InGaAs光纤探测器封装及耦合效率影响因素研究

更新时间:2023-12-13 09:03:55 阅读: 评论:0

2023年12月13日发(作者:保证书)

-

InGaAs光纤探测器封装及耦合效率影响因素研究

文章编号:1672—8785(2012)03—0017-05 InGaAs光纤探测器封装及耦合效率 影响因素研究 莫德锋1,2 刘大福 ,。 徐勤飞 ,2 吴家荣1,2 (1.中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海200083; 2.中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料和器件重点实验室,上海200083) 摘 要:设计了InGaAs探测器芯片与多模石英光纤的耦合结构,测试了芯片耦合前后 的性能变化,并分析了影响耦合效率的因素。结果表明,石英光纤与InGaAs探测器芯 片可以较好地耦合。在0.9—1.7 波段,当采用与芯片尺径相当的100 光纤进行 无透镜直接耦合时,耦合效率可达30%以上;当采用芯径为500 的光纤耦合时,耦 合效率可达55%以上。多模石英光纤出射端的光强呈高斯分布。随着光纤端面与芯片 表面的间距偏差的增加,高斯分布曲线的半宽值增大,光束逐渐发散。芯片与光纤的对 准偏差对耦合效率的影响很大,其中对横向偏移量的依赖性最强 关键词:InGaAs探测器;光纤耦合;耦合效率 中图分类号;TN215;TN253文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1672—8785.2012.03.004  ̄Study of Coupling Factor and Package Structure of InGaAs Optical Detector MO De—feng ,。LIU Da—fu 1,2 XU Qin—fei ,。.WU Jia—rong 1,2 ,f1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China; 2.Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Devices,Shanghai Institute of Technical Physics Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,Chinaj Abstract: A multi-mode silica fiber coupled InGaAs detector was designed.The performance of the chip Was measured before and after its coupling.The factors which had influences on its coupling eficifency were analyzed.The result showed that the silica was suitable to be coupled with the InGaAs chip.In the waveband from 0.9 n to 1.7 m,the maximum coupling eficifency could be greater than 30%when an optical fiber with a diameter of 100 um was used.When an optical fiber with a diameter of 500 lim Was used.the maximum coupling eficifency could be greater than 55%.The light intensity exhibited Gaussian distribution at the exit end of the multi—mode silica optical fiber.With the increase of the distance between the end face of the fiber and the chip surface,the half-width value of the Gaussian distribution curve was increased and the light beam gradually diverged.The transverse offset and