专利名称：一种探测器－光纤耦合的全方位自对准方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，它特别涉及实现探测器-光纤耦合的技术领域。
背景技术：
探测器-光纤耦合技术是制作带尾纤探测器的关键技术，目的是实现探测器与光纤之间的精确耦合，提高其耦合效率，从而提高探测器的整体性能。
由于在容量、抗干扰能力等方面的独特优势，光纤系统已经或将要广泛应用于通信、航空航天、超高速计算机等领域。在光纤系统中，由于探测器光敏面和光纤纤芯截面都非常小(10微米甚至微米量级)，相互间的精确对准、固化都非常困难。探测器-光纤间的良好耦合及其低成本制作对于光纤系统整体性能的提高具有重要意义。
时至今日，绝大多数厂家仍采用费时费钱的有源对准技术，即让激光器、探测器处于运行状态，反复、仔细调整输入光纤的位置和方向，探测器输出光电信号最强时，表示探测器-光纤处于最佳耦合状态，届时小心翼翼地将探测器和光纤的相对位置和方向固化，才告完成一对探测器-光纤的耦合。这是一种费时间、高成本的工艺，而且固化过程中和封装后，纤芯相对于光探测器有源区的任何微小偏离都会引入很大的耦合损耗。总之，现有的技术和方法除了耦合效率不高的问题外，还存在着以下的缺点1)制作工艺复杂，对设备的要求相对较高，在推向实际生产应用时会遇到很大的障碍。2)对操作环境和制作技术要求较高，导致投入生产时的不稳定性较高。3)制作流程中步骤仍然较多，在提高产品的一次性生产合格率上存在自身的瓶颈。因此，如何方便有效地解决纤芯与探测器的耦合问题，一直是生产和研究带尾纤光探测器的关键问题。
由于探测器-光纤耦合技术的重要性，国内外在这方面的研究一直很活跃，已经根据探测器不同的光入射方式，提出了不同的耦合技术。对于旁照式光探测器，日本提出折射面结构的光探测器(见文献H.Fukanv etc.Edge-illuminatedrefracting-facet photodiode with high responsivity and low-operationvoltage.Electronics Letters，1996，Vol.32，No.252346～2348)及光纤底部V形槽结构，见文献M.Kato etc.Large coupling tolerance side-illuminated mirrorphotodiode for low-cost surface hybrid integration.IEEE Photonics TechnologyLetters，1999，Vol.11，No.6709～711；国内对Si基波导结构探测器中波导层与吸收层间的垂直耦合进行了分析，见文献李娜.波导与探测器吸收层垂直耦合结构中的光耦合分析.光学学报，1998，Vol.18，No.91224～1227；对于背照式探测器，美国采用单片集成微透镜的方法提高光纤-探测器耦合容差(见文献M.Madhav etc.Improvements in fiber alignment tolerance using chemicallyetched monolithically integrated microlenses on InGaAs∶InP PIN photodetectors.Electronics Letters，1997，Vol.33，No.10891～892)；但以上方法的研究都只是相对提高了对准容差，未从根本上去解决光纤-探测器的自动对准问题。
印度学者利用背部V形槽与顶部精确对准解决耦合问题，见文献NanditaDasGupta etc.Passive coupling of InGaAs/InP PIN detector and single mode fiberusing InP bulkmicromaching in Micro-Optic-Electric-Mechanical Systems.Proceedings of SDIE，2000，Vol.40，No.75134～139。但印度学者虽提出自对准(self-alignment)概念，采用的只是常规湿法化学腐蚀工艺，在半导体衬底材料1上只做成了V形槽2，在垂直于V形槽2棱脊方向插入光纤3实现一维自对准，不能实现全方位自动精确定位，如图1所示。

