CN102694054B - 光接收元件、光接收装置以及光接收模块 - Google Patents

光接收元件、光接收装置以及光接收模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光接收元件、光接收装置以及光接收模块，其中所述光接收元件，包括：核心，被配置为传播信号光；第一半导体层，具有第一导电类型，所述第一半导体层被配置为沿所述核心延伸的第一方向从所述核心接收所述信号光；吸收层，被配置为吸收由所述第一半导体层接收的所述信号光；以及第二半导体层，具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。

Description

光接收元件、光接收装置以及光接收模块
技术领域
本发明讨论的实施例涉及一种光接收元件、光接收装置以及光接收模块。
背景技术
图1为示出作为光接收元件的一个实例的光接收元件100的主要部分的透视图。图2为沿图1中的虚线II-II的光接收元件100的截面图。
如图1和图2所示的光接收元件100包括设置在基板114上方的光电探测器(photo-detector)单元101，以及设置在同一基板114上方的波导单元111。波导单元111包括具有类似肋形形状的核心112。信号光在核心112的突起部113内传播，并进入光电探测器单元101。
光电探测器单元101具有这样一种结构，其中从基板114侧起层叠了核心112、n-型半导体层102、i-型吸收层103、p-型上包覆层104以及p-型接触层105。光电探测器单元101具有包括p-型接触层105、p-型上包覆层104以及i-型吸收层103的台式结构。核心112存在于光电探测器单元101和波导单元111两者中。
如同图2所示，在光接收元件100中，信号光在波导单元111中的核心112的突起部113下方传播，并进入光电探测器单元101中的核心112。部分的入射信号光渗入到n-型半导体层102内。随着信号光在光电探测器单元101中进一步传播，信号光传播到i-型吸收层103，并被吸收到i-型吸收层103中。
n-型半导体层102、i-型吸收层103以及p-型上包覆层104形成PIN-型光电二极管(在下文中称为PD)。p-侧电极和n-侧电极(未示出)分别连接到p-型接触层105和n-型半导体层102。通过在p-侧电极和n-侧电极之间施加预定电压，用处于负电势的p-侧电极以及处于正电势的n-侧电极，经由p-型上包覆层104和n-型半导体层102探测到通过i-型吸收层103中的光吸收所生成的光生载流子(photocarrier)(空穴和电子)。因而，光电探测器单元101探测作为电信号(光生载流子电流)的信号光，并输出对应于信号光的强度的探测信号(光生载流子电流)。
图3示出作为光接收元件的另一个实例的光接收元件300的主要部分。图4为沿图3中的虚线IV-IV的光接收元件300的截面图。
如图3和图4所示的光接收元件300具有与如图1和图2所示的光接收元件的结构不同的结构。光接收元件300包括设置在基板314上方的光电探测器单元301，以及设置在同一基板314上方的波导单元311。
波导单元311具有这样一种结构，其中从基板314侧起层叠了n-型下包覆层302、核心312以及上包覆层313。波导单元311具有包括上包覆层313和核心312的台式结构。信号光在核心312中传播，并进入光电探测器单元301。
光电探测器单元301具有这样一种结构，其中从基板314侧起层叠了n-型下包覆层302、i-型吸收层303、p-型上包覆层304以及p-型接触层305。光电探测器单元301具有包括p-型接触层305、p-型上包覆层304以及i-型吸收层303的台式结构。
核心312和i-型吸收层303两者均形成在被光电探测器单元301和波导单元311共享的n-型下包覆层302上。核心312连接到i-型吸收层303的侧表面。
如同图4所示，在光接收元件300中，信号光在波导单元311中的核心312中传播，并直接进入光电探测器单元301中的i-型吸收层303。入射的信号光被吸收到i-型吸收层303的端面(信号光从该端面进入)附近的区域中。
n-型下包覆层302、i-型吸收层303以及p-型上包覆层304形成PIN-型光电二极管。p-侧电极和n-侧电极分别连接到p-型接触层305和n-型下包覆层302。通过在p-侧电极和n-侧电极之间施加预定电压，用处于负电势的p-侧电极以及处于正电势的n-侧电极，经由p-型上包覆层304和下包覆层302探测到通过i-型吸收层303中的光吸收所生成的光生载流子(空穴和电子)。因而，光电探测器单元301探测作为电信号(光生载流子电流)的信号光，并输出对应于信号光的强度的探测信号(光生载流子电流)。
在日本特许公开专利公布第2003-163363号中和Andreas Beling等人于2009年2月1日发表在《J.光波技术》(J.Lightwave Tech.)的第27卷第3号第343-355页中，讨论了如图1到图4所示的两个光接收元件100和300的实例。
图5示出了模拟的在光电探测器单元101和301中生成的光生载流子的浓度分布的一个实例。纵轴表示在基于预定值被标准化时的光生载流子的浓度。横轴表示光电探测器单元101和301的每一个中的PD内的位置。在本说明书中，术语“PD内的位置”指的是在PD内沿相应的核心的延伸方向(即，信号光行进的方向)的位置，并意指光电探测器单元中所包括的PD内参照信号光进入光电探测器单元的那个端面(end)的位置。此外，术语“PD长度”指的是光电探测器单元中的PD沿相应核心延伸的方向(即，信号光行进的方向)的长度，并意指光电探测器单元中的PD参照信号光进入光电探测器单元端面的长度。