longitudinal discrepancy between the chip and the fiber end had a great influence on the coupling eficifency,and the transverse offset was a more signiifcant influence factor. Key words:InGaAs detector;fiber coupling;coupling eficiency f收稿日期:2012-01—14 基金项目:中国科学院上海技术物理研究所创新专项 作者简介:莫德锋(1982一),男,浙江桐乡人,博士,主要从事可靠性设计和封装工作。E—mail:modefeng@163.com http://'journa1.sitp.ac.cn/hw INFRARED(MONTHLY)/VOL.33,No.3,MAR 2012 0引言 随着航空航天事业的不断发展,我国每年 都要进行十几次卫星和航天器发射,而且每颗 卫星上的集成度也越来越高,一般需要集成几种 或几十种载荷。但传统光窗式探测器对安装位 置和卫星姿态等方面具有严格的要求,而且其 光路复杂,限制了其集成度的进一步提高。光纤 耦合型探测器则可解决这一问题,它具有重量 轻、光路可弯曲以及安装灵活等优点,已在半导 体、医疗等领域得到了广泛的应用 ]。光纤与 芯片之间的对准方法主要有两大类[0】:一类是 有源对准,即在有光信号的情况下进行光纤的实 时对准(使芯片接收信号后输出电压或电流值, 然后当输出值达到最大时固定光纤位置,这种 方法的耦合效率较高);另一类是无源对准,即 在无光信号的情况下进行封装时,只通过对准 标记或者限位槽来完成对准耦合[ 。按耦合方 式划分,对准方法也可以分为直接耦合和间接 耦合两种。在直接耦合时,中间没有聚焦透镜等 元件,结构简单且规模不受限制,而间接耦合则 通常是采用透镜+平面光纤的方式来提高耦合 效率的。本文选用在空间遥感和半导体等领域有 着重要应用、探测波段为0.9^一1.7 的InGaAs 芯片和多模石英光纤进行研究,设计InGaAs芯 片与光纤直接耦合的封装结构,采用有源耦合 的方式,并探讨影响耦合效率的因素。 1试验方法 探测器芯片采用中国科学院上海技术物理 研究所研制的单元光伏型InGaAs芯片,光敏元 的尺寸为100 ×100 p.m,在0.9—1.7 波段 具有较高的探测率和响应率。与之相耦合的光 纤采用石英光纤,其直径分100 和500 两 种 光纤的数值孔径为0.22,长度为1 m,两端 均为FC接口。 为了得到比较高的耦合效率,我们采用有 源对准的耦合方式,并自行搭建了光纤耦合封 装调整系统(见图1)。在耦合过程中,将带尾纤 的封帽固定在支架上,并将带芯片的管壳底座 INFRARED(MONTHLY,' /VOL.33,No.3,MAR 2012 固定在六轴调整架平台上。然后在芯片两电极 上施加一0.1 V电压,并通过倾角调节旋钮使芯片 面和光纤端面保持平行状态。光纤的一端连接 辐射源(功率为1 w,波长为1660 nm),另一端 面向芯片。芯片接收到辐射信号后会产生光偏 电流。先后微调六轴调整架上的x轴、Y轴和 z轴的位置(三个方向的定义见图1)。当检测到 的电流信号达到最大值时,通过紫外固化胶瞬 间完成管座与盖板的初步固定,最后用螺丝进 行固定,制成光纤耦合式探测器组件。 在测试组件性能时没有外加偏压。光源选 用HFY-200B型黑体光源,辐射孔径为8 mm, 调制频率为800 Hz,测试距离为15 am。去掉外 加电压后,芯片的光伏效应便在芯片的两端产 生开路电压或短路电流(通过相应的放大器和示 波器等检测设备记录信号值)。分别测试了无光 纤和光纤耦合后探测器的响应率、探测率和噪 声。将光纤与芯片的耦合效率定义为带光纤探测 器与无光纤探测器之间的黑体探测率的比值。 图1光纤耦合封装的示意图 2光谱特征与耦合效率 图2所示为光纤与探测器的光谱特性。其 中,曲线1为InGaAs芯片的光谱响应。可以看 出,InGaAs的响应区间为0.8—1.8 m,其中峰 值响应波长为1.61 。曲线2为石英光纤的光 谱响应。在InGaAs的响应区间内,随着波长的增 加,红外光的透过率缓慢增加。特别是当波长在 1.2—1.8 范围内变化时,透过率的变化仅在 10%左右。这可以保证光纤与探测器耦合后, 其光谱响应曲线与原探测器的光谱响应曲线相 比不会出现大的变化。曲线3为光纤与探测器耦 达55%以上。 合后的响应曲线。曲线4为根据曲线1、2得到 的计算曲线。可以看出,曲线3与曲线4的重合 度很好,说明实测结果与理论值一致。