发明内容
本发明的目的是提供一种探测器-光纤耦合的全方位自对准方法，采用本发明的方法能够实现探测器-光纤耦合的全方位自对准，并且工艺流程简单、控制方法容易、设备和环境要求较低、降低人力资源成本，适合于实际生产应用。
为了方便地描述本发明地内容，首先作一个术语解释光化学反应指由于吸收了紫外、可见或红外光后引起的化学反应。经典光化学反应只限于紫外和可见光为光源的反映体系，自从红外激光器成为一种可实现多光子吸收的新光源之后，红外光化学也成为光化学的一个部分。
激光腐蚀技术就是在激光的激励下，使反应化合物的电子由基态跃迁至激发态，从而和腐蚀液或者腐蚀气体发生光化学反应；在本项发明中，腐蚀液可以是盐酸、硫酸、氢氧化钠等溶液。
抗蚀膜抗蚀膜在本项发明中指的是覆盖在半导体衬底表面的某种材料，能够在需要时间内抵挡住激光和腐蚀液的共同作用，起到较好的保护半导体衬底的作用。能够用某种方法在抗蚀膜的表面刻蚀某一形状，对激光光束起到光阑的作用，在本项发明中，抗蚀膜可以采用氮化硅、碳化硅、光刻胶等。
全方位自对准全方位自对准是对自对准概念的一种延伸和完善，它要求光纤和探测器之间的耦合是不同方位上均能实现耦合，同时起到一定的固定作用，因为光纤的端面为圆形，所以要求探测器的耦合孔的形状为圆形，且直径大小与光纤直径大小相等或者近似相等。
本发明提供的一种探测器-光纤耦合的全方位自对准方法，其特征是它采用下面的步骤步骤1准备好半导体衬底1，确定半导体衬底1正面光敏面6的位置，半导体衬底1正面光敏面6的位置对应的半导体衬底1背面的位置就是腐蚀圆孔4的位置，即背面光纤光入射的位置；并确定探测器与光纤之间实现耦合的腐蚀圆孔4的直径大小，腐蚀圆孔4的直径略大于光纤的直径，腐蚀圆孔4的深度和直径以光纤插入腐蚀圆孔4后不移位为准；如图2所示；步骤2用抗蚀膜5把半导体衬底1背面除了腐蚀圆孔4以外的区域掩蔽好，如图2所示；步骤3将覆盖有抗蚀膜5的半导体衬底1置于腐蚀液或者腐蚀气体中，在激光7作用下实现激光腐蚀，形成孔径与光纤直径大小匹配的腐蚀圆孔4，如图2所示；步骤4将光纤3插入步骤3制备的腐蚀圆孔4内，实现与正面的光敏面6精确对准，如图3所示。
经过以上步骤后，既可以很好地实现光纤与探测器之间的高效耦合，又能避免固化时和封装后光纤与探测器间的相对偏移。
需要说明的是在步骤1中，与其它的单纯的化学腐蚀依靠解理面走向以及其他操作方法限制的不同，因为采用激光腐蚀的方法得到腐蚀孔，激光腐蚀的精度很高，所以可以根据光纤直径的大小和实际需要任意选取腐蚀孔的直径。
在步骤2中，抗蚀膜能够抵挡激光与腐蚀气体或者液体的共同作用，使其能够在激光腐蚀中起到光阑的作用。这样，就不再需要对激光光束进行聚焦，避免激光聚焦所带来的若干问题，大大简化了腐蚀流程。
在步骤4中，除了腐蚀圆孔自身对光纤起到定位作用外，还可以用其他的常规方法进行进一步的固定，如使用胶化胶。
本发明的工作原理如下提供了一种探测器-光纤耦合的全方位自对准方法，制作出圆孔型探测器，即利用激光辅助腐蚀技术在半导体衬底背面生成腐蚀孔，光纤插入圆孔中，即与正面的探测器光敏面精确对准，实现真正意义上的探测器全方位自对准耦合，不仅大大提高尾纤-探测器组件中的耦合效率，从而提高光纤系统性能，而且耦合工艺简单，封装过程难度低，人力资源成本低，又能避免固化时和封装后光纤与探测器间的相对偏移。利用抗蚀膜掩蔽技术控制腐蚀孔的形状和大小，避免激光聚焦所带来的诸多问题，简化流程，工艺流程简单，控制方法容易，设备和环境要求较低，大大降低了实际生产的复杂程度，降低人力资源成本，适合于实际生产应用。
本发明的实质是提供了一种探测器-光纤耦合的全方位自对准方法，制作出圆孔型探测器，即利用激光辅助腐蚀技术在半导体衬底背面生成腐蚀孔，光纤插入圆孔中，即与正面的探测器光敏面精确对准，实现真正意义上的探测器全方位自对准耦合，不仅大大提高尾纤-探测器组件中的耦合效率，从而提高光纤系统性能，而且耦合工艺简单，封装过程难度低，人力资源成本低，又能避免固化时和封装后光纤与探测器间的相对偏移。利用抗蚀膜掩蔽技术控制腐蚀孔的形状和大小，避免激光聚焦所带来的诸多问题，简化流程，工艺流程简单，控制方法容易，设备和环境要求较低，大大降低了实际生产的复杂程度，降低人力资源成本，适合于实际生产应用。
