CN102694050B - 光接收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光接收器，其中提供一种锥形波导，连接于输入波导和光电二极管之间。随着所述锥形波导从连接至所述输入波导的输入端向连接至所述光电二极管的输出端延伸，所述锥形波导的宽度增加。所述锥形波导具有最优半发散角以便当从所述输入波导接收光信号时使高阶模激活。所述光电二极管具有恒定的宽度，或是随着所述光电二极管从所述锥形波导的输出端延伸出去，所述光电二极管的宽度增加，所述光电二极管的半发散角等于或小于所述锥形波导的半发散角。

Description

光接收器
相关申请的交叉引用
本申请基于在2011年3月22日提交的申请号为2011-062291的在先日本专利申请并要求该申请的优先权，该在先申请的全部内容通过引用的方式合并在本申请中。
技术领域
本发明涉及包括安装在一个基底上的波导和光电二极管的光接收器，以使光电二极管接收通过波导传播的光信号。
背景技术
作为接收用于相干光通信等的正交相移键控(QPSK)信号的装置，由集成有光电二极管的混合光波导组成的集成波导光接收器在尺寸缩减和装配成本降低方面前景广阔。混合光波导将相位调制光信号转换为强度调制光信号。多模干涉(MMI)波导等通常作为混合光波导使用。
形成在基底上的波导和光电二极管例如使用对接结构(butt jointstructure)彼此耦接。在对接结构中，通过波导的光信号直接进入光电二极管的吸收层。因此，即使在光信号的传播方向上缩减了光电二极管的尺寸，仍然能维持高的光吸收效率。
另一方面，在对接结构中，大部分入射光从光电二极管的光入射端(输入端)在几微米长的非常窄的区域内被吸收。因此，光载流子密度易于在光入射端附近增大。如果入射光的强度很高，光载流子易于在光电二极管的吸收层中累积。由于累积的光载流子所产生的电场使外加电场强度降低，因此，光电二极管的工作带宽变窄。
已经提出这样的技术：使用设置在输入波导和光电二极管之间的MMI波导，以在光强度分布的宽度方向上降低峰值。如果单模光信号进入MMI波导，两个或多个峰值会出现在MMI波导的光发射端(输出端)处的光强度分布中。因此，每个峰值的光强度降低。因此，由入射光导致的光载流子密度的局部升高能被抑制。
已有的使用锥形波导将通过单模光信号波导传播的光信号被锥形波导均分到两个或更多个输出端的光波导器件通常也被认为是具有与MMI波导相同功能的光波导装置。
现有技术文献
1.公开号为2001-127333的日本公开专利
2.公开号为2002-243961的日本公开专利
3.K.Hyun等，“用于高功率的多模干涉仪馈入InGaAs波导光电二极管(Multimode Interferometer-Fed InGaAs Waveguide Photodiode for HighPower Detection)”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.47，No.11，(2008)pp.8426-8429
发明内容
如果MMI波导设置在输入波导和光电二极管之间，在光发射端会出现两个或多个峰值。峰值之间的光强度显著地低于峰值强度。这导致光电二极管的光吸收层在宽度方向上的光载流子密度分布发生改变。如果入射光通过光电二极管传播，则宽度方向上的光强度分布可以改变，在一些情况下，光强度的变化增大。因此，随着入射光强度的增加，光载流子密度可能局部增大。
越来越期望有一种技术：即使入射光的强度不断增大，也能抑制峰值光强度的上升。
根据本发明的一个方案，一种光接收器，包括：
输入波导，形成于基底上；
光电二极管，形成于所述基底上；以及
锥形波导，形成于所述基底上，连接在所述输入波导和所述光电二极管之间，并且随着所述锥形波导从与所述输入波导相连的输入端向与所述光电二极管相连的输出端延伸，所述锥形波导的宽度增加，
其中，所述锥形波导的半发散角配置为：当从所述输入波导接收光信号时使高阶模激活，以及
所述光电二极管具有恒定的宽度或随着所述光电二极管从所述锥形波导的输出端延伸出去时，所述光电二极管的宽度增加，所述光电二极管的半发散角等于或小于所述锥形波导的半发散角。
根据本发明的另一个方案，一种光接收器，包括：
输入波导，形成于基底上；
光电二极管，形成于所述基底上；以及
锥形波导，形成于所述基底上，连接在所述输入波导和所述光电二极管之间，并且随着所述锥形波导从与所述输入波导相连的输入端向与所述光电二极管相连的输出端延伸，所述锥形波导的宽度增加，
其中，所述锥形波导的半发散角θ在以下范围内：
θ≥-0.08Wo2+2.37Wo-11.5，以及