根据曲线 3和曲线4得到的峰值响应波长分别为1.58 和1.61 ,证实了耦合前后峰值响应波长变化 不大的情况(与上述分析吻合)。 表1列出了无光纤探测器的性能和光纤耦 合探测器的耦合效率。可以看出,在没有中间透 镜的情况下,光纤耦合型InGaAs探测器可以得 到较高的耦合效率。当采用与芯片尺径相当的 100 光纤耦合时,耦合效率可达30%以上。 的光纤时,耦合效率可 图2光谱响应曲线 而当采用芯径为500 表1光纤耦合探测器的性能与耦合效率 3影响耦合效率的因素与分析 芯片与光纤耦合封装时的损耗主要来源于 率约为80%,其中菲涅尔反射可以通过镀制合 适的减反膜来消除【引。因此,在封装过程中需 要着重考虑对准偏差的影响。 三个方面。一是光纤与芯片的对准偏差,包括光 纤端面与芯片表面的间距偏差(z向)、横向偏 差(x向、Y向)和角度偏差等 1,其对耦合效 率的影响非常明显。二是由于光纤出射端光束 发散引起的漏光。若要尽可能地接受全部的光 能量,有一个办法即增大探测器的面积。随着探 测器面积的增加,器件的暗电流就会增大。而本 图3所示为在1660 am光照条件下和一0.1 V 电压下的光电流的绝对值与黑体响应信号之间 的关系。可以看出,随着光电流的增加,响应信 号迅速增加,而且两者之间存在一一对应关系。 当光电流达到最大值时,响应信号最大,黑体探 测率也达到最大值。由于光电流测试比黑体探 测率测试简单,在耦合对准过程中用光电流值 文定义的耦合效率是以黑体探测率在有无光纤 存在时的比值来衡量的,因此芯片面积的增大 反而会使耦合效率降低。相反,从表1中可以看 出,增大光纤芯径,增大光通量,可以提高耦合 效率。但这种方法会引起漏光或者使杂散光变 得严重,这将会影响多元或焦平面器件的分辨 率,不利于系统的集成和简化。三是光纤表面存 在的菲涅尔反射以及光在传播过程中引起的吸 测试代替性能测试,可以简化耦合调整系统,便 于实验操作。 图4所示为x正方向和z方向偏移对光电 流的影响。可以看出,对准偏差对光电流值的影 响很大,但x向偏差与z向偏差存在明显差异。 在z方向上,随着偏移距离的增加,光电流大 致呈线性缓慢下降的趋势。光电流的大小对x 向偏移十分敏感,而且当z向偏移越小时,这种 INFRARED(MONTHLY)/VoL.33,No.3,MAR 2012 收【 。石英光纤在0.9—1.7 波段的平均透过 http://journa1.sitp.ac.cn/hw 影Ⅱ向越强(表现为z向偏移越小,曲线的斜率越 大)。 式中,Y为耦合效率, 为横向偏移量,A为 积分面积,W为半宽值。 Lawson等人[。]假设在光纤的数值孔径内, 光纤端出射光场的光强径向分布是均匀的。而 Takai[1O】和程湘[11]等人曾提出纤端出射光场的 场强分布可以用高斯型函数来描述。为了更好地 表示多模光纤与InGaAs芯片的耦合特点,我们 将光电流值换算成耦合效率,并以耦合效率为 纵坐标,以x向偏移量为横坐标作图(见图5)。 其中,各点代表实验点,曲线为高斯拟合曲线。 可以看出,实验点与高斯曲线有较好的拟合关 系,说明多模光纤出射光束的光强分布呈高斯 分布。其中,高斯拟合关系式可表示为 y-—— _Ae e 。/"。 (1)1 J m| Z Wx/ 图3黑体探测率与光电流的关系 Z轴偏移tl/m (a)水平方向 图4定位偏差与光电流的关系 (b)垂直方向 与光电流大小相对应,随着z向偏移量的增 加,可测得的耦合效率的最大值变小,半宽值W 变大,说明出射光束是不断发散的。图5也直观 地显示了耦合效率对x向偏移量的依赖程度。 为了得到比较高的耦合效率,在实际封装过程 中应尽量减小x向偏移量的大小。而z向偏移量 则存在一定的矛盾性。当x向偏差量很小时,耦 合效率会随着z向偏差量的减小而增大;当x 向偏差量变大时,耦合精度会随着z向偏差量 的减小而减小。同时,由于受到芯片抛丝高度和 保护距离的影响,z向偏移量也不可能太小。对 于采用芯径为100 gm的光纤与探测器芯片的耦 INFRARED(MONTHLY)/VOL.33,No.3,MAR 2012 图5横向偏移量与耦合效率的高斯拟合 合而言,当Z向偏移量在100 300 gm之间, 参考文献 x向偏移量小于15 m时,其最终的耦合效率可 在30%以上。 …Daniels A,Liepmann T W.Fiber Optically Coupled Infrared Focal Plane Array System for Use in Mis— 4结论 sile Warning Receiver Applications[C].sP晒,2009, 3701:118-130. (1)石英光纤与InGaAs探测器芯片可以实 『21朱翔,方中华,孙胜利.