，並且第一光電二極體(32)的陰極(32c)完全在陰極(32c)之下的N+區域(52)大面積上澱積。在圖3所示的OPS-F(30)的優選實施例中類似地，第二光電二極體(34)的P+表面(42)使其陽極(34a)在圍繞P+區域(42)的整個邊緣澱積，並且第二光電二極體(34)的陰極(34c)完全在陰極(34c)之下的N+區域(62)大面積上澱積。開始的P-型矽基片(44)圍繞著兩個光電二極體(32，34)示出。雖然用於說明本發明的OPS-F裝置(30)優選實施例的開始單片矽基片(44)是未摻雜矽(44)，但是業內專業人員知道，通過改變OPS-F光電二極體的製造，P-型或N-型矽也能夠用作為開始單片矽基片。
如圖4中所示，OPS-F的結構遵從於標準的半導體製造工藝。由於它們較高的切換速度，在這一實施例中使用了每一帶有不同內層(50，58)的PIN光電二極體(32，34)。在開始非摻雜基片(44)上第一重摻雜N-區域(54)和第二重摻雜N-區域(60)彼此靠近製成。然後在第一N-區域(54)和第二N-區域(60)上分別製成第一N+區域(52)和第二N+區域(62)。然後在第一N-區域(54)和第二N-區域(60)上分別製成第一重摻雜P-區域(48)和第二重摻雜P-區域(56)。然後在P-區域(48)和N-區域(54)的結合部形成第一內層(50)。然後在在P-區域(56)和N-區域(60)的結合部形成第二內層(58)。然後在第一P-區域(48)中製成第一P+區域(40)，並然後在第二P-區域(56)中製成第二P+區域(42)。第一金屬陽極(32a)澱積在第一P+區域(40)的周邊上，以便允許大面積的電接觸，且第二金屬陽極(34a)澱積在第二P+區域(42)的周邊上，以便允許大面積的電接觸。第一金屬陰極(32c)澱積在整個第一N+區域(52)上以便允許大面積的電接觸。第二金屬陰極(34c)澱積在整個第二N+區域(62)上以便允許大面積的電接觸。在優選實施例中是多層絕緣層的第一波長部分濾波器(33)澱積在第一光電二極體(32)上。在優選實施例中是多層絕緣層的第二波長部分濾波器(35)澱積在第一光電二極體(34)上。
每一濾波器層(33，35)使頻譜在450nm到1150nm即矽光電二極體的頻譜響應內不同帶寬的光通過。例如在優選實施例中，第一濾波器層(33)具有從600nm到850nm的帶寬通過，而第二濾波器層(35)具有從850nm到1100nm的帶寬通過。業內專業人員會看出，也可使用較大或較小的其它帶寬。
二氧化矽絕緣層(70)在OPS-F(30)上沒有被濾波器層(33，35)覆蓋的區域上製成。在濾波器層(33，35)中蝕刻出開口以便使陽極(32a，34a)及陰極(32c，34c)露出。然後澱積第一公共導體(36)以便把第一陰極(32c)連接到第二陽極(34a)，並澱積第二公共導體(38)以便把第一陽極(32a)連接到第二陰極(34c)。公共導體(36，38)還作為圖2中所示的輸出端(42，40)。
圖5示出用於長距離戶外數據傳輸(「LDOADT」)的TM2/OPS-F組合，其特性在於對背景噪聲的高阻力，及高數據傳輸率。對TM2(70)提供信號編碼並由發射器(72)供電。TM2(70)的WPSLS-1(44)和WPSLS-2(46)包含LED、雷射器、或任何能夠以快速脈衝方式產生特定的光帶寬的光源。由第一帶寬信號光(「WPLS-1)(74)和第二帶寬信號光(「WPLS-2」)(76)組成的TM2數位訊號(78)對諸如環境光線(80)、60Hz幹擾(82)、及大氣衰減(84)等公共方式噪聲有高阻力。TM2信號(78)是由OPS-F(30)檢測的，並由OPS-F(30)的第一光電二極體(32)和第二光電二極體(34)微分轉換為正的或負的電壓相位信號。由OPS-F(30)形成的電壓相位由接收器(86)按工業標準方式被解碼並重構。