θ≤-0.04Wo2+1.16Wo+0.0145，
其中，Wo[μm]表示所述锥形波导在所述锥形波导与所述光电二极管间的接合处的宽度，并且θ[°]表示所述半发散角，以及
所述光电二极管在与所述锥形波导的接合处的宽度等于或大于所述锥形波导在输出端的宽度，随着所述光电二极管从所述锥形波导的所述输出端延伸出去，所述光电二极管的宽度增加，并且具有以下范围内的半发散角θpd：
0≤θpd≤-0.04Wo2+1.16Wo+0.0145。
根据本发明的再一个方案，一种光接收器，包括：
混合波导，形成于基底上，具有两个输入端口，每个所述输入端口设计成接收相移键控光信号或本地振荡器光，并且具有两个或多个输出端口，每个所述输出端口设计成发射通过转换所述相移键控光信号所生成的强度调制光信号，
两个或多个输入波导，形成于所述基底上，每个所述输入波导连接所述混合波导的多个输出端口中的一个，
多个光电二极管，形成于所述基底上，每个所述光电二极管耦接至所述多个输入波导中的一个，以及
多个锥形波导，形成于所述基底上，连接在所述输入波导和相关的光电二极管之间，
其中，每个所述锥形波导的半发散角配置为：当从相关所述输入波导接收光信号时使高阶模激活，以及
每个所述光电二极管具有恒定的宽度或随着所述光电二极管从所述锥形波导的输出端延伸出去，所述光电二极管的宽度增加，所述光电二极管的半发散角等于或小于所述锥形波导的半发散角。
通过权利要求中特别指出的元件及其组合会实现和得到本发明的目的和优点。
可以理解的是，如权利要求所述，上述概括的描述和以下详细的描述都是示例性的和解释性质的，并不限制本发明。
附图说明
图1是根据实施例1的光接收器的俯视图，并且图1B是沿着图1A给出的点划线1B-1B的横截面图。
图2A、2B以及2C是分别沿着图1A给出的点划线2A-2A、2B-2B以及2C-2C的横截面图。
图3A是根据对照例的光接收器的局部俯视图，图3B是根据实施例1的光接收器的局部俯视图，并且图3C和3D分别是根据实施例1的改型1和2的光接收器的局部俯视图。
图4是示出图3A和3B给出的光接收器的MMI波导和锥形波导的光发射端的宽度方向上的光强度分布的仿真结果的曲线图。
图5A是示出图3A和3B示出的光接收器中的光电二极管在传播方向上的最大峰值强度分布的仿真结果的曲线图，并且图5B是示出图3B、3C以及3D示出的光接收器中的光电二极管在传播方向上的最大峰值强度分布的仿真结果的曲线图。
图6是示出锥形波导的光发射端的宽度与半发散角之间优选的关系的曲线图。
图7是描述锥形波导的光发射端的宽度与锥形波导的光入射端的半宽度的增量之间优选的关系的曲线图。
图8是根据实施例2的光接收器的局部俯视图。
图9是根据实施例3的相干光接收器的俯视图。
图10是根据实施例4的相干光接收器模块的俯视图。
具体实施方式
[实施例1]
图1A是根据实施例1的光接收器的俯视图。输入波导20、锥形波导21以及光电二极管22形成于半绝缘基底30上。使用半绝缘基底30的目的在于减少寄生电容。输入波导20是允许例如波长为1.55μm的光传播的单模光波导。
锥形波导21连接输入波导20和光电二极管22。随着锥形波导21从连接至输入波导20的输入端向连接至光电二极管22的输出端延伸时，锥形波导21的宽度增加。锥形波导21的输入端的宽度大于输入波导20的宽度。锥形波导21在其输出端的宽度等于光电二极管22在其输入端的宽度。
随着光电二极管22从锥形波导21的光发射端延伸出去，光电二极管22的宽度增加。光电二极管22的发散角(spread angle)等于锥形波导21的发散角。
半绝缘埋入半导体层35形成在输入波导20、锥形波导21以及光电二极管22的两侧。在光电二极管22的侧面，移除埋入半导体层35以便暴露n型包覆层(cladding layer)31。在光电二极管22的后部(在图1A的右边部分中)，移除n型包覆层31以便暴露基底30。
在移除n型包覆层31以便暴露基底30的区域中，设置p侧电极焊盘(electrode pad)25和n侧电极焊盘26。p侧引线电极(lead electrode)27连接光电二极管22和p侧电极焊盘25。n侧引线电极28连接n型包覆层31和n侧电极焊盘26。
图1B示出了沿着图1A示出的点划线1B-1B的横截面图。n型包覆层31形成在基底30上。在基底30的右端部分中，已移除n型包覆层31以便暴露基底30。半绝缘InP基底可以作为基底30使用。n型包覆层31例如由厚度为2μm的n型InP形成。
在设置输入波导20和锥形波导21的区域中，核心层32和上包覆层(upper cladding layer)33依序堆叠在n型包覆层31上。核心层32例如是由厚度为0.5μm的无掺杂InGaAsP形成。上包覆层33例如是由厚度为1.5μm的无掺杂InP制成。
