CN102124387A - 单片相干光探测器 - Google Patents

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CN102124387A CN2009801321098A CN200980132109A CN102124387A CN 102124387 A CN102124387 A CN 102124387A CN 2009801321098 A CN2009801321098 A CN 2009801321098A CN 200980132109 A CN200980132109 A CN 200980132109A CN 102124387 A CN102124387 A CN 102124387A
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陈阳闿
克里斯托弗·理查德·多尔
文森特·艾蒂安·霍茨玛
胡庭祯
安德烈亚斯·贝托尔德·莱文
戴维·托马斯·尼尔森
尼尔斯·京特·魏曼
章力明
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Abstract

光接收机包括单片集成光电回路，所述单片集成光电回路包括具有平面表面的衬底。沿平面表面，单片集成光电回路包括光混合器、一个或多个可变光衰减器和光电探测器。光混合器连接来接收光束，以将接收到的具有多个相对相位的光束的光进行干涉，且经由其光输出来输出干涉后的光。所述一个或多个可变光学衰减器中的每一个连接在相应的光输出和相应的光电探测器之间。

Description

单片相干光探测器
本申请要求Young-Kai Chen、Christopher R.Doerr、Vincent Houtsma、Andreas Leven、Ting-Chen Hu、David T.Neilson、Nils G.Weimann和Liming Zhang于2008年8月19日递交的题为“MONOLITHIC COHERENT OPTICAL DETECTORS”的美国临时申请No.61/189,557的权益。
技术领域
本发明一般地涉及光数据通信，更具体地，涉及用于光接收机的设备和方法。
背景技术
这一部分介绍了有助于更好地理解本发明的一些内容。因此，应该这样理解这一部分的陈述，即不应该将其理解为对于什么是现有技术或者什么不是现有技术的承认。
一些带宽高效光调制方案使用相移键控(phase-shift keying)而不是简单的开关键控(on-off keying)来将数据调制到光载波上。在这些方案中，光接收机可以使用光本地振荡器来从接收到的调制光载波中解调数据。本地振荡器提供参考信号，该参考信号用于将调制光载波下混频至例如基带。
在这些方案中，光接收机可以包括光分束器、90°光混合器、光本地振荡器和光电探测器。光分束器可以基于偏振来分离入射光束的不同偏振分量，以便分别进行处理。光混合器可以将接收到的调制光载波与来自光本地振荡器的相干光进行光学地混合以产生下混频的光信号。光电二极管可以探测这种下混频的光信号的强度来产生电信号，该电信号可用于恢复由接收到的调制光载波所携带的数据。
发明内容
各个实施例提出了平面衬底上的相干光接收机、制造这种光接收机的方法和/或操作这种光接收机的方法。该相干光接收机可以单片地集成光学部件和电学部件，所述光学部件将调制光载波与光参考载波光学地混合，所述电学部件根据由光学混合产生的信号来探测调制光载波所携带的同相和正交相位数据流。
在第一实施例中，光接收机具有单片集成光电回路，所述单片集成光电回路包括具有平面表面的衬底。沿平面表面，单片集成光电回路至少包括光混合器、一个或多个可变光衰减器和光电探测器。光混合器连接来接收光束，以将接收到的具有多个相对相位的光束的光进行干涉，并且经由其光输出来输出干涉后的光。所述一个或多个可变光学衰减器中的每一个连接在相应的光输出和相应的光电探测器之间。
在一些具体的第一实施例中，集成光电回路包括沿所述表面定位的偏振分束器和光本地振荡器。集成光电回路连接来从所述光本地振荡器接收光，使得偏振分束器将所述光分为两个光束。集成光电回路配置为执行所述分束，而不会在横电偏振模式和横磁偏振模式之间交换接收到的光的能量。
在一些具体的第一实施例中，光接收机包括反馈控制器，连接来操作可变光衰减器，以对由光混合器的第一光输出传送至一个光电探测器的时间平均光强度和由光混合器的第二光输出传送至另一光电探测器的时间平均光强度之间的差进行补偿。
在一些具体的第一实施例中，光混合器包括平面多模干涉器件，配置为在其不同的光学输出处输出光强度，所述光强度表示由光接收机接收到的调制光载波的不同的第一和第二相位分量。第一光接收机也可以包括反馈控制器，连接来按照以下方式操作光混合器中的移相器：减小光电探测器对同相和正交相位分量的光强度测量的时间平均之间的不平衡。