在图5中，由(a)示出的曲线表示如图1和图2所示的光电探测器单元101中的光生载流子浓度分布，并且由(b)示出的曲线表示如图3和图4所示的光电探测器单元301中的光生载流子浓度分布。
在光接收元件100的光电探测器单元101中，信号光在传播经过光电探测器单元101中的核心112和n-型半导体层102预定距离之后渗入到i-型吸收层103内，因而发生吸收。因此，如从图5中的分布曲线(a)明显看出，光生载流子浓度分布的峰值发生在从光电探测器单元101的端面(信号光从中进入)间隔预定距离的位置处。此外，全部的浓度分布也延伸到与光电探测器单元101相距更远的位置，从而该分布整体上具有大的延伸。
因此，在光电探测器单元101中，光电探测器单元101的PD长度被设定为足够的长度，以用于获得足够的吸收效率。然而，使得光电探测器单元101的PD长度较长增加了包括n-型半导体层102、i-型吸收层103以及p-型上包覆层104的电容器的尺寸，导致光电探测器单元101的电容增加。因而，从CR时间常数推出的截止频率在光接收元件100与随后的电子电路之间的传输路径中变得更低。因此，在用于接收从光接收元件100输出的电信号的随后的电子电路中，输入信号的电平在高频率处衰减，使得难以也在高频率适当地处理输入信号。
其结果，利用如图1和图2所示的光接收元件100的结构，难以在保证高的光吸收效率的同时，将具有足够信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。
另一方面，在光接收元件300的光电探测器单元301中，已经穿过核心312进行传播的信号光直接进入i-型吸收层303。因此，在光电探测器单元301的端面附近发生大的吸收。因而，如从图5中的分布曲线(b)明显看出，光生载流子生成了并且它们的浓度在光电探测器单元301的端面(信号光从中进入)附近的窄范围内变高。
因此，在光电探测器单元301中，即使PD长度是短的也能获得高的光吸收效率。然而，由于在输入的信号光的强度为高的高强度光输入的情况下光生载流子浓度分布的上升沿在光电探测器单元301的端面附近非常大，因此在光电探测器单元301的端面附近局部生成的光生载流子的浓度变得非常高。结果是，在光电探测器单元301中，在与由施加在p-侧电极和n-侧电极之间的上述电压所生成的电场相反的方向上，由过多的局部生成的光生载流子在p-型上包覆层304与n-型下包覆层302之间产生大的磁场。过多的局部生成的光生载流子所产生的电场用作抵消由施加在p-侧电极和n-侧电极之间的上述电压所生成的电场。这使得对于光电探测器单元301而言难以经由p-型上包覆层304和n-型下包覆层302适当地探测通过i-型吸收层303中的光吸收所生成的光生载流子(空穴和电子)。因此，高强度信号光的高频特性衰退。
结果是，利用如图3和图4所示的光接收元件300的结构，难以执行适于高强度光输入的输出操作。
发明内容
因此，实施例的一个方案的目的是提供一种光接收元件，其中在提高光电探测器单元中的光吸收效率的同时，也可在高频率将具有足够信号电平的探测信号供应到随后的电子电路；并提供一种光接收元件，其执行适于高强度光输入(其中输入信号光的强度为高的)的输出操作。
根据本发明的一个方案，一种光接收元件包括：核心，被配置为传播信号光；第一半导体层，具有第一导电类型，所述第一半导体层被配置为沿第一方向从所述核心接收所述信号光，所述核心以所述第一方向延伸；吸收层，被配置为吸收由所述第一半导体层接收的所述信号光；以及第二半导体层，具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。
附图说明
图1为示出相关技术的光接收元件的一个实例的透视图；
图2为相关技术的沿图1中的虚线II-II的光接收元件的截面图；
图3为示出相关技术的光接收元件的另一个实例的透视图；
图4为相关技术的沿图3中的虚线IV-IV的光接收元件的截面图；
图5示出相关技术的光电探测器单元中的模拟光吸收分布的一个实例；
图6为示出根据第一实施例的光接收元件的结构的一个实例的透视图；
图7为沿图6中的虚线VII-VII的光接收元件的截面图；
图8示出在光接收元件的光电探测器单元中生成的光生载流子的模拟浓度分布的一个实例；
图9示出光接收元件的光电探测器单元中的模拟量子效率的一个实例；
图10为示出光接收元件的结构的一个实例的透视图；
图11为沿图10中的虚线XI-XI的光接收元件的截面图；
图12A和图12B为分别沿图10中的虚线XIIA-XIIA和XIIB-XIIB的光接收元件的截面图；
图13A和图13B示出如图10至图12B所示的光接收元件的制造工艺的一个实例(第一部分)；
图14A和图14B示出如图10至图12B所示的光接收元件的制造工艺的一个实例(第二部分)；
图15A和图15B示出如图10至图12B所示的光接收元件的制造工艺的一个实例(第三部分)；
图16A和图16B示出如图10至图12B所示的光接收元件的制造工艺的一个实例(第四部分)；
图17A和图17B示出如图10至图12B所示的光接收元件的制造工艺的一个实例(第五部分)；
图18为示出根据第二实施例的光接收元件的结构的一个实例的截面图；
图19为示出根据第三实施例的光接收元件的结构的一个实例的截面图；