在设置光电二极管22的区域中，光吸收层37、p型包覆层38以及接触层39依序堆叠在n型包覆层31上。n型包覆层31、光吸收层37以及p型包覆层38构成销(pin)型光电二极管22。光吸收层37例如是由厚度为0.5μm无掺杂InGaAs制成。p型包覆层38例如是由p型InP制成。接触层39例如是由两层组成，即p型InGaAs层以及p型InGaAsP层。p型包覆层38以及接触层39具有1.5μm的总厚度。
锥形波导21的核心层32与光电二极管22的光吸收层37对接耦接。在通过输入波导20以及锥形波导21的核心层32的传播后，光进入光电二极管22的光吸收层37。部分核心层32和部分上包覆层33也可以设置在光电二极管22的后部中(在图1B的右边部分中)。
n型包覆层31比设置在光电二极管22的后部中的核心层32延伸到后部更远。上包覆层33、接触层39、n型包覆层31以及基底30的暴露的表面覆盖有绝缘钝化膜40。p侧电极焊盘25形成在移除n型包覆层31后的部分钝化膜40上。
钝化膜40具有孔径，以暴露部分接触层39。p侧引线电极27的一端连接至暴露在这个孔径中的接触层39。p侧引线电极27的另一端延伸至p侧电极焊盘25。p侧引线电极27具有空气桥(air bridge)结构。
图2A是沿着图1A示出的点划线2A-2A的横截面图。n型包覆层31形成在基底30上。核心层32以及上包覆层33形成在n型包覆层31的表面上。通过移除输入波导位置外的核心层32以及上包覆层33形成输入波导台式结构。在核心层32两侧的n型包覆层31的顶面略微低于核心层32的底部。
由核心层32和上包覆层33组成的输入波导台式结构埋入到半导体层35中，该半导体层35填充台式结构的两侧的空间。埋入半导体层35例如是由半绝缘InP制成，该半绝缘InP的顶面与上包覆层33的顶面平齐。钝化膜40形成在埋入半导体层35和上包覆层33上。核心层32以及围绕核心层32的n型包覆层31、上包覆层33以及埋入半导体层35构成埋入型输入波导20。
图1B是沿着图1A示出的点划线2B-2B的横截面图。与图2A给出的横截面图相比，核心层32和上包覆层33的宽度大于图2A给出的横截面图中的核心层和上包覆层的宽度。其他结构与图2A给出的横截面图中结构相同。核心层32以及围绕核心层32的n型包覆层31、上包覆层33以及埋入半导体层35构成埋入型锥形波导21。
图2C是沿着图1A示出的点划线2C-2C的横截面图。n型包覆层31形成在基底30上。在部分n型包覆层31上，光吸收层37、p型包覆层38以及接触层39依序堆叠。在光吸收层37两侧的n型包覆层31的顶面略微低于光吸收层37的底部。在包括光吸收层37、p型包覆层38以及接触层39的台式结构的两侧的空间填充有埋入半导体层35。埋入半导体层35的顶面几乎与接触层39的顶面平齐。n型包覆层31、光吸收层37、以及p型包覆层39构成光电二极管22。
在光电二极管22的一侧，有不具有埋入半导体层35的区域。埋入半导体层35、接触层39以及n型包覆层31的顶面覆盖有钝化膜40。钝化膜40具有孔径，以暴露部分接触层39和部分n型包覆层31。p侧引线电极27形成在暴露的接触层39上。n侧引线电极28形成在暴露的n型包覆层31上。
以下参考图1A、1B以及图2A-2C描述制造根据实施例1的光接收器的方法。
如图1B所示，n型包覆层31、光吸收层37、p型包覆层38、以及接触层39沉积在半绝缘InP基底30上。例如，使用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)工艺进行这些层的沉积。
在接触层39上，二氧化硅膜例如是由低压化学气相沉积(LPCVD)工艺形成。使用缓冲氢氟酸(buffered hydrofluoric acid)对这种二氧化硅膜进行图案化以便形成掩模图案。如图1A所示，这种掩模图案覆盖光电二极管22和从光电二极管22宽度方向(图1A中的垂直方向)上延伸的区域。使用这种掩模图案作为蚀刻掩模，对从接触层39至n型包覆层31顶面的部分执行蚀刻。
在暴露n型包覆层31的区域中，核心层32和上包覆层33有选择地生长。在有选择的生长后移除掩模图案。在这个阶段，暴露出上包覆层33和接触层39。
在上包覆层33和接触层39上，形成对应于输入波导20、锥形波导21以及光电二极管22(图1A)的掩模图案。
如图2A至2C所示，使用掩模图案作为蚀刻掩模对向下至n型包覆层31的顶面的部分执行蚀刻。针对本蚀刻使用干蚀刻工艺。构成输入波导20、锥形波导21以及光电二极管22的台式结构由这种工艺形成。埋入半导体层35在暴露于台式结构两侧的n型包覆层31上有选择地生长。然后，移除掩模图案。
