光探測器陣列和使用該陣列的光通信監視模塊的製作方法

2023-09-16 03:59:15

專利名稱：光探測器陣列和使用該陣列的光通信監視模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及光通信技術，特別是用於緊湊的波分復用通信光學部件和模塊。
背景技術：
為了滿足光通信中增加通信容量的需求，經常採用使用波分復用技術的通信方法，它能夠通過準確地利用現有的光纜來增加通信容量。具有近似100GHz的較小復用光頻間隔的波分復用被特別稱為緊湊波分復用(DWDM)。
為了分開通過復用具有這樣小的頻率(波長)間隔的光所得到的信號，諸如波長濾光器或稜鏡等光譜元件按常規是已知的，它們不適合於劃分具有接近波長的大量光束。因此，經常利用使用排成陣列的波導光柵(AWG)的系統。
然而，由於AWG對溫度變化比較敏感，並且製造複雜的光波導光柵需要先進的技術，AWG通常比較昂貴，並且不適合於需要大量元件的用途。
另一方面，衍射光柵是一種光譜元件，其中在諸如石英或矽襯底等表面上形成精密的凹凸結構，在同一結構中產生的衍射光相互幹擾，並沿特定方向發出具有特定波長的光。對於形成凹凸結構的技術而言，可採用半導體所用的光刻技術。因此，能夠以非常高的精度形成結構。此外，通過把所形成的凹凸結構設置成母版，利用轉印技術也很容易形成複製品。為此，衍射光柵顯然是一種適合於大批量生產的光學部件。
當用於在復用光信號中掌握每個信道的狀態、且被稱為波長監視器(或信道監視器)的設備是基本光譜分支濾光鏡時，要加入大量光譜分支濾光鏡並在裝置中使用，例如，利用它們控制光纖放大器。已有多個發明人指出過，衍射光柵是適用於該目的的光譜元件，並曾公開過一種將圖4所示的衍射光柵3和光探測器4的結構組合在一起作為光譜分支模塊(JP-W-WO99/46629)。通過準直透鏡2把從光纖1發射並已經經過波分復用的光束10變成平行光11，併入射到衍射光柵3上。通過衍射光柵3對該光進行分頻，並以根據波長而改變的出射角度發射。發射的光12再次經過準直透鏡2，從而在光探測器陣列4上形成聚焦束光點群13。光探測器陣列4中的每個光探測器40設置在具有各個波長(信道)的光的聚焦束光點組13的位置。
假設反射的衍射光柵的衍射序數為m，光柵周期為d和使用的波長為λ，用θi表示由其上形成有衍射光柵的表面上的法線與入射光束(光纖的光軸5)形成的角度，用θo表示由發射光束形成的角度，則滿足下面的等式。
sinθi＋sinθo＝mλ/d當θi是常數並按Δλ改變波長時，由下面的等式給出光束到達在離衍射光柵的距離為L處設置的光接收表面的位置變化Δx。
Δx＝(Lm/(d·cosθo))·Δλ圖4表示θi＝θo的情況(利特羅(littrow)排列)。在θi≠θo的情況下通常也可建立上面的等式。因此，如果波長間隔是常數，按一定間隔排列多個光探測器，以便可使光探測器的位置和波長(每個信道)一對一地相互對應。
按照國際電信聯盟(ITU)的標準，以最小值定義DWDM中的通信波長為每隔100GHz一個頻率間距。從表1左側起第一行的列中給出了一個例子(C波段)。為此，即使根據λ＝c/f(c是光速)的關係以一個恆定的間隔定義頻率f，波長間隔彼此間不相等。在用衍射光柵作為光譜元件是情況下，不按一定間隔提供分頻光束到達光接收表面的位置(見表1左起第二行)。
此外，在使用所定義的頻率中的一部分信道的情況下，所有信道間的頻率間隔不必是常數。這種情況下，除了上述原因之外，在分頻光束可能到達更遠的光接收表面的位置中會引起「跳變」。
此外，常規的普通光探測器陣列在光探測器之間有恆定的間距。當這樣一種光探測器用于波分復用信號時，不能使光探測器與每個信道一一對應，以致相鄰的光探測器接收一個信道的信號，或某些光探測器元件接收不到信號。因此，存在著光感受器與信道之間的對應關係變得複雜，而且信道之間的信號分離需要比信道多的光探測器的問題。此外，還存在著對應於晶片上存在未使用的光探測器而增加光探測器晶片的面積的問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種具有解決上述問題的優良的信號分離特性的小尺寸光探測器陣列。