图20示出在光接收元件的光电探测器单元中生成的光生载流子的模拟浓度分布的一个实例；
图21为示出根据第四实施例的光接收元件的结构的一个实例的截面图；
图22为示出根据第五实施例的光接收装置的配置的一个实例的平面图；
图23为示出根据第六实施例的光接收模块的配置的一个实例的平面图。
具体实施方式
在下文中，描述了多个实施例。
实施例
[1.第一实施例]
[1-1光接收元件600的结构]
图6为示出根据第一实施例的光接收元件600的结构的一个实例的透视图。图6仅示出光接收元件600的主要部分。图7为沿图6中的虚线VII-VII的光接收元件600的截面图。图7示出光电探测器单元601与波导单元611之间的边界区域的附近。
在说明书中，关于其上形成光接收元件的结构的基板表面侧，指向远离基板表面的方向被称为“上部”、“顶部”、“上面”、“上”或“上方”，并且指向朝着基板表面的方向被称为“下部”、“底部”、“下方”或“下”。
如同图6和图7所示，光接收元件600包括设置在基板614上方的光电探测器单元601和设置在同一基板614上方的波导单元611。
波导单元611具有这样一种结构，其中从基板614侧起层叠了核心612和上包覆层613。此层叠结构的每层的材料例如为半导体。波导单元611具有包括上包覆层613和核心612的台式结构。信号光在核心612中传播，并进入光电探测器单元601。
光电探测器单元601具有这样一种结构，其中从基板614侧起层叠了n-型半导体层602、i-型吸收层603、p-型上包覆层604以及p-型接触层605。此层叠结构的每层的材料例如为半导体。光电探测器单元601具有包括p-型接触层605、p-型上包覆层604、i-型吸收层603以及部分n-型半导体层602的台式结构。n-型半导体层602、i-型吸收层603以及p-型上包覆层604形成PIN-型光电二极管。
如同图7所示的，在光接收元件600中，核心612连接到n-型半导体层602的侧表面，并且核心612和n-型半导体层602沿核心612延伸的方向彼此相邻地连接。核心612这样形成，使得其顶表面设置为高于n-型半导体层602的底表面(设置为距离基板614更远)，并且其底表面设置为低于n-型半导体层602的顶表面(设置为距离基板614更近)。
n-型半导体层602这样形成，使得其折射率高于核心612的折射率，并低于i-型吸收层603的折射率。即，n-型半导体层602这样形成，使得其带隙波长比核心612的带隙波长更长，并比i-型吸收层603的带隙波长更短。n-型半导体层602形成为具有使对于信号光的吸收系数足够小的成分。
如同图7所示的，在光接收元件600中，信号光在波导单元611中的核心612中传播，并进入光电探测器单元601中的n-型半导体层602。n-型半导体层602沿核心612的延伸方向接收来自核心612的信号光。由于n-型半导体层602的折射率被设定为高于核心612的折射率，从而可降低信号光从核心612进入n-型半导体层602时的损耗。部分的入射信号光从n-型半导体层602渗入到i-型吸收层603，并被吸收到i-型吸收层603中。
p-侧电极和n-侧电极(未示出)分别连接到p-型接触层605和n-型半导体层602。通过在p-侧电极和n-侧电极之间施加预定电压，用处于负电势的p-侧电极以及处于正电势的n-侧电极，经由p-型上包覆层604和n-型半导体层602探测到通过i-型吸收层603中的光吸收所生成的光生载流子(空穴和电子)。因而，光电探测器单元601探测作为电信号的信号光，并生成作为电信号(光生载流子电流)的探测信号。光电探测器单元601将对应于信号光的强度的探测信号(光生载流子电流)输出到随后的电子电路。
在光电探测器单元601中，不同于在如图1和图2所示的光接收元件100的光电探测器单元101中，信号光进入与i-型吸收层603直接接触的n-型半导体层602，而在该i-型吸收层603中发生信号光的吸收。因此，在光电探测器单元601中，信号光一进入n-型半导体层602，信号光就渗入到i-型吸收层603，从而在信号光进入之后立即开始吸收信号光。因此，在光电探测器单元601中，在保证足够的光吸收效率的同时，可使PD长度比光电探测器单元101的PD长度短。
由于在光电探测器单元601中的PD长度可被缩短，从而可使得包括n-型半导体层602、i-型吸收层603以及p-型上包覆层604的电容器的尺寸较小。因此，光电探测器单元601的电容可降低，因而从CR时间常数推出的截止频率在光接收元件600和随后的电子电路之间的传输路径中变得更高。因此，光接收元件600也可在高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路，从而能够使随后的电子电路也在高频率处理输入信号。
此外，在光接收元件600中，不同于如图3和图4所示的光接收元件300的光电探测器单元301中，信号光没有直接进入i-型吸收层603而是首先进入n-型半导体层602，接着其渗入到i-型吸收层603的成分被吸收。因此，在光电探测器单元601中，所生成的光生载流子的整体浓度与光电探测器单元301中的那个相比为平坦的、略微倾斜的分布。
因此，在光电探测器单元601中，即使在所输入的信号光的强度为高的高强度光输入的情况下，也可降低局部光生载流子浓度的过量增加。因而，在光电探测器单元601中，能够降低由于光生载流子(空穴和电子)所产生的电场的影响所导致的高强度信号的高频特性的衰退。因此，在光接收元件600中，能够执行适合高强度光输入的输出操作。