在图1A和1B所示的光电二极管22的后部区域中以及在图1A和2C所示的光电二极管22的侧部区域中，通过干蚀刻移除埋入半导体层35、上包覆层33以及核心层32。通过这种工艺暴露n型包覆层31。此外，在图1A和1B所示的光电二极管22的后部的区域中，通过干蚀刻移除n型包覆层31。通过这种工艺暴露基底30。
钝化膜40形成于整个表面之上。孔径形成在钝化膜40之中，以接触p侧引线电极27和n侧引线电极28。接下来，形成p侧电极焊盘25、p侧引线电极27、n侧电极焊盘26、以及n侧引线电极28。
以下参考图3A至3D、图4以及图5A至5B讨论根据实施例1的光接收器中的光强度分布的仿真结果以及对照例。
图3A是根据对照例的光接收器的局部俯视图。在根据对照例的光接收器中，在输入波导20和光电二极管22之间提供MMI波导24。MMI波导24和光电二极管具有相同的宽度，该宽度在光传播方向上是恒定的。
图3B是根据实施例1的光接收器的局部俯视图。锥形波导21设置在输入波导20和光电二极管22之间。输入波导20的宽度Ws例如是2.5μm。锥形波导21在光入射端的宽度Wi是4.5μm，并且在光发射端的宽度Wo是12μm。锥形波导21的长度Lt是65μm。在此，锥形波导21的半发散角θ大约是3.3°。在此所指的半发散角被定义为从中心线至锥形波导21的任一边缘的角度。
光电二极管22在锥形波导21和光电二极管22之间的连接点处的宽度Wpi(即光电二极管22在光入射端的宽度)等于锥形波导21在其光发射端的宽度Wo。随着光电二极管从锥形波导21的光发射端延伸出去，光电二极管22的宽度增加。光电二极管22的半发散角等于锥形波导21的半发散角θ。因此，光电二极管22的边缘与锥形波导21的边缘的延伸相重合。
核心层32(图2A和2B)是由成分波长(compositional wavelength)为1.05μm的InGaAsP制成。核心层32的折射率为3.25。围绕核心层32的InP包覆层31、33以及35的折射率为3.17。
图4示出在波长为1.55μm的单模光进入图3A给出的MMI波导24或图3B给出的锥形波导21的情况下，光发射端的光强度分布的仿真结果。在此，x-y直角坐标系由沿着x轴的正方向的光传播定义。假设宽度方向中心位于y轴的零点，并且假设锥形波导21的光发射端以及MMI波导24的光发射端位于x轴的零点。在图4中，横轴表示以“μm”为单位的宽度方向(y-坐标)上的位置并且纵轴表示任意单位的光强度。虚线3A和实线3B分别示出根据图3A给出的对照例和根据3B给出的实施例1的光接收器中x-坐标为零的位置的光强度分布。
可以看出，根据实施例1的锥形波导21在光发射端的光强度分布比根据对照例的MMI波导24在光发射端的光强度分布平坦很多。这意味着根据实施例1的结构能更有效地降低光电二极管23在光入射端的光强度分布中的最大峰值强度。
由于当光信号通过锥形波导21传播时激活高阶模，因此产生平坦的光强度分布。因此，优选地，锥形波导21的半发散角θ设置在激活高阶模的范围。
图5A示出在波长为1.55μm的单模光进入图3A给出的MMI波导24或图3B给出的锥形波导21的情况下，光电二极管23的传播方向上的光强度分布中的最大峰值强度的仿真结果。横轴表示以“μm”为单位的光传播方向上的位置(x坐标)并且纵轴表示任意单位的最大峰值强度。图5A中的十字和实心菱形分别示出根据图3A给出的对照例和根据图3B给出的实施例1的光电二极管23中的最大峰值强度。在此，忽略在光电二极管23中由光吸收所导致的衰减。
因此，根据实施例1采取的结构也可使光电二极管23的传播方向上的最大峰值强度平坦。这意味着，在宽度方向上平坦的光强度分布不仅仅在光电二极管22的入射侧边缘(在x-坐标的零点位置)得以维持，也在离开入射侧边缘的传播方向的位置处得以维持。
图4和5A的仿真结果表明，在根据实施例1的光接收器中，能降低最大峰值强度以防止局部光载流子密度的过度上升。因此，即使增加输入光的强度，由累积的光载流子所导致的工作带宽的降低也能得以抑制。
图3C和3D是根据实施例1的改型1和2的光接收器的局部俯视图。在图3C给出的改型1中，光电二极管22的半发散角小于锥形波导21的半发散角θ。在图3D给出的改型2中，光电二极管22的宽度在传播方向上是恒定的。
图5B示出了根据图3B给出的实施例1以及图3C和3D给出的改型1和2的光接收器的光电二极管22中的最大峰值强度分布。横轴表示以“μm”为单位的光传播方向上的位置(x坐标)并且纵轴表示任意单位的最大峰值强度。在图5B中，实心菱形、空心三角形以及空心正方形分别示出图3B、3C以及3D给出的光接收器中的最大峰值强度。