對於採用電壓相位光電子開關的OPS-F實施例的應用，通過在每一OPS-F接收器電壓相位光電子開關的二極體上使用不同的光帶寬濾波器，TM2的兩個發射器光源(每一個產生規定的不同帶寬的光)可位於距OPS-F接收器的大距離處。除了OPS-F之外，即使OPS-F裝置在運動中，諸如如果置於快速運動的設備上，或者即使被諸如生物組織這樣的光散射體阻擋，接收器仍可以接收串行通信。例如，在後者的情形下，使用紅色及可穿透皮膚到皮下組織的紅外光作為兩個TM2波長，則皮下植入的OPS-F傳感器可以通過外部TM2發射器接收串行通信以便提供功率及向植入的藥劑傳送泵編程。
當與目前對於LDOADT的技術比較時，本發明對於LDOADT的TM2/OPS-F組合裝置的優點是明顯的。在當前的技術中，傳輸LED以比目標數據率或波特率高接近15X的載波頻率被調製。例如，在遙控和低速串行PC-IR鏈路中，使用大約為38KHz的載波頻率向接收器傳輸信號脈衝。脈衝的存在解釋為一種邏輯狀態，而其不存在被解釋為其補充。通過對信號脈衝實時地適當定時，能夠可靠地達到300到2400波特的等價數據率。今天PC的較新標準已經改進這一數據率達100千比特每秒，但是工作距離只有幾英尺。
發射器和接收器之間的信號集成必須協調環境光線水平和變化的衰減。即使使用帶通濾波器和信號處理，必須平衡傳輸率以獲得信號對噪聲對背景的裕度。類似於對IR載波信號的動態電壓偏移，信號對環境行為的變化能夠被歸類為「噪聲」。與接收器電路相關，可靠接收的最大數據速率由可能的信號對噪聲比率限制，輸入的信號質量越好，可能的數據速率越快。對於戶外應用，環境噪聲是高度變動的，並保留充裕的保護頻帶以保證在所有條件下可靠的數據傳輸。
對LDOADT應用使用TM2/OPS-F發射器-接收器組合，而不是例如強度振幅調製的發射器LED及單光電二極體接收器，TM2/OPS-F組合使用一種主動波長交變方法，採用兩個分開的彩色LED用於傳輸邏輯一和邏輯零以產生電壓相位調製。這一TM2雙相位驅動系統傳輸兩個波長，以便在OPS-F接收器處交變產生載波信號的效果。例如，如果GREEN和RED是兩個雙相位波長，GREEN在載波正擺幅期間為ON，而RED在載波負擺幅期間為ON。這些PUSH-PULL擺幅在OPS-F處被識別為正或負電壓相位。這一雙相位方法迫使所有環境因素變為公共方式，因而在OPS-F輸入處被自動消除。現在正常的信號處理把載波轉換為數字數據流。使用TM2/OPS-F組合可獲得好於20dB信噪比的增益。可獲得更快的數據傳輸和更長的發射器-接收器距離。
圖6示出用於高速光纖數據傳輸(「HSFODT」)的TM2/OPS-F組合，其特性為高數據傳輸率，對光纖衰減的高阻力。對TM2(70)提供了信號編碼並由發射器(72)供電。TM2(70)的WPSLS-1(44)和WPSLS-2(46)包含LED、雷射器或任何能夠以快速脈衝方式產生特定帶寬光的光源。由第一帶寬信號光(「WPSL-1」)(74)和第二帶寬信號光(「WPSL-2」)(76)組成的TM2數位訊號(78)對光纖衰減有高阻力，諸如來自溫度作用、機械應力、不純淨性/缺陷效果，及在通過光導纖維(88)期間的水吸收等。TM2信號(78)是由OPS-F(30)檢測的，並由OPS-F(30)的第一光電二極體(32)和第二光電二極體(34)微分地轉換為正或負電壓相位信號。由OPS-F形成的電壓相位被接收器(86)按工業標準方式解碼和重構。
從與當前技術對比明顯可見本發明HSFODT使用的優點。在當前技術中，雷射源用來通過光纖向PiN或雪崩型光電二極體檢測器串行傳輸單色光信號。使用光和電子的適當組合可達到從20兆位/秒到幾千兆位/秒的數據速率。對於象遠程通信這樣的高端應用，諸如波長選擇、多模光纖、低損耗連接器、中繼器、及低噪聲檢測器這樣的因素被優化而達到最佳可能的性能。然而如果諸如溫度應力、機械應力、及光纖缺陷等因素能夠轉換為公共模式參數，能夠進一步改進這一性能。