如上文已经描述的，在光接收元件600中，在提高光电探测器单元601中的光吸收的效率的同时，也可在高频率将具有足够信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。此外，光接收元件600可执行适合输入信号光的强度为高的高强度光输入的输出操作。
[1.2光电探测器单元601中的光生载流子浓度分布]
图8示出在光接收元件600的光电探测器单元601中生成的光生载流子的模拟浓度分布的一个实例。纵轴表示在基于预定值被标准化时的光生载流子的浓度。横轴表示在光电探测器单元601中的PD内的位置。
在图8中，由(c)示出的曲线表示如图6和图7所示的光接收元件600的光电探测器单元601中的光生载流子浓度分布。在图8中，为了比较起见，如图1和图2所示的光接收元件100的光电探测器单元101中的光生载流子浓度分布表示为曲线(a)，并且如图3和图4所示的光接收元件300的光电探测器单元301中的光生载流子浓度分布表示为曲线(b)。图8和图9中的分布曲线(a)和(b)分布与图5中的分布曲线(a)和(b)分布相同。
如分布曲线(c)所表示的，在光接收元件600的情况下，与光接元件100(分布曲线(a))相比较，光生载流子浓度分布的峰值位于距离光电探测器单元601的端面较近的地方。因此，整体光生载流子浓度分布也移位到距离光电探测器单元601的端面较近的一侧，并且整体上分布的延伸也小。
因此，在光接收元件600中，在保证足够的光吸收效率的同时，可使光电探测器单元601的PD长度比光接收元件100中的光电探测器单元101中的PD长度短。例如，从峰值位置的移位量估计，为了获得相同的光吸收系数，约2/3的光电探测器单元101的PD长度足以作为光电探测器单元601的PD长度。
由于PD长度可被缩短，从而光电探测器单元601的电容也变得比光电探测器单元101的电容小。因而，光接收元件600也可在高频率将具有足够信号电平的探测信号供应到随后的电子电路，从而使得随后的电子电路也能够在高频率处理输入信号。
此外，如分布曲线(c)所表示的，在光接收元件600中，光生载流子浓度分布的峰值相比于光接收元件300中的光生载流子浓度分布(分布曲线(b))的峰值足够低。在光接收元件600中，光生载流子浓度分布的峰值位置处的浓度值相比于在光接收元件300的情况下(分布曲线(b))浓度的最大值足够小。此外，与光接收元件300的浓度分布(分布曲线(b))相比，整体上浓度分布是平坦的、略微倾斜的分布。
因此，即使在输入的信号光的强度高的高强度光输入的情况下，也可降低局部光生载流子浓度中的过多增加。因而，在光接收元件600中，能够降低高强度信号光的高频特性的衰退。
如上文所述，在光接收元件600中，在提高光电探测器单元601中的光吸收效率的同时，也可在高频率将具有足够信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。此外，光接收元件600可执行适于高强度光输入(其中输入信号光的强度为高的)的输出操作。
[1.3光电探测器单元601中的量子效率]
图9示出光接收元件600的光电探测器单元601中模拟的量子效率的一个实例。纵轴表示量子效率。横轴表示光电探测器单元601的PD长度。
在图9中，由(a)示出的曲线表示如图6和图7所示的光接收元件600的光电探测器单元601中的量子效率。在图9中，为了比较起见，如图1和图2所示的光接收元件100的光电探测器单元101中的量子效率表示为曲线(b)。
如从图9中明显看出的，光接收元件600的量子效率通常高于光接收元件100的量子效率。即，相比于光接收元件100，光接收元件600可通过采用如图6和图7所示的结构来提高量子效率。例如，为了获得80％的量子效率，约60％的光接收元件100的PD长度足以作为光接收元件600的PD长度。此外，例如，用同样的10μm的PD长度，光接收元件600可提供比光接收元件100的量子效率约1.5倍高的量子效率。
因此，在光接收元件600中，可提高光电探测器单元601中的光吸收的效率。
[1.4光接收元件600的结构的特定实例]
图10为示出光接收元件1000的结构的一个实例的透视图。图10仅示出光接收元件1000的主要部分。如图10所示的光接收元件1000的结构为如图6所示的光接收元件600的结构的特定实例，并具体地示出光接收元件600的每层的配置实例。图11为沿图10中的虚线XI-XI的光接收元件1000的截面图。图11示出光电探测器单元1001与波导单元1011之间的边界区域的附近。图12A为沿图10中的虚线XIIA-XIIA的光接收元件1000的截面图，其示出了台式结构的附近。图12B为沿图10中的虚线XIIB-XIIB的光接收元件1000的截面图，其示出了台式结构的附近。
如同图10至图12B所示，光接收元件1000例如包括设置在半绝缘(在下文中称为SI)InP基板1014上方的光电探测器单元1000和设置在同一SI-InP基板1014上方的波导单元1011。用来形成深度掺杂水平的元素例如Fe掺杂在SI-InP基板1014中。
波导单元1011具有这样一种结构，其中从SI-InP基板1014侧起层叠了由具有1.05μm的带隙波长的i-型InGaAsP制成的i-InGaAsP核心层1012和由i-型InP制成的i-InP包覆层1013。波导单元1011具有包括i-InP包覆层1013和i-InGaAsP核心层1012的台式结构，并具有侧表面没有埋置半导体材料的高台式波导结构。