在一些具体的第一实施例中，单片集成光电回路沿平面表面包括：一对偏振分束器、第二光混合器、一个或多个第二可变光衰减器和第二光电探测器。第二可变光衰减器中的每一个连接在第二光混合器的相应光输出和相应的第二光电探测器之间。每一个光混合器连接来从两个偏振分束器接收光。每一个光混合器也可以配置为输出一个或多个光束，所述一个或多个光束的强度表示由光接收机接收到的调制光载波的同相分量上调制和调制光载波的正交相位分量上调制的数据。
在第二实施例中，光接收机包括平面衬底，所述平面衬底具有位于其表面上的多个半导体层。对所述层进行构图以在所述表面上形成两个光混合器、多个可变光衰减器；以及多个光电探测器。所述光混合器的一些光输出经由所述可变光衰减器连接至相应的光电探测器。所述光混合器和所述可变光衰减器包括垂直p-n、n-p、n-i-p或p-i-n掺杂的半导体层结构。
在一些具体的第二实施例中，可变光衰减器包括垂直顺序的光混合器的半导体合金。
在一些具体的第二实施例中，在没有偏置的情况下，光混合器和可变光衰减器的掺杂半导体层结构对于C波段通信波长处的光是透明的。
在一些具体的第二实施例中，光电探测器是光电二极管，所述光电二极管包括光混合器的半导体层结构中的多个半导体层。
在一些具体的第二实施例中，光接收机包括沿着所述表面并且位于所述表面上方的第一和第二偏振分束器。每一个偏振分束器配置为将其中接收到的光的一个偏振分量传输至第一光混合器，并且配置为将其中接收到的光的另一偏振分量传输至第二光混合器。
在第三实施例中，光接收机包括单片集成光电回路，所述单片集成光电回路包括具有平面表面的衬底。该回路包括沿所述表面定位的两个偏振分束器、两个光混合器和光电探测器。每一个光混合器连接来从两个偏振分束器接收光束，以将接收到的光束的光进行干涉，并且经由其光输出将干涉后的光输出至一些光电探测器。每一个偏振分束器包括干涉仪。所述干涉仪包括输入光耦合器、输出光耦合器和两个内部光波导，所述内部光波导将输入光耦合器的光输出连接至输出光耦合器的相应光输入。这两个光波导具有不同的横向宽度。
在一些具体的第三实施例中，干涉仪配置为在其一个光输出处发射一种偏振模式，在其另一输出处发射不同的偏振模式。
在一些具体的第三实施例中，光混合器之一包括平面多模干涉器件，配置为在其不同的光输出处输出光强度。这些光强度表示由光接收机接收到的调制光载波的不同的第一和第二相位分量。
在一些具体的第三实施例中，光混合器包括垂直p-n、n-p、n-i-p或p-i-n掺杂的半导体层结构。
在第四实施例中，光接收机包括单片集成光电回路，包括具有平面表面的衬底。沿所述表面，单片集成光电回路包括两个偏振分束器、两个光混合器和光电探测器。光接收机包括光本地振荡器。该回路连接来按照与被连接来接收参考光载波的偏振分束器的任一偏振分束轴不对齐的偏振模式，从光本地振荡器接收参考光载波。
在一些具体的第四实施例中，单片集成光电回路用于从光本地振荡器接收参考光载波并且分离其不同偏振模式的部分配置为实质上不会在横磁模式和横电模式之间转移参考光载波的光能量。
在一些具体的第四实施例中，每一个光混合器连接来从两个偏振分束器接收光束，以将接收到的光束的光进行干涉，以及经由其光输出来输出干涉后的光。
在一些具体的第四实施例中，光混合器之一包括平面多模干涉器件，配置为在其不同光输出处输出光强度。这些光强度表示由光接收机接收到的调制光载波的不同的第一和第二相位分量。
附图说明
在附图和具体实施方式部分中描述各种实施例。不过本发明可以按照不同的形式来实现，并且不局限于在附图和具体实施方式部分中所述的实施例。
图1A是示意性地示出了配置用于相干光探测的光接收机的一个实施例的顶视图；
图1B是示意性地示出了偏振分束器(PBS)的干涉仪实施例的顶视图，该PBS例如适用于图1A的PBS；
图1C是示出了一对光电二极管的操作电路的一个实施例的电路图，所述一对光电二极管对来自光混合器的光输出的光强度进行差分检测，例如用于与图1A的光混合器一起使用；
图2A是示出了图1的无源光波导的一个实施例的各部分的截面图，例如沿其中的O-O线、A-A线、B-B线和/或C-C线；
图2B是示出了图1的可变光衰减器的一个实施例的截面图，例如沿其中的D-D线；
图2C是示出了图1的光电探测器的一个实施例的截面图，例如沿其中的E-E线和/或F-F线；
图3A是示出了光混合器的一个实施例的顶视图，例如图1A的光混合器；
图3B是示出了光混合器的另一实施例的顶视图，例如图1A的光混合器；
图4A是示出了图1A和图2A的无源光波导的特定实施例的截面图；
图4B是示出了图1A和图2C的光电探测器的一个实施例的截面图；以及