通過使用雙相位TM2驅動和OPS-F雙相位電壓相位光電子開關檢測，在與當前技術比較時能夠進一步改進光纖鏈路的信噪比。這一增加允許使用中繼器之間更長的間距和/或提高了的數據傳輸率。光纖中的主要噪聲變量主要是單端或接地基準。一個例子是來自沿經歷溫度波動或振蕩的光纖的微觀機械應力的衰減變化。用於HSFODT的TM2/OPS-F使能夠圍繞零伏特進行平衡的信號檢測。在這一方法中，正的電壓向量是邏輯一，而負的電壓向量是邏輯零。可以使用DC-耦合放大器，這對於處理特高速信號能夠消除與電容相關的許多問題(例如相位和時間延遲)。平衡的檢測還使得無需存儲比較輸入信號以便測試邏輯1或邏輯0所需的基準電壓(通常由電容器進行)。能夠達到較高的數據傳輸率，這增加了光纖的信息帶寬。
對於較低的技術應用，諸如計算機網絡光纖鏈路，信噪比的改進將允許對光纖缺陷有更大的冗餘性。這又能夠降低消費者應用的光纖成本。一個這種應用可能是使用較低等級的光纖連接到單一家庭，這滿足了數據帶寬但是有較高的成本效益。
圖7a是在基於光電子的狀態機中使用的TM2/OPS-F單片光纖鏈路的剖視圖。最好由非晶形矽LED組成的TM2(70)在單片矽基片(92)內製成。類似地，OPS-F(30)也是使用工業上標準的技術在單片矽基片(92)內製成。數字信息數據從TM2(70)通過使用標準工業技術在矽基片(92)上製成的微光纖光導(90)光學傳輸到目標OPS-F(30)。
圖7b示出在單片矽基片(92)上配置為多個OPS-F子單元(30)之一的OPS-F(30)子單元(30a)的雷射寫操作。OPS-F(30)用作為基於光電子的狀態機的基本開關組件。由於直接的光訪問，TM2雷射束(94)能夠對大量的OPS-F(30)電壓相位狀態快速寫改變，把它們轉換為三個OPS-F電三狀態之一。
基於OPS-F的光電子狀態機的功能在於以下方式。一般來說，狀態機執行由其結構所確定的能夠被有效改變的特定的功能。諸如門陣列這樣的現場可編程邏輯矽裝置以及一次可編程裝置為能夠重新配置適合許多不同應用的狀態機。在UV-可擦除的OTP的情形下，計算機晶片是在擦除之後的「休止」，但在重新編程之後又成為起作用的。類似於機械中心偏移撥動開關的「OFF」位置，本發明的OPS-F裝置也具有「休止」零狀態。當OPS-F接收器被TM2光傳輸激發時，分別對於邏輯1(正電壓向量)或邏輯0(負電壓向量)開關能夠「撥動」到UP或DOWN位置。一旦完成編程，開關就回到中心或「OFF」狀態(接地，0伏特)。於是，這一OPS-F三狀態功能允許基於OPS-F的光電子狀態機處理由正電壓向量、負電壓向量、和接地、0伏零表示的三個狀態。
對於基於OPS-F的光電子狀態機，OPS-F是到FIFO(先入先出)鎖存器結構的輸入，這定義了狀態機模塊的功能，或者說OPS-F的功能被鎖存在高或低的邏輯狀態，這又「控制」了狀態機的處理邏輯。由於OPS-F通常具有不是邏輯1或邏輯0的休止狀態，配置之後對噪聲的免疫性是很高的。通過使用來自諸如兩個雷射源或者可調雷射器，或者來自狀態機的其它部分的外部源的雙相位TM2光傳輸，整個的狀態機能夠快速對情況所需的功能重新編程。允許不同的光電子模塊飛速地改變個性或功能使基於OPS-F的狀態機所需的硬體最小化(比較由預定的功能塊組成的傳統的微處理器)。OPS-F的「組成模塊」基於使用雙相位TM2光作為原始鏈路而允許許多「智能狀態機」模塊的集成。按這一方法，傳統上對串行通信、信號多路復用及裝置編程的要求可被最小化，因為例如「智能狀態機」模塊能夠飛速從「除法功能」變為「計數器功能」。
與現有技術相比，基於TM2/OPS-F組合的這種「智能狀態機」模塊的優點包括(1)來自主動接通/主動斷開功能的較快速的光電耦合器傳輸數據率，(2)到「智能狀態機」特定的部分以對「智能狀態機」編程的直接的雷射寫操作避免了串行通信和信號運行程序的複雜性。雷射的控制等價於傳統的導線的功能及飛速操作結果的邏輯時鐘，因為矽元件不必物理上接近，但可以被分開，(3)生物傳感器裝置中的應用，其中流體可環繞矽，以及(4)現場可編程裝置，其中隔離保持是重要的。