光电探测器单元1001具有这样一种结构，其中从SI-InP基板1014侧起层叠了由具有1.3μm的带隙波长的n-型InGaAsP制成的n-InGaAsP半导体层1002、由与InP晶格匹配的i-型InGaAs制成的i-InGaAs吸收层1003、由p-型InP制成的p-InP包覆层1004、以及由p-型InGaAs和InGaAsP的两层结构构成的p-型接触层1005。
光电探测器单元1001具有包括p-型接触层1005、p-InP包覆层1004、i-InGaAs吸收层1003以及部分n-InGaAsP半导体层1002的台式结构。光电探测器单元1001具有侧表面没有埋置半导体材料的高-台式波导结构。n-InGaAsP半导体层1002、i-InGaAs吸收层1003以及p-InP包覆层1004形成PIN-型光电二极管。
p-侧电极1015形成在p-型接触层1005上方，并且n-侧电极1016形成在n-InGaAsP半导体层1002上方。光接收元件1000中没有形成p-侧电极1015和n-侧电极1016的那部分覆盖有由电介质(例如氮化硅膜)制成的钝化膜1017。在图10中，没有示出钝化膜1017，以便于容易理解结构。
用处于负电势的p-侧电极1015以及处于正电势的n-侧电极1016，将预定电压施加到p-侧电极1015与n-侧电极1016之间。因而，经由p-InP包覆层1004和n-InGaAsP半导体层1002探测通过i-InGaAs吸收层1003中的光吸收所生成的光生载流子(空穴和电子)。
在波导单元1011中，例如，i-InGaAsP核心层1012的厚度被设定为0.5μm，并且i-InP包覆层1013的厚度被设定为1.5μm。在光电探测器单元1001中，例如，n-InGaAsP半导体层1002的厚度被设定为0.5μm，i-InGaAs吸收层1003的厚度被设定为0.5μm，并且p-InP包覆层1004和p-型接触层1005的总厚度被设定为1.0μm。
通过如上文所述设定多个层的厚度，波导单元1011的i-InGaAsP核心层1012可被连接到光电探测器单元1001的n-InGaAsP半导体层1002的侧表面。波导单元1011的i-InGaAsP核心层1012和光电探测器单元1001的n-InGaAsP半导体层1002沿i-InGaAsP核心层1012延伸的方向彼此相邻地连接。
在波导单元1011中，例如，包括i-InGaAsP核心层1012和i-InP包覆层1013的台式结构的宽度(沿与i-InGaAsP核心层1012延伸方向正交的方向的宽度)为2.5μm。在光电探测器单元1001中，包括i-InGaAs吸收层1003、p-InP包覆层1004以及p-型接触层1005的台式结构的宽度(沿与i-InGaAsP核心层1012延伸方向正交的方向的宽度)为5μm，并且光电探测器单元1001的长度(PD长度)为10μm。
具有上述结构的光接收元件1000在提高光电探测器单元1001中的光吸收的效率的同时，也可在高频率将具有足够信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。此外，光接收元件1000可执行适合输入信号光的强度为高的高强度光输入的输出操作。
在上述实施例中，作为关于具有约1.5μm的波长的信号光的光接收元件1000的一个实例，描述了这样一种光电二极管，其中i-InGaAs吸收层1003由InGaAs制成并且多个层(诸如波导层)由InGaAsP-基材料制成。然而，该实施例不限于此。在根据上述实施例的光接收元件1000中，i-InGaAs吸收层1003的材料可为吸收入射信号光的波长带内的光的另一种材料，并且其它层的材料可为不吸收这种光的另一种材料。
尽管多个层(例如i-InGaAs吸收层1003)的材料在上述实例中为i-型半导体，然而，例如，i-InGaAs吸收层1003的材料的部分或全部可为p-型或n-型半导体。
尽管在上述实施例中，高台式结构在波导单元1011和光电探测器单元1001的每一个中被描述为波导结构，然而波导结构可为部分或全部结构被形成为埋置波导的这样一种结构。
[1.5光接收元件1000的制造方法]
图13A至图17B为这样一些图，其中每幅图示出如图10至图12B所示的光接收元件1000的制造工艺的实例。在图13A至图17B中，位于上侧的图13A、图14A、图15A、图16A以及图17A的每一幅图为如从上述相应基板上方来看的平面图，其示出了光接收元件1000的主要部分。位于下侧的图13B、图14B、图15B、图16B以及图17B为分别沿平面图13A、图14A、图15A、图16A以及图17A的虚线XIIIB-XIIIB、XIVB-XIVB、XVB-XVB、XVIB-XVIB以及XVIIB-XVIIB的剖视图，其示出了位于波导单元1011与光电探测器单元1001之间的边界区域的附近。在下文中，参见图13A至图17B描述光接收元件1000的制造方法的实例。
如同图13A和图13B所示出的，在SI-InP基板1301上方，例如通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法来沉积n-InGaAsP膜1302、i-InGaAs膜1303、p-InP膜1304以及由p-InGaAs和InGaAsP的两个膜构成的p-InGaAs/InGaAsP层叠膜1305。此时，执行该沉积使得n-InGaAsP膜1302具有0.5μm的厚度并且i-InGaAs膜1303具有0.5μm的厚度。此外，执行该沉积使得p-InP膜1304和p-InGaAs/InGaAsP层叠膜1305的总厚度变为1.0μm。