图5是示出了图1的光接收机的一个实施例的一部分的部分顶视图。
在各附图中，相同附图标记表示具有相似或相同功能的元件。
在一些附图中，某些特征的相对尺寸可能进行了夸大以便更好地向本领域技术人员说明实施例。
具体实施方式
对在此描述的平面结构中的一些光偏振传播模式进行讨论，是有用的。这里，横电(TE)光指的是光的电场与传播方向垂直、且典型地也与衬底的相邻平面表面基本平行的最低传播模式。同样，横磁(TM)光指的是光的磁场与传播方向垂直、且典型地也与衬底的相邻平面表面基本平行的最低传播模式。TE光和TM光典型地形成平面波导结构中的正交传播模式。
图1A示出了光接收机10的示例，所述光接收机配置为对接收到的调制光载波的两个不同偏振分量(例如，正交的TE光和TM光)执行相干光学探测。在一些实施例中，光接收机10可以配置为作为偏振分集(polarization-diverse)器件来操作，所述偏振分集器件按照与接收到的调制光载波的实质上平面偏振基本无关的方式对接收到的调制光载波进行解码。在一些其他实施例中，光接收机10可以配置为对分别在光载波的两个正交平面偏振分量上调制的第一和第二数据流进行独立地解码。
在其他实施例中，光接收机10可以配置为只对接收到的调制光载波的单一偏振分量进行解码，并且例如不包括偏振分束器(PBS)18a、18b。
光接收机10从第一光波导12接收已调制的光载波，并且从第二光波导14接收参考光载波。调制光载波可以由第一光波导12从光通信线路传送而来。参考光载波可以由第二光波导14从光本地振荡器16传送而来。光本地振荡器16可以包括例如激光器，该激光器以大约为从第一光波导12接收到的调制光载波的波长，产生相干连续波光用于参考光载波。实际上，光本地振荡器16可以被相位和/或频率锁定至调制光载波，或者可以并非如此。
第一光波导12可以是例如在C波段和/或L波段通信波长处支持单模工作的标准传输光纤。第一光波导12可以例如经由准直透镜而端面耦合至光接收机10。
第二光波导14可以将选定平面偏振态(例如TM光和TE光的旋转)的参考光载波传送至光接收机10。例如，第二光波导14可以是保偏光纤或者一串相接合(spliced)的保偏光纤。第二光波导12也可以经由准直透镜而端面耦合至光接收机10。第二光波导14例如在第二光波导14的另一端面处从光本地振荡器16接收光。
光接收机10包括沿衬底的平面表面定位的单片集成光电回路。该集成光电回路可以包括偏振分束器(PBS)18a、18b；光混合器20a、20b；可变光衰减器22a、22b、22c、22d；以及光电探测器24a、24b，并且例如可以包括电跨导放大器。
在具有PBS 18a、18b的实施例中，第一PBS 18a例如经由保偏光波导(PMOW)连接来从第一光波导12接收调制光载波，第二PBS 18b类似地连接来经由第二光波导14接收光本地振荡器16的光。
第二光波导14可以配置为按照特定的平面偏振态将光传送至单片集成光电回路。具体地，该单片集成光电回路的光学部件典型地将不会旋转接收到的光的偏振态。例如，保偏光波导(PMOW)，偏振分束器(PBS)18a、18b，光混合器20a、20b和可变光衰减器22a、22b、22c、22d典型地不会执行这种旋转。即，单片集成光电回路以及第二PBS 18b配置为实质上不会使外部传送至第二光波导14的光能在横磁模式与横电模式之间转移。为此原因，将参考光载波按照特定的偏振态传送可以合意地并且可预测地影响单片集成光电回路对调制光载波的处理。
一种满意的传送模式将所传送的参考光载波的偏振按照相对于第二PBS 18b的偏振轴成约45°的角度对齐。例如，第二光波导14可以按照相对于PBS 18b的偏振轴倾斜约45°(例如约40°至50°)的偏振，来传送参考光载波。对于这种传送结构，PBS 18b将典型地向其每一个光输出发送大致相等的光强。
为了产生上述配置，光本地振荡器16可以被对齐为向第二光波导14发射偏振沿着其中一个偏振轴对齐的光，并且第二光波导14的该偏振轴可以相对于下部的PBS 18b的偏振轴倾斜约45°。可选地，第二光波导14的第一段可以具有与PBS 18b的偏振轴对齐的偏振轴，但是对其进行激励以携带相对于第二光波导14的偏振轴成约45°偏振的参考光载波的光。这种激励可以通过将光本地振荡器16对齐为发射沿保偏光纤的第二段的偏振轴偏振的光来产生，在保偏光纤中将第二段与第一段接合，使得这两段的偏振轴相对倾斜约45°，例如40°至50°。
如果该平面光回路的光学部件具有偏振相关的插损，可以将所传送的参考光载波的偏振相对于PBS 18b的纯(pure)偏振轴的倾斜调节为远离45°。具体地，可以将该倾斜设置为使更多的光耦合到承受平面光回路中最高损耗的偏振分量中。这种倾斜可能有助于当参考光载波在平面光回路中与调制光载波混合时对参考光载波的两种偏振的强度进行平衡。