可以看出，图3C和3D给出的改型1和2中的最大峰值强度小于图3B给出的实施例1的最大峰值强度。为了降低最大峰值强度，优选地，光电二极管22的半发散角小于锥形波导21的半发散角，或是光电二极管22具有恒定的宽度(即具有零度半发散角)。
如果光电二极管22的半发散角小于锥形波导21的半发散角或如果光电二极管22具有恒定的宽度，则光电二极管的面积也会减小。因此，寄生电容得以减小。
随着光电二极管从锥形波导21延伸出去，如果光电二极管22的宽度逐渐变小，则会激发光电二极管22中最大峰值强度的增加。因此，优选地，光电二极管22的宽度保持恒定，或随着光电二极管从锥形波导21的光发射端延伸出去，光电二极管的宽度逐渐增加。
以下参考图6描述锥形波导21的半发散角θ的优选值。针对多种估算模型测试光发射端的光强度分布中的最大峰值强度，在多种估算模型中，锥形波导21在光发射端处具有从7μm到12μm的范围内的多种宽度Wo，并且还具有多种半发散角θ。锥形波导21在光入射端的宽度Wi是4.5μm。图6示出锥形波导21在光发射端的优选宽度范围以及半发散角θ的优选范围。横轴表示锥形波导21在光发射端处以“μm”为单位的宽度Wo，并且纵轴表示锥形波导21的以“度”为单位的半发散角。
实心正方形示出的半发散角能够最小化锥形波导21的光发射端的光强度分布中的最大峰值强度。这些峰值强度和半发散角的值以下分别称为参考峰值强度和最优半发散角。当半发散角θ从最优半发散角减小或增加时，最大峰值强度都会变得大于参考峰值强度。在最大峰值强度是参考峰值强度的1.1倍的半发散角数值中，大于最优半发散角的半发散角以下称为半发散角的上限，而另一个小于最优半发散角的半发散角以下称为半发散角的下限。在图6中，空心菱形和空心三角形分别表示半发散角的上限和半发散角的下限。
将光发射端的宽度表示为Wo[μm]并将半发散角表示为θ[°]，下述的二次方程估算出这样的曲线：连接由光发射端的宽度Wo的多种数值计算得到的半发散角的下限值。
θ＝-0.0832Wo2+2.3667Wo-11.453
下述的二次方程估算出这样的曲线：连接由光发射端的宽度Wo的多种数值计算得到的半发散角的上限值。
θ＝-0.0392Wo2+1.1611Wo+0.0145
通过将半发散角θ设定在下述范围中，
θ≥-0.08Wo2+2.37Wo-11.5，以及
θ≤-0.04Wo2+1.16Wo+0.0145
则最大峰值强度能够保持小于1.1倍参考峰值强度。
连接最优半发散角值的估算曲线如下：
θ＝-0.025Wo2+1.1573Wo-3.6994
在此，优选地，光电二极管22的半发散角θpd[°]维持在下述范围中。
0≤θpd≤-0.04Wo2+1.16Wo+0.0145
如果改变通过波导传播的光的波长，仅需放大或缩小光入射波导20、锥形波导21以及光电二极管22，只要保持它们平面形状的纵横比。因此，即使传播的光的波长不同，半发散角θ的优选值会保持在几乎与上述范围相同的范围内。
以下参考图7描述与光入射波导20相比较，锥形波导21的光入射端的宽度增量的优选值。针对多种估算模型测验光发射端的最大峰值强度，其中输入波导20在光发射端的宽度Wo具有从7μm到12μm范围内的不同值，并且锥形波导21在光入射端的宽度Wi也不同。设定光入射波导20的宽度Ws为2.5μm，并且将锥形波导21的半发散角θ设定为能使最大峰值强度在每个宽度Wi最小化的角度。
在图7中，横轴表示锥形波导21在光发射端以“μm”为单位的宽度Wo，并且纵轴表示锥形波导21在光入射端以“μm”为单位的半宽度的增量。波导的半宽度的增量等于(Wi-Ws)/2。
实心正方形表示最大峰值强度得以最小化时的波导的半宽度的增量。这些最大峰值强度和波导的半宽度的增量的值以下分别称为参考峰值强度和最优宽度增量。当宽度增量从最优宽度增量减小或增加时，最大峰值强度都会变得大于参考峰值强度。在最大峰值强度是参考峰值强度的1.1倍的宽度增量值中，大于最优宽度增量的宽度增量以下称为宽度增量的上限，而另一个小于最优宽度增量的宽度增量以下称为宽度增量的下限。在图7中，空心三角和空心菱形分别表示宽度增量的上限和宽度增量的下限。
可以看出，在锥形波导21的光发射端的宽度位于至少7μm到12μm范围内的情况下，如果波导的半宽度的增量位于0.5μm到1.5μm的范围内，则最大峰值强度维持等于或小于参考峰值强度的1.1倍。当波导的半宽度的增量是0.5μm和1.5μm时，锥形波导21在光入射端的宽度Wi分别是输入波导20的宽度Ws的1.4倍和2.2倍。