光纤传像系统中的耦合技 现较好的耦合。增加石英光纤后,芯片在0.9— 术研究[J]_红外技术,2006,27(5):25 ̄260. 1.7 的光谱响应曲线与原曲线相比变化不大。 f31张威,王春青.半导体激光器组件封装中光纤的固 (2)InGaAs芯片在0.1 V外压存在下的光电 定方法『J].半导体光电,2004,25(2):87—90. 流大小与黑体响应率有一一对应关系。耦合时 f4]梁静秋,侯凤杰.采用硅V型槽的一维光纤阵列的 光电流的绝对值越大,说明黑体响应率越大,耦 研制[J】.光学精密工程,2007,15(1):89—94. 合效率越高。用光电流值测试代替性能测试,可 [5]肖志刚,李斌成.高斯光束到光纤的单透镜耦合[J]. 以简化耦合调整系统。 光电工程,2008,35(8):30—34. (3)多模石英光纤的出射端光强呈高斯分 [6]Wallner O,Winzer P J,Leeb W R.Alignment Toler— ances ofr Plane--Wave to Single・-Mode Fiber Coupling 布。随着光纤端面与芯片表面的间距偏差的增 and Their Mitigation by Use of Pigtailed Collimators 加,高斯分布曲线的半宽值增大,光束不断发 [J].Applied Optics,2002,41(4):63 ̄643. 散。 f71刘超,王欣,袁海庆,等.垂直腔面发射激光器的 (4)芯片与光纤的对准偏差对耦合效率的影 TO封装的耦合效率模拟分析fJ].半导体学报,2006, 响很大,其中对横向偏移量的依赖性最强。对于 27(4):75 1—755. 芯径为100 ̄tm的光纤与探测器芯片的耦合,当 f81毛虎,吴恒锋.高斯光束传输理论在半导体激光器耦 z向偏移量在100—300 rtm之间,x向偏移量 合中的应用_J].半导体光电,2001,22(5):359—361. 小于15 p.m时,其最终的耦合效率可在30%以 『91 Lawson C M,Tekippe V J.Fiber—optic Diaphragm— 上。通过增大光纤芯径可以提高耦合效率。当采 curvature Pressure Transducer[J]_Optics Letters, 用500 gm光纤时,耦合效率可达55%以上。 1983,8(5):286 288. [10]Takai N,Asakura T.Statistical Properties of Laser 5致谢 Speckles Produced under Illumination from A Multi— mode Optical Fiber[J].J opt Soc Am A,1985,2(8): 感谢唐恒敬博士提供InGaAs光伏型芯片, 1282-1290. 并感谢汪洋和李淘在组件性能测试过程中所给 f111程湘,王宇华,庞振章,等.光纤出射光强分布研 予的帮助。 究『J].中国计量学院学报,2006,17(1):21—24. 瑞士正在研制一种可对唾液中所含 可卡因进行检测的红外装置 据http://www.physorg.coin网站报道,瑞 士苏黎世联邦理工学院的研究人员目前正在开 发一种用于检测唾液中是否含有可卡因及其代 谢物的红外测量技术。他们已经成功完成了研 制手持式测量设备的前期工作。 口岳桢干 INFRARED(MONTHLY)/VOL.33,No.3,MAR 2012 

-

InGaAs光纤探测器封装及耦合效率影响因素研究

本文发布于:2023-12-13 09:03:55,感谢您对本站的认可!

本文链接:https://www.wtabcd.cn/zhishi/a/1702429435245047.html

版权声明:本站内容均来自互联网,仅供演示用,请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

本文word下载地址:InGaAs光纤探测器封装及耦合效率影响因素研究.doc

本文 PDF 下载地址:InGaAs光纤探测器封装及耦合效率影响因素研究.pdf

标签:耦合   光纤   效率   芯片
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:
Copyright ©2019-2022 Comsenz Inc.Powered by © 实用文体写作网旗下知识大全大全栏目是一个全百科类宝库! 优秀范文|法律文书|专利查询|