图1B示出了可以适用于图1A的PBS 18a、18b的平面PBS 18的示例。平面PBS 18包括1×2输入光耦合器(IOC)、2×2输出光耦合器(OOC)以及第一和第二无源内部光波导(PIOW)，所述无源内部光波导分别将输入光耦合器IOC的光输出连接至输出光耦合器OOC的光输入。输入和输出光耦合器可以具有例如常规的50/50功率光耦合器的形式。第一和第二无源内部光波导PIOW具有横向宽度不同的第一和第二长段1、2。无源内部光波导PIOW还包括光过渡区5，该光过渡区5将具有不同横向宽度的段绝热地(adiabatically)连接至光耦合器IOC、OOC。
第一和第二段1、2的横向宽度差对于第一和第二无源内部光波导PIOW中的TE光和TM光产生不同的相对光程长度。在这两个光波导之间，对于TE光的相对光程长度差减去对于TM光的相对光程长度差大约等于L[(nTE-nTM)1-(nTE-nTM)2]。这里，L是无源内部光波导PIOW的第一和第二段1、2的长度，nTE和nTW分别是其中的TE光和TM光的折射率，下标“1”和“2”，即nTE1、nTE2、nTM1、nTM2分别指的是第一和第二无源内部光波导PIOW。
在PBS 18中，选择第一和第二段1、2的长度L和宽度，以在输出光耦合器OOC中进行干涉的光之间产生所需的相对相位差。具体地，选择所述相对相位差，使得在选定的波段至，PBS 18的第一光输出3基本上只发射TE光，PBS 18的第二光输出4基本上只发射TM光。对于通信C波段中的光，如果第一段1的脊具有约1.5至2.5微米的横向宽度(例如2微米)且第二段2的脊具有约3.5至4.5微米的横向宽度(例如4微米)，则可以实现TE光和TM光的这种所需分离。这种芯区宽度可以在段1、2之间对于TE光和TM光产生约2.5×10-3的折射率差。于是，选择段1、2的长度L，使得TM光在输出光耦合器OOC的第一光输出3中相消干涉，而TE光在输出光耦合器OOC的第二光输出4中相消干涉。因此，选择段1、2的长度L和宽度，以使PBS 18充当偏振模式分离器。
在Christopher Doerr于2008年8月19日递交的题为“PLANARPOLARIZATION SPLITTER”的美国专利申请中描述了用于PBS的一些类似或相同结构和/或制造和/或使用这种PBS的方法。将该专利申请整体结合在此作为参考。
在其他实施例中，本领域技术人员已知的其他平面构造可以用于制造图1A的偏振分束器18a、18b。
PBS 18a、18b的光输出例如经由保偏光波导(PMOW)连接至光混合器20a、20b的光输入。
每一个光混合器20a、20b具有两个光输入和两对光输出，并且被配置为将在一个光输入上接收到的参考光载波的光的偏振模式与在另一光输入上接收到的调制光载波的光的相同偏振模式进行混合。即，每一个光混合器20a、20b连接为从两个PBS 18a、18b的相应输出接收并且实质上干涉相同偏振模式的光。为此原因，每一个PBS 18a、18b可以配置为在其一个光输出上提供高纯度偏振模式。例如，PBS 18a可以配置为在与第一光混合器20a相耦合的光输出上产生高纯度TE光，PBS 18b可以配置为在与第二光混合器20b相耦合的光输出上产生高纯度TM光。对于PBS18a、18b的这种设计对于确保每一个光混合器20a、20b所输出的光提供对于单独偏振模式的测量，可以是有用的。在图1B的PBS 18中，例如可以通过略微地调节无源内部光波导PIOW的两段1、2的相对长度，来产生这种选择性的高输出偏振纯度。
每一个光混合器20a、20b配置为在第一对光输出处发射这样的光强度，所述光强度的差大致与调制光载波的相关偏振模式的同相分量的强度成比例，并且配置为在另外的第二对光输出处发射这样的光强度，所述光强度的差大致与调制光载波的相同偏振模式的正交相位分量的强度成比例。即，对于与接收到的调制光载波相匹配的光本地振荡器频率和相位，一对光输出实现调制光载波的同相分量的差分检测，而另一对光输出提供调制光载波的相对90°或270°延迟相位分量即正交相位分量的差分检测。
在一些备选实施例中，可以按照适用于单端检测(未示出)的方式来构造光混合器20a、20b。在这种实施例中，来自每一个光混合器20a、20b的第一光输出的光强度大致与接收到的调制光载波的一个偏振模式的同相分量的强度成比例。在这种实施例中，每一个光混合器20a、20b的第二光输出所输出的光强度大致与调制光载波的相同偏振模式的正交相位分量的强度成比例。
每一个光混合器20a、20b具有光输出，在光输出中接收到的调制光载波和参考光载波的光发生干涉。在一对光输出或者例如备选的单端实施例的单一光输出处，干涉所产生的光的强度是调制光载波的一个相位分量的测量。在另一对光输出或单独光输出(未示出)处，以不同的相对相位差(例如，约90°的相对相位)执行干涉，使得其中的光强度提供对于调制光载波的另一个相位分量的测量。例如，这两个测量的相位分量可以是调制光载波的同相和正交相位分量。