如果改变传播的光的波长，仅需放大或缩小波导，只要保持波导管平面形状的纵横比。一般而言，因此，优选地，锥形波导21在光入射端的宽度位于输入波导20的宽度1.4倍至2.2倍的范围内。
为了提高光电二极管22的光吸收效率，优选地，增加它的二维尺寸。然而，增加光电二极管的二维尺寸导致寄生电容的增加，因此，为了增大工作带宽，最好不要增加光电二极管22的二维尺寸。光电二极管22的最优二维尺寸取决于期望带宽和光吸收效率。随着进入光电二极管的光在从光入射端开始的长度约为12μm的区域内传播时，进入光电二极管22的大部分光被吸收。因此，如果光电二极管22的尺寸在光传播方向上增加至大于12μm时，则不能期望在提高光吸收效率方面有大的效果。
光电二极管22的宽度取决于它的二维尺寸和长度。光电二极管22的宽度等于锥形波导21在光发射端的宽度。基于以上考虑，优选地，锥形波导21在光发射端的宽度位于输入波导20宽度的2至6倍的范围内。
[实施例2]
图8是根据实施例2的光接收器的局部俯视图。将其与根据图3D示出的实施例1的改型2相比，以下讨论它们在构成上的不同。在图3D给出的改型2中，光电二极管22的宽度等于锥形波导21在光发射端的宽度Wo。在实施例2中，光电二极管22的宽度Wp大于锥形波导21在光发射端的宽度Wo。在宽度方向上，光电二极管22的中心与锥形波导21的中心平齐。光电二极管22的宽度Wp的一半的增量D与锥形波导21在光发射端的宽度Wo的关系如下：D＝(Wp-Wo)/2。
在包括位于核心层32(图2A和2B)两侧的埋入半导体层35的埋入型波导中，传播的光从核心层32的侧面泄露。如果传播的光的波长是1.55μm，则泄露长度大约是0.2μm。如果光电二极管22的宽度Wp设计成大于锥形波导21在光发射端的宽度Wo，则从锥形波导21侧部泄露出去的部分光能被光电二极管22接收。
如果光电二极管22的宽度Wp过度增大，则寄生电容会变得太大。为使泄露部分被吸收，而又防止寄生电容增加，优选地，光电二极管22的半宽度的增量D等于或小于0.3μm。为了达到充分吸收泄露部分的效果，优选地，波导的半宽度的增量D等于或大于0.1μm。
[实施例3]
图9是根据实施例3的相干光接收器的俯视图。将根据实施例3的相干光接收器应用到QPSK系统上。
混合波导51和第一至第四光接收元件70A至70D形成在半绝缘基底50上。混合波导51包括具有四个输入端口和四个输出端口的MMI波导。如图9所示，第一至第四输入端口以从上到下的顺序设置于MMI波导的输入端，而第一至第四输出端口以从上到下的顺序设置于输出端。
调制信号波导52连接至混合波导51的第二输入端口并且本地振荡器波导(local oscillator waveguide)53连接至混合波导51的第四输入端口。无波导连接至第一输入端口和第三输入端口。第一至第四光接收元件70A至70D依序设置并且与混合波导51的第一至第四输出端口的方向相同。
第一光接收元件70A包括输入波导60A、锥形波导61A、光电二极管62A、n型包覆层63A、p侧电极焊盘65A以及n侧电极焊盘66A。第二至第四光接收元件70B至70D具有与第一光接收元件70A相同的结构。
第一至第四光接收元件70A至70D中的每一个具有与根据实施例1或2的光接收器相同的结构。例如，基底50对应于根据实施例1的基底30(图1B以及图2A至2C)。输入波导60A、锥形波导61A以及光电二极管62A分别对应根据实施例1的输入波导20、锥形波导21以及光电二极管22(图1A和1B)。p侧电极焊盘65A和n侧电极焊盘66A分别对应于根据实施例1的p侧电极焊盘25以及n侧电极焊盘26(图1A)。
在第一、第二、第三、以及第四光接收元件70A、70B、70C以及70D中的输入波导60A、60B、60C以及60D分别连接至混合波导51的第一、第四、第二以及第三输出端口。第二光接收元件70B的输入波导60B与第三光接收元件70C的输入波导60C和第四光接收元件70D的输入波导60D交叉。当交叉角度接近于直角(90°)时，波导之间的串扰能降至可忽略的水平。
QPSK调制光信号通过调制信号波导52传播并且进入混合波导51。本地振荡器光通过本地振荡器光波导53传播并且进入混合波导51。QPSK调制光信号被转换为强度调制光信号并且从第一至第四输出端口发射。QPSK调制I-信道信号源自于第一和第二光接收元件70A和70B，并且Q-信道信号源自于第三和第四光接收元件70C和70D。
通过在光接收元件之间提供沟槽等，使在第一至第四光接收元件70A至70D中的n型包覆层被彼此分开，以便防止相邻光接收元件之间直接传导。这种结构用于确保在第一至第四光接收元件70A至70D之间充分的电隔离。因此，光电二极管之间的电串扰得以降低，以便防止错误发生。以下参考图2C描述形成用于n型包覆层间隔离的沟槽的方法。