為了實現該目的，提供一種光探測器陣列，其中三個或更多光探測器沿直線排列，整個陣列中相鄰光探測器之間的陣列間距不是常數。
此外，提供一種光通信監視模塊，其中使用對於在第i′和第(i＋1)′信道間具有波長間隔Δλi的入射光，其光柵周期為d和衍射序數為m的衍射光柵，用L表示衍射光柵和光探測器之間的光程長度，用θo表示平均出射角度，光探測器陣列中第i′和第(i＋1)′光探測器間的間距pi滿足下面的等式pi＝mΔλiL/dcosθo具體地說，通過根據光探測器陣列上光的入射位置來改變光探測器之間的陣列間距，可明顯減小光探測器陣列晶片的尺寸。
本說明書與日本專利申請No.2000-234941(2000年8月2日提交)中包含的技術主題有關，在此將其作為整體清楚地引入供參考。


圖1是表示根據本發明的光通信監視模塊的概念示意圖，圖2是表示根據本發明的光探測器陣列晶片實施例的平面圖，圖3是表示根據本發明的光探測器陣列晶片另一個實施例的平面圖，和圖4是表示常規光通信監視模塊的光學系統的示意圖。
具體實施例方式
圖1是表示根據本發明的光通信監視模塊100的示意圖。已經經過波分復用的入射光110通過光纖101進入模塊的外殼200中，並通過準直透鏡102整形成具有預定直徑的光束。接下來，調節位置，使光束以預定角度入射到衍射光柵103上。相應地，對使波長變化的每個信道稍微並逐漸地改變出射角度，以便發射光線112。藉助反射鏡106使光線112穿過回程會聚透鏡108。從而使光束會聚在光檢探測器陣列140上。通過設定將要用下面的等式確定的光檢探測器陣列140的每個元件的間隔，能夠形成具有高分離程度的信道監視器。
具體地說，當使用對於在第i′和第(i＋1)′信道間具有波長間隔Δλi的入射光其光柵周期為d和衍射序數為m的衍射光柵時，用L表示衍射光柵和光探測器之間的光程長度，用θo表示中心波長中的出射角度，光檢探測器陣列中第i′和第(i＋1)′光檢探測器之間的間距(光探測器間距)pi滿足下面的等式pi＝mΔλiL/dcosθo下面描述信道監視器設計的具體例子。在下面的實施例中，對衍射光柵的入射角和出射角變化的情況進行描述。本發明還可應用於利特羅排列。[第一實施例]使用1.55μm頻帶的波長。定義中心波長為1552.52nm。根據1TU的C波段標準設定信道間距為100GHz，並使用16個連續信道。確定光程長度L，使光探測器陣列中的間隔在中心波長附近為50μm。將衍射光柵的衍射序數設定為25，並確定光柵周期為24.7μm，以致對於中心波長而言，入射角度是71.5°，出射角度是38.5°。此時，表1中示出與來自具有各個波長(信道)的光的衍射光柵的出射角度對應的光探測器之間的間隔(即光探測器間距)。L是48mm。光探測器之間的間隔(即光探測器間距)使兩端(即最大和最小值之間)有1.4μm(2.8％)的差值。
如果設計具有按圖1所示間隔(光探測器間距)設置的光探測器的光探測器陣列的光掩膜，可以用常規方法進一步製造包括InGaAsP/InP的臺式電晶體光探測器陣列。圖2是表示所製造的光探測器陣列晶片151的平面圖。圖2是光探測器的尺寸，間隔(間距)等不太精確的示意圖。在InP襯底150上形成16個光探測器140，並分別通過金屬布線170連接到焊接區160。焊接區的尺寸通常需要80至100μm2。在該實施例中，光探測器140之間的間隔(即光探測器間距)約為50μm，比焊接區160之間的間隔小。因此，焊接區160在光探測器140的一側排列成兩行。排列方式不限於此，不過可將焊接區160排列為兩行，每行比如分別位於光探測器140的一側。
通過選擇中心波長和信道數目，比如可以構成諸如8信道或32信道等的各種信道監視器。