圖8(光學正交編碼器)示出本發明用於代替用於光學編碼器的標準的光電二極體檢測器的電壓相位光電子開關裝置，以便編碼器的解析度倍增而不增加轉子盤的開口數。使用本發明的裝置的光學編碼器內的光電傳感部分(101)，採用了第一電壓相位光電子開關(30)和第二電壓相位光電子開關(100)作為光檢測器。第一電壓相位光電子開關(30)具有第一光電二極體子單元(32)，標記為「C」，及第二光電二極體子單元(34)，標記為「D」。第二電壓相位光電子開關(100)具有第一光電二極體子單元(102)，標記為「E」，及第二光電二極體子單元(104)，標記為「F」。到電壓相位光電子開關(30，100)的光照(112)通過在轉子葉片(108)之間形成的轉子開口(106)。圖8中轉子的運動由箭頭(110)表示。由於光學編碼器部分(101)的轉子開口(106)每一個實際上由每一電壓相位光電子開關(30，100)分為兩部分，結果得到基於電壓相位光電子開關的編碼器的光傳感部分(101)的2X解析度正交信號。在來自轉子盤開口(106)的光照(112)通過電壓相位光電子開關(30，100)之一的第一光電二極體子單元(32，102)時，在這各個電壓相位光電子開關中形成一個方向的電壓相位。來自轉子盤開口(106)的光照(112)繼續運動通過整個電壓相位光電子開關表面並照射兩個光電二極體子單元(32和34，102和104)，將出現電壓相位零。當來自轉子盤開口(106)的光照(112)開始優先通過任一電壓相位光電子開關(30，100)的第二光電二極體子單元(34，104)時，電壓相位將變為反向到相對方向。這樣開口的寬度(106)在功能上各分為兩部分。兩開口、兩電壓相位光電子開關正交編碼器能夠達到使用標準光電二極體的相同編碼器的兩倍的解析度。
圖9a-9c示出本發明用作為精確線性光學位置傳感器(「LOPS」)的電壓相位光電子開關。在圖9a中，當電壓相位光電子開關(30)的兩個光電二極體子單元(32，34)的光照相等時，形成電壓相位零。如圖9b和9c所示，只要電壓相位光電子開關的兩個光電二極體子單元(32，34)之一成為被優先照射，則以觸發的方式形成電壓相位到正或負的快速移動。由於在電壓相位光電子開關(30)的電壓相位響應只在其兩個光電二極體子單元(32，34)上響應光平衡，這兩個子單元可能在單片矽片上相互靠近地製成，故電壓相位光電子開關對諸如環境光和溫度效果這樣的公共模式衰減的抗拒是高的。諸如所示的LOPS裝置的使用包括微光束平衡、光電校準應用、運動傳感器、及基於邊緣檢測的圖象識別裝置。
圖10A-C示出一個二維目標傳感器(130)，它由兩個「堆疊的」對齊的LOPS電壓相位光電子開關(110，120)構成，使得在對紅外光透明的薄型矽基片內製成的光電二極體子單元(112，114)組成的「頂部」的LOPS電壓相位光電子開關(110)，以對由光電二極體子單元(122，124)組成的「底部」的LOPS電壓相位光電子開關(120)旋轉90度對齊。這種目標傳感器(130)對檢測光目標(94)位置每一軸線使用一個LOPS電壓相位光電子開關傳感器(110，120)。這二維目標傳感器(130)的特性和質量，除了單LOPS傳感器的所有特性之外，還包括製造簡單和最小的死點區域。這種LOPS裝置的使用包括需要高精度二維校準的應用，武器的瞄準，分光光度計微二維校準，及微機械/微振動卡具校準。
權利要求
1.一種光電子開關，包括兩個光電二極體，使得一個光電二極體陽極通過第一導體電連接到第二個光電二極體的陰極，而第一光電二極體的陰極通過第二導體電連接到第二光電二極體的陽極，使得所述光電子開關裝置的第一導體和第二導體的電壓相位取決於所述光電子開關的哪一個光電二極體接收較大量的發射器光信號照射。
2.權利要求1的開關，其中所述光電子開關的組件是在單基片上製造的。
3.權利要求2的開關，其中裝置的陽極和陰極在其表面製成。
4.權利要求1的開關，其中使用電絕緣的濾光器層以便有選擇地使得只有從450nm到1150nm一定帶寬的光通過，以便選擇地照射每一所述光電二極體。
5.權利要求4的開關，其中電絕緣的濾波器層直接澱積在所述光電二極體光敏表面。
6.權利要求4的開關，其中所使用的電絕緣的濾波器層允許光譜的相同部分激發所述裝置的兩個光電二極體。
7.權利要求5的開關，其中所使用的電絕緣的濾波器層允許光譜的不同部分激發所述裝置的每一光電二極體。