光混合器20a、20b的一些或所有光输出可以串联连接至相应的可变光衰减器(VOA)22a、22b、22c、22d。VOA 22a-22d使得能够调节在单独的光输出处产生的光强度。例如，光混合器20a、20b的每一个光输出可以如图1A所示连接至单独的VOA 22a-22d，使得可以单独地调节来自该组光输出的光强度为基本上相等，例如响应于在将光传输至VOA 22a-22d的单独光波导中的时间平均光强度的任意集合。VOA 22a-22d的这种配置可以配置为对光混合器20a、20b的光输出所发射的相对光强度中的变化进行校正，其中所述变化是由光接收机10的制造误差和/或使用相关老化而引起的。
VOA 22a-22d的示例包括对于光电探测器的垂直结构，所述光电感测器可以电学地操作来提供变化量的光衰减。在这些垂直结构中，可以在波导脊两端施加电压以偏移波导脊层的带边，使得带隙小于正由光接收机10处理的光的单光子的能量，从而在该层中引起光吸收。
每一个光电探测器24a、24b定位并且配置为探测由光混合器20a、20b之一的相应光输出发射的光强度。各光电探测器24a、24b可以是例如光电晶体管或光电二极管。光电探测器24a、24b可以成对连接，例如顺序连接的光电二极管，以提供对来自光混合器20a、20b的每一对相应光输出的光强度的差分检测。备选地，光电探测器24a、24b也可以是单端光电二极管或者光电晶体管，所述单端光电二极管或光电晶体管连接为实现对光混合器20a、20b的各单独光输出(未示出)所发射的光强度的直接测量。
在多种实施例中，光电探测器24a、24b测量光强度，所述光强度实现了对接收到的调制光载波的不同相位分量(例如同相和正交相位分量)上所调制的数据的检测。与不同光混合器20a、20b的光输出相连的光电探测器24a、24b对与接收到的调制光载波的不同偏振模式(例如TE模式和正交的TM模式)上所调制的数据相对应的光强度进行测量。
光电探测器24a、24b可以连接至对其测量进行各种处理的电路，例如模数转换器(未示出)和数字信号处理器(DSP)26。首先，该电路可以提供偏振分集检测并且对接收到的调制光载波所承载的数据流进行解码。其次，该电路可以交替地提供在接收到的调制光载波的不同偏振模式(例如TM模和TE模)上调制的独立数据流的检测和解码。
图1C示出了针对图1A中光电探测器24a、24b的一个实施例的工作电路的一个实施例。在该实施例中，每一个光电探测器24a、24b是光电二极管，并且光电二极管连接成串联连接的对，这些串联连接的对提供对于来自光混合器20a、20b的光输出的光的差分检测。在每一个串联连接对中，外侧端子连接在DC电压驱动器两端，即示出为±V端子。每一个串联连接对的外侧端子还经由DC隔离电容器C1接地(G)。DC隔离电容器C1可以在不同的串联连接光电二极管对24a、24b之间共享。外侧端子也可以将每一对串联连接光电二极管24a、24b连接在电容器C2两端，电容器C2切断高频信号的检测。电容器C2也可以在不同的这种串联连接二极管对24a、24b之间共享。每一对中串联连接的光电二极管24a、24b之间的端子S承载的电流表示由该对光电二极管24a、24b探测到的光强度之差。该端子可以连接至电放大器(AMP)，例如跨导电放大器，以提供电输出信号。电放大器(AMP)可以将所述电输出信号传输至模数转换器(A/D)进行数字化，然后再由DSP 26进行处理例如从数字化的信号解码出数据流。
再参考图1A，由于在参考光载波和接收到的调制光载波之间缺少完美的频率、相位和/或偏振匹配，数字信号处理器DSP 26还可以配置为对缺少这种完美的频率、相位和/或偏振匹配进行补偿。为此原因，DSP 26可以从相应的光电探测器24a、24b组接收被放大和数字化的电输出信号，并且对所述电输出信号执行这种补偿。在一件或多件美国专利申请中可以找到对于这种DSP 26的设计示例，例如Ut-Va Koc于2006年12月22日递交的美国专利申请No.11/644,555，Young-Kai Chen等人于2005年8月15日递交的美国专利申请No.11/204,607；以及Young-Kai Chen等人于2006年12月22日递交的美国专利申请No.11/644,536。将这三件专利申请整体结合在此作为参考。
光接收机10可以包括平面光电集成回路，如图2A、2B和2C所示，该平面光电集成回路将PBS 18a、18b，光混合器20a、20b，VOA 22a-22d和光电探测器24a、24b单片集成在单一半导体或电介质平面衬底30上的分层结构中。例如图1A-1C所示的电放大器(AMP)、模数转换器(A/D)和DSP之类的其他相关电路可以或者也可以不单片集成在该衬底30上。按照单片集成形式制造这种混合光电回路可以改进生产率和/或减小相干光探测器10的制造成本。