在本實施例中，按陣列排列光探測器140，以準確地滿足表1所示的光探測器間距。然而，在本實施例中，因所選擇的波長所造成的光探測器之間的間隔(即光探測器間距)的差值在2.8％內，因此，即使以相等的間距排列所有光探測器140，在實際工作條件下很少出現問題。另外，如果因選擇的波長而使光探測器之間的間隔的差值較大，也可根據光探測器之間的間隔(間距)比來改變光探測器的寬度。[第二實施例]雖然在第一實施例中使用16個連續信道，可以將它們分成兩部分，也就是比如每部分有8個信道供使用。另外，頻率間隔不必是100GHz。在本實施例中，在各具有200GHz頻率間隔的兩個部分之間的中部設置1THz的未使用頻帶(見表1)。這種情況下，在表1所示的光探測器140之間間隔的中部產生約250μm(針對四個元件)的「跳變」。圖3(a)示出在跳變部分也形成光探測器，以便構成與第一實施例具有相同結構的光探測器陣列晶片152的例子。虛線圍繞的部分表示未使用的部分220，該部分中的光探測器140和焊接區160未被使用。
如果不象圖3(b)所示那樣形成四個光探測器(虛線中所示)142，還可以省略附加至那裡的焊接區和布線。如果以與第一實施例中相同的方式設定光探測器140之間的間隔(即光探測器間距)約為50μm，焊接區160最好應按圖3(a)的結構排列成兩行。另一方面，如果如圖3(b)所示省略了四個光探測器142，可在空白空間中設置數個焊接區。在圖3(b)所示的排列例子中，在空白空間中排列三個元件的焊接區162，以便可將剩餘的焊接區164排成一行。為此，可以減小晶片153的面積，比晶片152的面積(如點劃連線所示)小10％或更多，並可減小光探測器陣列晶片的尺寸。圖3(b)所示的焊接區的排列僅是為了說明目的，而不是對本發明的限制，可以設想各種結構。
在本實施例中，頻率間隔是200GHz，該頻率間隔是第一實施例中的兩倍。因此，如果光探測器之間的間隔(光探測器間距)以與第一實施例相同的方式是約50μm，光程長度L可以是約24mm，該光程長度是第一實施例中的一半。
另外，在本實施例中，同樣排列光探測器140以準確地滿足表1所示的光探測器間距。然而，所分成的兩部分中的每一部分因選擇的波長而造成光探測器之間的間隔(即光探測器間距)的差值不太大，因此，即使以相等的間距排列每部分中的光探測器140，在實際工作條件下也很少出現問題。另外，如果因所選擇的波長而造成光探測器之間的間隔差值較大，也可以根據光探測器間的間隔(間距)比來改變光探測器的寬度。
在使用衍射光柵的信道監視模塊中，即使信道的波長不具有相等的間隔，可使信道與光探測器一一對應，並可簡化模塊的結構。此外，可減小光探測器的尺寸。
表1


權利要求
1.一種具有三個或更多直線排列的光探測器的光探測器陣列，其特徵在於，整個陣列中，相鄰光探測器之間的陣列間距不是常數。
2.一種光通信監視模塊，通過衍射光柵對具有N個信道(N是3或大於3的整數)的波分復用光分頻，並通過光探測器陣列接收分頻的光，衍射光柵的衍射序數為m，光柵周期為d，其特徵在於，光探測器陣列中的第i′和第(i＋1)′(i是1至(N－1)的整數)光探測器間的間距pi滿足下面的等式pi＝mΔλiL/dcos θoΔλi是第i′和第(i＋1)′信道之間的波長間隔，L是衍射光柵和光探測器陣列之間的光程長度，θo是平均出射角度。
3.一種光探測器陣列晶片，包括按行排列的光探測器；和分別通過布線連接到光探測器的焊接區；其特徵在於，至少一個焊接區布置在該行光探測器上並在相鄰的兩個光探測器之間。
4.根據權利要求3所述的光探測器陣列晶片，其特徵在於，大部分焊接區按行排列。
5.根據權利要求3所述的光探測器陣列晶片，其特徵在於，整個陣列中，相鄰光探測器之間的陣列間距不是常數。
6.根據權利要求3所述的光探測器陣列晶片，其特徵在於光探測器陣列晶片用於通過衍射光柵對具有N個信道(N是3或大於3的整數)的波分復用光分頻，衍射光柵的衍射序數為m，光柵周期為d；和光探測器陣列中的第i′和第(i＋1)′(i是1至(N－1)的整數)光探測器間的間距pi滿足下面的等式pi＝mΔλiL/dcosθoΔλi是第i′和第(i＋1)′信道之間的波長間隔，L是衍射光柵和光探測器陣列之間的光程長度，θo是平均出射角度。
全文摘要
當使用對於在第i′和第(i+1)′信道之間具有波長間隔Δλ
文檔編號H01L27/144GK1336740SQ0112382
公開日2002年2月20日 申請日期2001年8月1日 優先權日2000年8月2日
發明者黑田靖尚, 田上高志, 仲間健一 申請人:日本板硝子株式會社