8.一種光電子耦合器，用於耦合光信號源與可處理電壓相位信號的接收器，包括能夠產生兩種不同的第一和第二帶寬的光信號的光發射器；至少一對第一和第二光電二極體從光發射器接收光信號；電連接第一光電二極體的陽極與第二光電二極體的陰極的第一導體；電連接第一光電二極體的陰極與第二光電二極體的陽極的第二導體；澱積在第一光電二極體的光敏表面允許第一帶寬的光通過的第一濾光器；澱積在第二光電二極體的光敏表面允許第二帶寬的光通過的第二濾光器；從而使用第一和第二帶寬的光發射器信號能夠由所述光電二極體轉換為跨越第一和第二導體的電壓相位信號。
9.權利要求8的光電子耦合器，還包括用於向所述光電子耦合器的兩帶寬光發射器發送數據信號供向光電二極體傳輸的調製信號產生器，以及用於接收和解碼來自跨越第一和第二導體的電壓相位數據的信號接收器，從而該組合的功能是作為遠程通信信息傳輸裝置。
10.權利要求8的光電子耦合器，其中光發射器包括光發射二極體。
11.權利要求8的光電子耦合器，其中光發射器包括至少一個雷射器。
12.權利要求8的光電子耦合器，其中裝置是在單片矽基片上製成的，並其中光發射器包括在同一單片矽基片上製成的非晶形矽光發射二極體。
13.一種狀態機，包括澱積在單片矽基片上的多個如權利要求7所述的開關，其中每一所述裝置的三個電壓相位通過使用兩個光帶寬的混合被快速編程和重新編程；用於對開關編程的兩個光帶寬的源；以及以電子方式讀取作為數字信息產生的電壓狀態組合的裝置。
14.權利要求13的狀態機，其中光源對每一開關包括一對光發射二極體，每一對光發射二極體發射用於對開關編程的第一帶寬光的第一成員，及每一對光發射二極體發射用於對開關編程的第二帶寬光的第二成員。
15.權利要求13的狀態機，其中光源包括一雷射器。
16.權利要求15的狀態機，其中雷射器包括產生多個不同對不同波長光以便向開關傳信的可調雷射。
17.一種光電子位置傳感器裝置，包括權利要求3的開關；使光形聚焦在開關表面的聚焦透鏡系統，從而開關能夠通過產生正電壓相位、負電壓相位、或零伏特電壓相位而檢測在其表面上的聚焦的光形的位置，這取決於聚焦的光形的光照在開關的兩個光電二極體元件上的平衡；以及對所得的電壓相位以電子方式進行分析以便指出光形在所述開關表面上的線性位置的裝置。
18.一種光電子傳感器，包括兩個疊置的如權利要求19所述的裝置，其中上面的裝置由薄的矽基片製成，使得其對於作為目標的光形基本是透明的並對下面的裝置指向旋轉90度的方向，以及作為目標的光形的圖象還通過基本是透明的上面的裝置到下面的裝置，使得這兩個裝置一同起到作為二維目標傳感器的作用；以及以電子方式對所得的裝置的電壓相位進行分析的裝置，以指出在所述目標傳感器上正作為目標的光形的二維位置。
19.一種光電子編碼器，包括一個外殼；外殼內有開口的轉子盤；位於外殼內有開口的轉子盤的一側的如權利要求3所述的兩個開關；位於外殼內有開口的轉子盤的另外一側的編碼器光源；用於驅轉有開口的轉子盤的裝置，從而從所述光源生成的光脈衝信號通過運動的旋轉盤的開口，以便在兩個開關中生成電壓相位變化以產生正交電信號；以及以電子方式讀取所產生的正交電信號的裝置。
全文摘要
公開了作為單片集成電路製造的能夠快速切換頻率的波長部分可控的光電子開關(「電壓相位光電子開關」)。電壓相位光電子開關由兩個反向平行靠近的最好在單片矽基片上的光電二極體組成,使得一個光電二極體的陽極通過第一導體與第二個光電二極體的陰極電連接,且第一光電二極體的陰極通過第二導體與第二光電二極體的陽極電連接。電壓相位光電子開關的電壓相位由電壓相位光電子開關的兩個光電二極體的相對亮度確定,並能夠快速切換。適合於電壓相位光電子開關的應用包括高速光電耦合器,線性光學位置傳感器,邊緣和目標檢測傳感器,圖象識別傳感器,光基狀態計算機的基本子單元,及高解析度光學編碼器。
文檔編號H01L31/173GK1241299SQ97180913
公開日2000年1月12日 申請日期1997年11月26日 優先權日1997年11月26日
發明者艾倫·Y·喬, 文森特·Y·喬 申請人:艾倫·Y·喬