接着，在p-InGaAs/InGaAsP层叠膜1305上方形成掩模1401，用于覆盖成为如图10和图12B所示的光电探测器单元1001的区域，从而选择性地暴露成为波导单元1011的区域。例如，使用硅氧化物膜作为掩模1401。通过使用掩模1401根据现有技术进行蚀刻，如图14A和图14B所示，仅在光电探测器单元1001中保留n-InGaAsP膜1302、i-InGaAs膜1303、p-InP膜1304以及p-InGaAs/InGaAsP层叠膜1305，并且将这些膜从波导单元1011去除。通过此工艺，在波导单元1011中，暴露了SI-InP基板1301。
接着，如同图15A和图15B所示的，在暴露了SI-InP基板1301(从其波导单元1011)上方，通过使用MOCVD法根据现有技术选择性地生长来沉积i-InGaAsP膜1501和i-InP膜1502。此时，执行该沉积使得i-InGaAsP膜1501具有0.5μm的厚度并且i-InP膜1502具有0.5μm的厚度。由于光电探测器单元1001覆盖有在上述蚀刻中使用的掩模1401，从而可抑制i-InGaAsP膜1501和i-InP膜1502的在光电探测器单元1001中的生长。在沉积i-InP膜1502之后，去除掩模1401。
接着，在p-InGaAs/InGaAsP层叠膜1305和i-InP膜1502上方形成掩模，用于覆盖成为光电探测器单元1001和波导单元1011的每一个中的台式结构的区域。例如，使用硅氧化物膜作为掩模。通过使用此掩模根据现有技术进行蚀刻，在光电探测器单元1001和波导单元1011的每一个中形成台式结构。在蚀刻之后，去除掩模。
此时，如同图16A和图16B所示的，在光电探测器单元1001中，上述掩模用于去除p-InGaAs/InGaAsP层叠膜1305、p-InP膜1304以及i-InGaAs膜1303，并且n-InGaAsP膜1302被去除其深度的一半以存留部分n-InGaAsP膜1302。通过此工艺，暴露部分n-InGaAsP膜1302。因而，形成如图10至图12B所示的台式结构，其包括部分n-InGaAsP半导体层1002、i-InGaAs吸收层1003、p-InP包覆1004以及p-型接触层1005。
如同图16A和图16B所示的，在波导单元1011中，上述掩模用于去除i-InP膜1502和i-InGaAsP膜1501，并且位于i-InGaAsP膜1501下方的部分SI-InP基板1301也被去除。通过此工艺，暴露部分SI-InP基板1301。因而，形成图10至图12B所示的包括i-InGaAsP核心层1012和i-InP包覆1013的台式结构。
接着，在光电探测器单元1001和波导单元1011中，形成由电介质(例如氮化硅膜)制成的钝化膜1017，除了将要形成电极的区域之外。之后，如同图17A和图17B所示的，在光电探测器单元1001中，通过根据现有技术的方法，例如金属沉积或电镀，将p-侧电极1015形成在暴露p-型接触层1005的台式结构的顶部处的区域中。此外，通过根据现有技术的方法，例如金属沉积或电镀，将n-侧电极1016形成在暴露n-InGaAsP半导体层1002的区域中。在图17A的平面图中，为了便于容易理解结构，没有示出钝化膜1017。
在图17A和图17B中，具有空气桥结构的电极被用作p-侧电极1015。如从图17B的剖面图明显所看出的，由于此结构，使得p-侧电极1015和n-侧电极1016连接的n-InGaAsP半导体层1012通过空气电性绝缘。
因而，可降低在p-侧电极1015与n-侧电极1016之间产生的寄生电容。因此，可使光电探测器单元1001的电容进一步变小。因而，光接收元件1000也可在更高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。
然而，p-侧电极1015的结构不限于空气桥结构。可在将要形成p-侧电极1015的位置预先形成绝缘体，然后可将p-侧电极1015形成在绝缘体上方。在图17A和图17B中，n-InGaAsP半导体层1002部分地保留在与波导单元1011相对的PD的部分中，并且p-侧电极1015经由钝化膜1017形成在n-InGaAsP半导体层1002上方。然而，其也能够去除与波导单元1011相对的PD的部分中的n-InGaAsP半导体层1002。这能够降低p-侧电极1015的电容，并且还进一步改善了高频处的特性。
尽管图15A和图15B中并未示出，然而实际上，存在当i-InGaAsP膜1501以小的厚度也沉积在通过如图14A和图14B所示的蚀刻暴露出的光电探测器单元1001的侧壁部分上的情况。然而，在光电探测器单元1001的侧壁部分上沉积的膜相比于i-InGaAsP核心层1012足够薄，并且在侧壁部分上沉积的膜的折射率也与i-InGaAsP核心层1012的折射率相同。因而，此膜不影响信号光的传播。
[2.第二实施例]
图18为示出根据第二实施例的光接收元件1800的结构的一个实例。图18示出与如图7示出的根据第一实施例的光接收元件600的截面相应的截面。如图18所示的光接收元件1800在核心的厚度上不同于如图6示出的光接收元件600，但是其它方面相同。由于光接收元件1800的透视图与如图6示出的光接收元件600的透视图除了核心的厚度不同之外其它都相同，因而并未示出该透视图。