首先形成埋入半导体层35，随后形成掩模图案，该掩模图案在将要产生沟槽的部分具有孔径。掩模图案例如是由二氧化硅制成。使用掩模图案作为蚀刻掩模，形成到达n型包覆层31的底面的沟槽。然后，移除掩模图案。
在实施例3中，根据实施例1或实施例2的光接收器用作第一至第四光接收元件70A至70D。在光电二极管的光强度分布中的最大峰值强度得以抑制。这用于抑制当本地振荡器光的强度增加时所导致的工作带宽的缩减。
[实施例4]
图10是根据实施例4的相干光接收器模块的俯视图。根据实施例4的相干光接收器模块应用于双极化正交相移键控(DP-QPSK)系统。
第一相干光接收器81和第二相干光接收器82以及第一分光器87和第二分光器88安装在安装板80上。第一相干光接收器81和第二相干光接收器82具有与根据图9示出的实施例3的相干光接收器相同的结构。用于光信号的光纤85以及用于本地振荡器光的光纤86安装在安装板80上。用于光信号的光纤85传输DP-QPSK光信号，而用于本地振荡器光的光纤86传输本地振荡器光。光信号由相互正交的第一偏振分量和第二偏振分量组成。两个偏振分量传输不同的信号。
经过用于光信号的光纤85传播的光信号被第一分光器87分为第一偏振分量和第二偏振分量。第一偏振分量进入第一相干光接收器81的调制信号波导90，并且第二偏振分量进入第二相干光接收器82的调制信号波导92。本地振荡器光也由第一偏振分量和第二偏振分量组成。经过用于本地振荡器光的光纤86传播的本地振荡器光被第二分光器88分为第一偏振分量和第二偏振分量。第一偏振分量进入第一相干光接收器81的本地振荡器光波导91，并且第二偏振分量进入第二相干光接收器82的本地振荡器光波导93。聚光透镜根据需要安装在安装板80上。
第一跨阻抗放大器(transimpedance amplifier)95和第二跨阻抗放大器96随后提供至第一相干光接收器81，并且第三跨阻抗放大器97和第四跨阻抗放大器98随后提供至第二相干光接收器82。
第一相干光接收器81中的I-信道光接收元件101的四个电极焊盘连接至第一跨阻抗放大器95，并且Q-信道光接收元件102的四个电极焊盘连接至第二跨阻抗放大器96。第二相干光接收器82中的I-信道光接收元件103的四个电极焊盘连接至第三跨阻抗放大器97，并且Q-信道光接收元件104的四个电极焊盘连接至第四跨阻抗放大器98。
第一相干光接收器81和第二相干光接收器82具有与根据图9示出的实施例3的相干光接收器相同的结构，这使得高输出和宽带工作成为可能。
以上给出的实施例1至4是用于描述光信号具有1.55μm波段波长的情况。在传播的光信号具有在不同波段中的波长的情况下，只需用那些适合光信号波段的半导体材料来替代包覆层、核心层以及光吸收层。以上描述的光电二极管22的光吸收层37(图1B)是由无掺杂半导体制成，但是光吸收层37可以部分或完全由p型或n型半导体制成。
以上描述的是埋入型波导，在该波导中，波导和光电二极管两侧的空间填充有埋入半导体层35(图2A至2C)，但是也可以采用其他结构的波导。例如，可以采用高台型波导(high-mesa type waveguide)或脊形波导(ridge typewaveguide)。此外，可以使用n型或p型半导体或绝缘材料(例如蓝宝石)替代半绝缘半导体作为基底30。
在图1B中，假设核心层32和光吸收层37具有相同的厚度，但是它们可以具有不同的厚度以用于特定目的。此外，p侧电极焊盘25可以设置在半绝缘埋入半导体层35上，而不是形成空气桥结构的p侧引线电极27。
在图3C和3D给出的结构示例中，半发散角θ开始改变的位置(x-轴上的零点位置)可以不与图1B示出的核心层32和光吸收层37之间的界限完全相同。即使它们的位置在光传播方向(x-轴方向)上彼此略微分开，也能达到充分的效果。
将根据实施例1或2的光接收器应用于实施例3和4中的相干光接收器。也可以将根据实施例1或2的光接收器应用于其他接收器。
在此描述的所有示例和条件性语言具有启示目的以便帮助读者理解本发明和由发明人提出的促进现有技术的概念，并且可以解释为不限于这些具体描述的示例和条件，说明书中实例的组织与显示本发明的优劣无关。尽管已经详细了本发明的实施例，但可以理解的是，在不脱离本发明的精神和范围下，可以对本发明做各种改变、替代、以及变更。

Claims (13)

1.一种光接收器，包括：
输入波导，形成于基底上；
光电二极管，形成于所述基底上；以及
锥形波导，形成于所述基底上，连接在所述输入波导和所述光电二极管之间，并且随着所述锥形波导从与所述输入波导相连的输入端向与所述光电二极管相连的输出端延伸，所述锥形波导的宽度增加，