本发明的优点在于1)光纤入射光直接与探测器光敏面自动精确对准，避免复杂的对准工艺。
2)可以根据光纤的直径和实际需要灵活选择腐蚀孔的大小，使其与光纤很好地匹配，并能起到定位作用。
3)不需要对参与激光腐蚀的激光光束进行聚焦，便可得到微米级的腐蚀孔。
4)操作流程简单，工艺复杂性低，设施要求简单，适合于实际的大规模生产，节约大量的探测器与光纤对准时的人力资源费用，降低成本，提高劳动生产率和一次性成功率。


图1是现有的背部V形槽探测器基本原理结构图其中1是半导体衬底、2是V形槽、3是光纤；图2是圆孔型探测器腐蚀孔形成方法示意图其中1是半导体衬底、4是腐蚀圆孔、5是抗蚀膜、6是光敏面、7是激光光束；图3是光纤与探测器耦合示意图其中3是光纤、4是腐蚀圆孔、6是光敏面；图4是圆孔型探测器的典型结构图其中3是光纤、4是腐蚀圆孔、5是抗蚀膜、8是P+扩散区、9是阳极、10是本征区、11是N+扩散区、12是阴极。
具体实施例方式
实现带尾纤的InP衬底光电探测器的探测器-光纤全方位自对准耦合(如图4所示)步骤1准备好半导体InP衬底，根据制作光电探测器的设计要求，确定半导体衬底InP正面P+扩散区8的位置，半导体衬底正面P+扩散区8的位置对应的半导体衬底InP背面N+扩散区11的位置就是腐蚀圆孔4的位置，即背面光纤3光入射的位置；并确定探测器与光纤3之间实现耦合的腐蚀圆孔4的直径大小，腐蚀圆孔4的直径略大于光纤3的直径，以光纤3插入腐蚀圆孔4后不移位为准；腐蚀圆孔4的孔的深度以光纤3插入腐蚀圆孔4后不脱落为准，如图4所示；步骤2用抗蚀膜5把半导体衬底InP背面N+扩散区11除了腐蚀圆孔4以外的区域掩蔽好，如图4所示；步骤3将覆盖有抗蚀膜5的半导体InP衬底置于腐蚀液或者腐蚀气体中，在激光作用下实现激光腐蚀，在N+扩散区11上形成孔径与光纤3直径大小匹配的腐蚀圆孔4，如图4所示；步骤4将光纤3插入步骤3制备的腐蚀圆孔4内，光经过本征区10实现与正面的P+扩散区8精确对准，如图4所示。
步骤5根据需要，作上阳极9和阴极12。
经过以上步骤后，既可以很好地实现光纤与探测器之间的高效耦合，又能避免固化时和封装后光纤与探测器间的相对偏移。
权利要求
1.一种探测器-光纤耦合的全方位自对准方法，其特征是它采用下面的步骤步骤1准备好半导体衬底(1)，确定半导体衬底(1)正面光敏面(6)的位置，半导体衬底(1)正面光敏面(6)的位置对应的半导体衬底(1)背面的位置就是腐蚀圆孔(4)的位置，即背面光纤光入射的位置；并确定探测器与光纤之间实现耦合的腐蚀圆孔(4)的直径大小，腐蚀圆孔(4)的直径略大于光纤(3)的直径，腐蚀圆孔(4)的直径和深度以光纤(3)插入腐蚀圆孔(4)后不移位为准；步骤2用抗蚀膜(5)把半导体衬底(1)背面除了腐蚀圆孔(4)以外的区域掩蔽好；步骤3将覆盖有抗蚀膜(5)的半导体衬底(1)置于腐蚀液或者腐蚀气体中，在激光(7)作用下实现激光腐蚀，形成孔径与光纤直径大小匹配的腐蚀圆孔(4)；步骤4将光纤(3)插入步骤3制备的腐蚀圆孔(4)内，实现与正面的光敏面(6)精确对准。
2.根据权利要求1所述的一种探测器-光纤耦合的全方位自对准方法，其特征是所述的抗蚀膜采用氮化硅、碳化硅。
全文摘要
本发明提出了一种探测器－光纤耦合的全方位自对准方法，它是利用激光辅助腐蚀技术在半导体衬底背面生成腐蚀孔，制作圆孔型探测器。光纤插入圆孔中，即与正面的探测器光敏面精确对准，实现探测器－光纤全方位自对准耦合，不仅提高尾纤－探测器组件中的耦合效率，从而提高光纤系统性能，而且耦合工艺简单，封装过程难度低，又能避免固化时和封装后光纤与探测器间的相对偏移。制作圆孔时，利用抗蚀膜掩蔽技术控制腐蚀孔径的形状和大小，可避免激光聚焦所带来的诸多问题，简化流程，降低实际生产的复杂程度和人力资源成本，适合于推广应用。
文档编号G01D18/00GK1779418SQ20041008132
公开日2006年5月31日 申请日期2004年11月25日 优先权日2004年11月25日
发明者叶玉堂, 刘霖, 吴云峰, 赵素英, 杨先明, 范超, 王昱琳 申请人:电子科技大学