图2A沿图1A的例如横截面O-O、A-A、B-B和C-C示出了光接收机10的无源部分和保偏平面光波导部分的垂直层结构的示例。每一个平面光波导可以具有位于衬底30之上的脊32的形式。每一个脊32包括光芯区层34以及顶部和底部的光覆层36、37。脊32可以由外光覆层38覆盖，例如对该外光覆层进行平坦化以便为光接收机10产生平坦顶部表面。
脊32在其各层34、36、37中包括多种化合物半导体合金。脊32具有例如由于适当掺杂而导致的电学二极管的垂直结构。尽管在图2A中将顶部至底部垂直掺杂结构示出为p型(p)/本征(i)/n型(n)，但是其他实施例可以具有其他的顶部至底部垂直掺杂结构，例如p-n、n-i-p或n-p。此外，衬底34的上部半导体部分39可以适当地是p型或者n型层。外光覆层38可以是折射率比脊32的半导体低的光透明材料，例如苯并环丁烯(BCB)聚合体、掺杂或非掺杂石英玻璃或者氮化硅。外光覆层38可以已经通过诸如化学机械抛光(CMP)之类的常规工艺进行了平坦化以在其上产生平坦的暴露表面。
图2B示出了图1A的可变光衰减器(VOA)22a-22d之一的垂直层结构的截面图，例如沿横截面D-D。VOA 22a-22d可以具有与图2A所示的无源光波导基本相同的垂直层结构。此外，每一个VOA 22a-22d包括位于脊32顶部上的顶部导电电极40以及沿衬底30的上部半导体部分39的一个或多个底部导电电极42。所述一个或多个底部导电电极42可以沿着相应半导体脊32的一条或两条侧边定位或者位于其附近。将顶部和底部电极40、42放置为使得能够在操作期间在与半导体脊32相关联的电学二极管结构两端施加电压。所得到的电场使沿着VOA的脊32传播的光信号衰减，例如经由Franz-Keldysh效应。
因为VOA 22a-22d配置为经由Franz-Keldysh效应对光进行衰减，图2A-2B所示的VOA 22a-22d和无源光波导的垂直掺杂分布可以用另一种垂直掺杂分布来代替。具体地，在备选实施例中，可以用n-i-n垂直掺杂分布或者p-i-p垂直掺杂分布来代替图2A-2B的p-i-n垂直掺杂分布。
图2C示出了图1A的光电探测器24a-24b的实施例中层结构的截面图，例如沿其中的横截面E-E和F-F。在该实施例中，每一个光电探测器24a-24b具有电学二极管的垂直层结构，包括图2A的半导体层和附加的半导体层43、44。附加层43、44使得能够实现电荷载流子对的光子激发，以产生电流或电压用于检测光电二极管24a-24b中传播的光。例如，附加半导体层43、44中的一个或多个可以由带隙能量比图2A所示的无源光波导中的脊32的带隙能量低的半导体合金形成。这种不同半导体合金中的一个或多个可以具有例如小于通信C波段和/或L波段中光子能量的带隙，以使得能够在这些通信波段之一中充当光电探测器。
在图2C中，光电二极管24a-24b的垂直层结构典型地也包括平坦化/外光覆层38以及顶部和底部导电电极40、42。平坦化/外光覆层38具有比光芯区低的折射率，并且可以具有或者可以不具有与图2A-2B的外覆层38相同的成分。顶部导电电极40位于相应半导体脊32的顶部上。一个或多个底部导电电极42位于沿相应半导体脊32的侧边之一或者两条侧边或其附近的上部半导体层39上。
图3A示出了可以适用于图1A的光混合器20a、20b的90°光混合器20的平面构造示例。光混合器20包括两个1×2或2×2输入光耦合器52、两个2×2输出光耦合器54、四个无源内部光波导PIOW和移相器56。四个无源内部光波导PIOW将输入光耦合器52的光输出分别连接至输出光耦合器54的光输入。移相器56配置为在传送至第一输出光耦合器52和第二输出光耦合器54的参考光载波的光之间产生约90°的相对相移，并且该移相器56在一些实施例中可以如下所述进行调节。由于相对相移，来自第一和第二输出光耦合器54的光输出的光的强度提供对于在接收到的调制光载波的不同相位分量上(例如，在90°相对相移的同相和正交相位分量上)所调制的数据的测量。各光耦合器52、54可以是常规的50/50光耦合器，所述50/50光耦合器将从其每一个光输入接收到的光强度的约50％引导至其每一个光输出。每一个输出光耦合器54将输入到其中的两个光信号之和传输至其一个光输出，并且将输入到其中的两个光信号之差发送至其另一个光输出。制造这种光耦合器52、54对于本领域技术人员而言是众所周知的。