其中，所述锥形波导的半发散角配置为：当从所述输入波导接收光信号时使高阶模激活，以及
随着所述光电二极管从所述锥形波导的输出端延伸出去，所述光电二极管的宽度增加，所述光电二极管的半发散角等于或小于所述锥形波导的半发散角。
2.根据权利要求1所述的光接收器，其中，所述光电二极管在所述锥形波导与所述光电二极管之间的接合处的宽度大于所述锥形波导在所述输出端的宽度，其中较大的宽度是由从中心线至所述光电二极管的多个最外侧边缘中的任一个测得，并且从所述中心线至所述多个最外侧边缘中任一个的宽度的增量在0.1微米至0.3微米范围内。
3.根据权利要求1所述的光接收器，其中，所述光电二极管在所述锥形波导与所述光电二极管之间的接合处的宽度等于所述锥形波导在所述输出端的宽度。
4.根据权利要求1所述的光接收器，其中，所述锥形波导在所述输入波导和所述锥形波导之间的接合处的宽度大于所述输入波导的宽度。
5.根据权利要求4所述的光接收器，其中，所述输入波导的中心与所述锥形波导在所述锥形波导的输入端的中心平齐，并且所述锥形波导的宽度在所述输入波导的宽度的1.4倍至2.2倍的范围内。
6.根据权利要求1所述的光接收器，其中，所述锥形波导在所述输出端的宽度在所述输入波导的宽度的2倍至6倍的范围内。
7.一种光接收器，包括：
输入波导，形成于基底上；
光电二极管，形成于所述基底上；以及
锥形波导，形成于所述基底上，连接在所述输入波导和所述光电二极管之间，并且随着所述锥形波导从与所述输入波导相连的输入端向与所述光电二极管相连的输出端延伸，所述锥形波导的宽度增加，
其中，所述锥形波导的半发散角θ在以下范围内：
θ≥-0.08Wo2+2.37Wo-11.5,以及
θ≤-0.04Wo2+1.16Wo+0.0145
其中，Wo[μm]表示所述锥形波导在所述锥形波导与所述光电二极管间的接合处的宽度，并且θ[°]表示所述半发散角，以及
所述光电二极管在与所述锥形波导的接合处的宽度等于或大于所述锥形波导在输出端的宽度，随着所述光电二极管从所述锥形波导的所述输出端延伸出去，所述光电二极管的宽度增加，并且具有以下范围内的半发散角θpd：
0≤θpd≤-0.04Wo2+1.16Wo+0.0145。
8.一种光接收器，包括：
混合波导，形成于基底上，具有两个输入端口，每个所述输入端口设计成接收相移键控光信号或本地振荡器光，并且具有两个或多个输出端口，每个所述输出端口设计成发射通过转换所述相移键控光信号所生成的强度调制光信号，
两个或多个输入波导，形成于所述基底上，每个所述输入波导连接所述混合波导的多个输出端口中的一个，
多个光电二极管，形成于所述基底上，每个所述光电二极管耦接至所述多个输入波导中的一个，以及
多个锥形波导，形成于所述基底上，连接在所述输入波导和相关的光电二极管之间，
其中，每个所述锥形波导的半发散角配置为：当从相关的输入波导接收光信号时使高阶模激活，以及
每个所述光电二极管具有恒定的宽度，或随着所述光电二极管从所述锥形波导的输出端延伸出去，所述光电二极管的宽度增加，所述光电二极管的半发散角等于或小于所述锥形波导的半发散角。
9.根据权利要求8所述的光接收器，还包括跨阻抗放大器，设计成从所述光电二极管接收电信号。
10.一种光接收器，包括：
输入波导，形成于基底上；
光电二极管，形成于所述基底上；以及
锥形波导，形成于所述基底上，连接在所述输入波导和所述光电二极管之间，并且随着所述锥形波导从与所述输入波导相连的输入端向与所述光电二极管相连的输出端延伸，所述锥形波导的宽度增加，
其中，所述锥形波导的半发散角配置为：当从所述输入波导接收光信号时使高阶模激活，以及
所述光电二极管具有恒定的宽度，所述光电二极管在所述锥形波导与所述光电二极管之间的接合处的宽度大于所述锥形波导在所述输出端的宽度，其中较大的宽度是由从中心线至所述光电二极管的多个最外侧边缘中的任一个测得，并且从所述中心线至所述多个最外侧边缘中任一个的宽度的增量在0.1微米至0.3微米范围内。
11.根据权利要求10所述的光接收器，其中，所述锥形波导在所述输入波导和所述锥形波导之间的接合处的宽度大于所述输入波导的宽度。
12.根据权利要求11所述的光接收器，其中，所述输入波导的中心与所述锥形波导在所述锥形波导的输入端的中心平齐，并且所述锥形波导的宽度在所述输入波导的宽度的1.4倍至2.2倍的范围内。
13.根据权利要求10所述的光接收器，其中，所述锥形波导在所述输出端的宽度在所述输入波导的宽度的2倍至6倍的范围内。
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