如同图18所示的，光接收元件1800包括设置在基板1814上方的光电探测器单元1801和设置在同一基板1814上方的波导单元1811。
波导单元1811具有这样一种结构，其中从基板1814侧起层叠了核心1812和上包覆层1813。此层叠结构的每层的材料例如为半导体。波导单元1811具有包括上包覆层1813和核心1812的台式结构。信号光在核心1812中传播，并进入光电探测器单元1801。
光电探测器单元1801具有这样一种结构，其中从基板1814侧起层叠了n-型半导体层1802、i-型吸收层1803、p-型上包覆层1804以及p-型接触层1805。此层叠结构的每层的每材料例如为半导体。光电探测器单元1801具有包括p-型接触层1805、p-型上包覆层1804、i-型吸收层1803以及部分n-型半导体层1802的台式结构。n-型半导体层1802、i-型吸收层1803以及p-型上包覆层1804形成PIN-型光电二极管。
如同图18所示的，在光接收元件1800中，核心1812连接到n-型半导体层1802的侧表面，并且核心1812和n-型半导体层1802沿核心1812延伸的方向彼此相邻地连接。核心1812这样形成，使得其顶表面设置为高于n-型半导体层1802的底表面(设置为距离基板1814更远)，并且其底表面设置为低于n-型半导体层1802的顶表面(设置为距离基板1814更近)。
n-型半导体层1802这样形成，使得其折射率高于核心1812的折射率，并低于i-型吸收层1803的折射率。即，n-型半导体层1802这样形成，使得其带隙波长比核心1812的带隙波长更长，并比i-型吸收层1803的带隙波长更短。n-型半导体层1802形成为具有使对于信号光的吸收系数足够小的成分。
此外，如同图18所示的，在光接收元件1800中，核心1812这样形成，使得其顶表面设置为低于n-型半导体层1802的顶表面(设置为距离基板1814更近)。核心1812的底表面与n-型半导体层1802的底表面齐平。例如可通过使核心1812的厚度小于n-型半导体层1802的厚度来形成如图18所示的结构。
如同图18所示的，在光接收元件1800中，信号光在波导单元1811中的核心1812中传播，并进入光电探测器单元1801中的n-型半导体层1802。n-型半导体层1802从核心1812沿核心1812的延伸方向接收信号光。由于n-型半导体层1802的折射率被设定为高于核心1812的折射率，从而可降低在信号光从核心1812进入n-型半导体层1802时的损耗。部分的入射信号光从n-型半导体层1802渗入到i-型吸收层1803，并被吸收到i-型吸收层1803中。
在光电探测器单元1801中，不同于在如图1和图2所示的光接收单元100的光电探测器单元101中，信号光进入与发生信号光的吸收的i-型吸收层1803直接接触的n-型半导体层1802。因此，信号光一进入n-型半导体层1802，信号光就渗入到i-型吸收层1803中，并且其吸收开始进行。因此，在光电探测器单元1801中，在保证足够的光吸收效率的同时，可使PD长度比光接收单元100中的光电探测器单元101的PD长度短。
由于光电探测器单元1801的PD长度可被缩短，从而可降低光电探测器单元1801的电容。因此，光接收元件1800也可在高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路，从而能够使随后的电子电路也在高频率处理输入信号。
此外，在光接收元件1800中，不同于在如图3和图4所示的光接收元件300的光电探测器单元301中，信号光没有直接进入i-型吸收层1803而是首先进入n-型半导体层1802，接着其渗入到i-型吸收层1803的成分被吸收。因此，在光电探测器单元1801中，所生成的光生载流子的整体浓度分布与光电探测器单元301中的那个相比为平坦的、略微倾斜的分布。
此外，在光接收元件1800中，不同于在如图7所示的光接收元件600中，核心1812的顶表面的位置低于n-型半导体层1802的顶表面。因此，在光接收元件1800中，与光接收元件600相比较，渗入到i-型吸收层1803的信号光变少了，减少了相应于核心1812的顶表面与n-型半导体层1802的顶表面之间的差值的量。即，i-型吸收层1803中每单位长度的吸收变得比在光接收元件600中的情况更小，并且发生充分吸收的信号光的传播距离变得比在光接收元件600中的情况更长。
因此，与在光电探测器单元601的情况下的峰值相比，光接收元件1800的光电探测器单元1801中的光生载流子浓度分布的峰值发生在距离光电探测器单元1801的端面(信号光从中进入)更远的位置处。因此，在光接收元件1800中，所生成的光生载流子的整体浓度分布延伸到距离光电探测器单元1801的端面更远的位置，因而与在光接收元件600的情况下的分布相比，为更平坦的、更略微倾斜的分布。与光接收元件600的情况下的峰值位置处的浓度值相比，在光生载流子浓度分布的峰值位置处的浓度值变小。
因此，与光电探测器单元601相比，在光接收元件1800的光电探测器单元1801中，当输入具有较高强度的信号光时，局部光生载流子浓度中的过多增加也可降低的更多。因此，在光电探测器单元1801中，可降低高强度信号光的高频特性的衰退。因而，在光接收元件1800中，与光接收元件600相比，能够执行适于具有更高强度的信号光的输入的输出操作。