在一些实施例中，相位延迟56可以是可变的，并且由与其电学或光学耦合的外部控制器(未示出)来控制。例如，外部控制器可以对由不同的两对串联连接光电二极管24a、24b采样的调制光载波部分的相对相位进行时间平均测量，例如基于由所述光电二极管24a、24b对所测量的光强度。这些测量可以通过这种外部控制器反馈，以在操作期间调节光混合器20的相位延迟56。相位延迟56的这种反馈调节能够产生可以更好地对具有90°相对相位的调制光载波相位分量(例如同相和正交相位分量)进行区分的光混合器20a、20b。
图4A和4B示出了图2A和图2C的光学和电学部件的一个实施例。这些实施例可以制造在电绝缘或半绝缘的晶体化合物半导体衬底30上。这里，衬底30可以是常规的磷化铟(InP)衬底。
图4A示出了用于图2A的无源光波导结构的垂直半导体层结构的示例。在示例性的掺铁绝缘或半绝缘InP(Fe-InP)衬底30上，脊32的底部至顶部层结构可以包括：n型InP(n-InP)的底层37；铟镓砷磷中间本征层(i-InGaAsP)34、磷化铟中间本征层(i-InP)36a；以及p型磷化铟(p-InP)的顶层36b。n-InP的组合底层39、37在脊32之中和之下的区域中具有例如约1.5微米(μm)的厚度，并且具有每立方厘米约1×1018个硅(Si)原子的n型掺杂剂浓度。i-InGaAsP中间层34具有例如0.1至0.3μm的厚度，例如约0.17μm。i-InGaAsP中间层34具有的合金成分产生大于通信C波段中任何单个光子能量的带隙，例如所述带隙可以是波长为1.4μm的光子的能量。i-InGaAsP层34的带隙波长大于InP的带隙波长，因为InGaAsP层34用作波导的芯区。i-InP中间层36a具有例如约0.450μm至0.500μm的厚度。p-InP顶层36b具有例如约1.3μm的厚度，以及每立方厘米约1×1018至2×1018个锌(Zn)原子的p型掺杂剂浓度。
在垂直半导体层结构的这一示例中，将InP层和InGaAsP层两者均构造为具有比光接收机10配置为工作的通信波长处的单个光子能量大的带隙。为此原因，该实施例的无源光波导在相关的光通信波长处是光透明的。
在这一相同的实施例中，如图2A所示，无源光波导由BCB、掺杂二氧化硅、氮化硅或聚酰亚胺的钝化层38覆盖。
在这一相同的实施例中，图1A的光混合器20a、20b可以具有与图4A相同或者类似的垂直半导体层结构。对于这种垂直半导体层结构，图3B示出了基于光多模干涉器件的光混合器20a、20b的一个实施例20’。
光混合器20’包括矩形自由空间光学区域58，在其第一端面处具有用于保偏光波导PMOW的分离光输入，以及在其第二端面处具有用于保偏光波导OW的四个光输出。针对光通信的C波段中的工作波长，矩形自由空间光学区域58可以具有约1.1毫米的长度L和约24μm的宽度W。对于这种选定的工作波长，矩形自由空间光学区域58具有约4.0μm横向宽度的光输入和输出。光输入和输出在矩形自由空间光学区域58的每一个端面处具有相同的尺寸和布局，并且关于矩形自由空间光学区域58的中线CL对称地放置。具体地，在矩形自由空间光学区域58的两个端面处，两个光输入和输出的中心距中线CL约2.7μm，而另外两个光输入和输出的中心距中线CL约9.3μm。
光混合器20’配置为使得多种模式能够在矩形自由空间光学区域58中传播。在工作波长范围中，光混合器20a、20b该实施例的几何形状使得可以将数据调制光载波的光束和参考光载波的光束分别注入到光输入A和B中，即从左侧注入。对于这种设置，来自右侧光输出A’和D’的光强度差可以提供对调制光载波的同相分量的测量，来自右侧光输出B’和C’的光强度差可以提供对调制光载波的正交相位分量的测量。
本领域技术人员能够修改图3B的光混合器20’的设计，以工作在另一选定波段，例如光通信的L波段。例如，一种这样的修改可以包括随着选择用于工作的波长而缩放光混合器20的光学特征的横向尺寸。
在相同的实施例中，图2B的VOA 22a-22d也可以具有图4A所示的垂直半导体层结构。VOA 22a-22d还具有顶部和底部导电电极40、42。顶部和底部电极40、42可以例如由以每立方厘米约1×1018至2×1019个Zn原子的浓度分别掺杂有Si和Zn的重掺杂InGaAs来形成，或者可以由金属层形成。
图4B示出了针对图4A的相同实施例，图2C的光电二极管24a-24的垂直半导体层结构的示例。在示例的Fe掺杂InP衬底30上，光电二极管24a-24b的脊32具有如下垂直半导体层结构：包括图3A的n-InP底层37、39和i-InGaAsP中间层34，即无源光波导的i型和n型半导体层。从底部至顶部，光电二极管24a-24b的垂直半导体层结构接下来包括i-InP的薄间隔层或阻挡层34a、InGaAs层44、p型InP层43和重掺杂p型InGaAs顶层40。i-InP间隔层或阻挡层34a具有例如约0.010μm的厚度。InGaAS层44具有例如约0.300μm的厚度。在InGaAs层44中，下部的2/3是本征掺杂的，并且上部的1/3是p型掺杂的，例如每立方厘米约1×1017个Zn原子。p型InP层43具有例如掺杂有每立方厘米约1×1018个Zn原子、约0.100μm厚的下部，以及掺杂有每立方厘米约1×1018至2×1018个Zn原子、约1.3μm厚的上部InP层。重掺杂p型InGaAs顶部导电层40可以掺杂有每立方厘米约1×1019个Zn原子。
相对于图3B和图4A-4B，可以利用在为微电子制造领域的技术人员众所周知的常规沉积、化合物半导体生长、掺杂、退火和掩模控制刻蚀工艺来形成各种结构。在各种工艺中，可以按照不同的顺序执行层生长、掺杂和刻蚀工艺的顺序，以产生所示的半导体结构。
图5示出了用于电隔离图1A和图2A-2C的光接收机10的横向相邻光电二极管24a、24b的示例构造。该构造包括在每一个光电二极管24a、24b以及与其相耦合的相邻保偏光波导PMOW周围的刻蚀伸长U型沟槽60。每一U型沟槽60例如向下穿过中间的半导体层至图2A-2C的绝缘或半绝缘衬底30。为此原因，U型沟槽60基本上阻断了不同光电二极管24之间泄露电流的电学路径。
在图5的实施例中，沿保偏光波导PMOW的路径仍然存在一些泄露。如果沟槽60沿保偏光波导PMOW足够长的段延伸(例如大于1mm)，并且如果沟槽壁足够靠近波导(例如小于7微米)，则这种泄露较小。在这种情况下，这种泄露路径的电阻足够高(例如，大于1千欧)，以将不同光电二极管24之间的电串扰减小到可忽略的水平。
相对于图5，可以经由常规掩模控制湿法刻蚀工艺来制造U型沟槽60。例如，可以利用HBr和/或HCl、H2O2和乙酸的水溶液来执行湿法刻蚀。
根据这些公开、附图和权利要求，本发明的其他实施例对于本领域普通技术人员而言是清楚明白的。

Claims (10)

1.一种光接收机，包括：
单片集成光电回路，所述单片集成光电回路包括具有平面表面的衬底，沿所述平面表面，所述单片集成光电回路至少包括光混合器、一个或多个可变光衰减器和光电探测器；以及
其中所述光混合器被连接来接收光束，以将接收到的具有多个相对相位的光束的光进行干涉，并且经由其光输出来输出干涉后的光，所述一个或多个可变光衰减器中的每一个连接在相应的光输出和相应的光电探测器之间。
2.根据权利要求1所述的光接收机，还包括反馈控制器，所述反馈控制器被连接来操作所述可变光衰减器，以对由所述光混合器的第一光输出传送至一个光电探测器的时间平均光强度和由所述光混合器的第二光输出传送至另一光电探测器的时间平均光强度之间的差进行补偿。
3.根据权利要求1-2所述的光接收机，其中所述光混合器包括平面多模干涉器件，所述平面多模干涉器件配置为在其不同的光输出处输出光强度，所述光强度表示由光接收机接收到的调制光载波的不同的第一和第二相位分量。
4.根据权利要求3所述的光接收机，还包括反馈控制器，所述反馈控制器被连接来按照以下方式操作光混合器中的移相器：减小光电探测器对调制光载波的同相和正交相位分量的光强度测量的时间平均之间的不平衡。
5.根据权利要求1所述的光接收机，
其中所述单片集成光电回路沿所述平面表面还包括：一对偏振分束器、第二光混合器、一个或多个第二可变光衰减器和第二光电探测器；以及
其中第二可变光衰减器中的每一个连接在第二光混合器的相应光输出和相应的第二光电探测器之间；以及
其中每一个光混合器被连接来从两个偏振分束器接收光。
6.根据权利要求5所述的光接收机，
其中光学回路包括两个偏振分束器；以及
其中每一个光混合器被连接来从两个偏振分束器接收光束；以及
其中每一个偏振分束器包括干涉仪，所述干涉仪包括输入光耦合器、输出光耦合器和两个内部光波导，所述内部光波导将输入光耦合器的光输出连接至输出光耦合器的相应光输入，所述两个光波导具有不同的横向宽度。
7.根据权利要求6所述的光接收机，其中所述干涉仪配置为在其一个光输出处发射一种偏振模式，而在其另一输出处发射不同的偏振模式。
8.一种光接收机，包括：
单片集成光电回路，所述单片集成光电回路包括具有平面表面的衬底，所述单片集成光电回路沿所述表面包括两个偏振分束器、两个光混合器和光电探测器；以及
光本地振荡器，被连接为按照与被连接来接收参考光载波的偏振分束器的任一偏振分束轴不对齐的偏振模式，从光本地振荡器接收参考光载波。
9.根据权利要求8所述的光接收机，其中所述单片集成光电回路用于从光本地振荡器接收参考光载波、并且对参考光载波的不同偏振模式进行分离的部分配置为实质上不会在横磁模式和横电模式之间转移参考光载波的光能量。
10.根据权利要求8-9所述的光接收机，其中每一个光混合器被连接来从两个偏振分束器接收光束，以将接收到的光束进行干涉，且经由其光输出来输出干涉后的光。
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