如上文所述，在根据第二实施例的光接收元件1800中，在提高光电探测器单元1801中的光吸收效率的同时，也可在高频率将具有足够信号电平的探测信号可被供应到随后的电子电路。此外，光接收元件1800可执行适于高强度光输入(其中输入信号光的强度为高的)的输出操作。
此外，与根据第一实施例的光接收元件600相比较，根据第二实施例的光接收元件1800也可适合输入具有更高强度的信号光。例如，将根据第二实施例的光接收元件1800有效地应用到处理具有较高强度的信号光的光接收元件、光接收装置和光接收模块，以及使用这些光接收元件、光接收装置以及光接收模块的系统。
作为第二实施例的光接收元件1800的结构的特定实例，可使用上文所描述的作为根据第一实施例的光接收元件600的结构的特定实施例的配置。然而，如上文所述，核心1812形成为使得其厚度小于n-型半导体层1802的厚度。
对于光接收元件1800的制造方法，可使用作为光接收元件600的制造方法的上述方法。
[3.第三实施例]
[3-1.光接收元件1900的结构]
图19示出根据第三实施例的光接收元件1900的结构的一个实例。图19示出与如图7示出的根据第一实施例的光接收元件600的截面相应的截面。如图19示出的光接收元件1900在核心的厚度上不同于如图6示出的光接收元件600，但是其它方面相同。由于光接收元件1900的透视图与如同图6示出的光接收元件600的透视图除了核心的厚度不同之外其它都相同，因而并未示出该透视图。
如同图19所示，光接收元件1900包括设置在基板1914上方的光电探测器单元1901和设置在同一基板1914上方的波导单元1911。
波导单元1911具有这样一种结构，其中从基板1914侧起层叠了核心1912和上包覆层1913。此层叠结构的每层的材料例如为半导体。波导单元1911具有包括上包覆层1913和核心1912的台式结构。使信号光在核心1912中传播，并进入光电探测器单元1901。
光电探测器单元1901具有这样一种结构，其中从基板1914侧起层叠了n-型半导体层1902、i-型吸收层1903、p-型上包覆层1904以及p-型接触层1905。此层叠结构的每层的材料例如为半导体。光电探测器单元1901具有包括p-型接触层1905、p-型上包覆层1904、i-型吸收层1903以及部分n-型半导体层1902的台式结构。n-型半导体层1902、i-型吸收层1903以及p-型上包覆层1904形成PIN-型光电二极管。
在如图19所示的光接收元件1900中，核心1912连接到n-型半导体层1902和i-型吸收层1903的侧表面。核心1912与n-型半导体层1902和i-型吸收层1903沿核心1912延伸的方向彼此相邻地连接。核心1912这样形成，使得其顶表面设置为高于n-型半导体层1902的底表面(设置为距离基板1914更远)，并且其底表面设置为低于n-型半导体层1902的顶表面(设置为距离基板1914更近)。
n-型半导体层1902这样形成，使得其折射率高于核心1912的折射率，并低于i-型吸收层1903的折射率。即，n-型半导体层1902这样形成，使得其带隙波长比核心1912的带隙波长更长，并比i-型吸收层1903的带隙波长更短。n-型半导体层1902形成为具有使得对于信号光的吸收系数足够小的成分。
此外，如同图19所示的，在光接收元件1900中，核心1912这样形成，使得其顶表面设置为高于n-型半导体层1902的顶表面(设置为距离基板1914更远)，并低于i-型吸收层1903的顶表面(设置为距离基板1914更近)。核心1912的底表面与n-型半导体层1902的底表面齐平。例如可通过使核心1912的厚度大于n-型半导体层1902的厚度来形成如图19所示的结构。
然而，优选n-型半导体层1902的厚度不小于核心1912的厚度的一半。即，优选核心1912连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度不大于核心1912的整个厚度的一半。此外，优选核心1912关于厚度方向的一半或更多部分设置为比n-型半导体层1902的顶表面低(设置为距离基板1914更近)。此外，优选核心1912的厚度小于i-型吸收层1903的厚度和n-型半导体层1902的厚度之和。这是为了保证与信号光直接进入i-型吸收层1903相比，基本等同地或主要地通过将信号光从n-型半导体层1902渗入到i-型吸收层1903，来执行光电探测器单元1901中的光吸收，从而光电探测器单元1901的端面附近的光生载流子浓度的值不会变得非常大。在下文中给出在这一点上的细节。
如同图19所示的，在光接收元件1900中，信号光在波导单元1911中的核心1912中传播，并且在光电探测器单元1901中，大部分信号光进入n-型半导体层1902，并且信号光的剩余部分直接进入i-型吸收层1903。n-型半导体层1902和i-型吸收层1903从核心1912沿核心1912的延伸方向接收信号光。由于n-型半导体层1902和i-型吸收层1903的折射率被设定为高于核心1912的折射率，从而可降低在信号光从核心1912进入n-型半导体层1902和i-型吸收层1903时的损耗。已经进入n-型半导体层1902的部分信号光从n-型半导体层1902渗入到i-型吸收层1903，并被吸收到i-型吸收层1903中。已经进入i-型吸收层1903的信号光在其处于i-型吸收层1903的端面(信号光从中进入)附近的区域中时被吸收。
在光电探测器单元1901中，不同于如图1和图2所示的光接收单元100的光电探测器单元101，大部分信号光进入与发生信号光吸收的i-型吸收层1903直接接触的n-型半导体层1902。因此，信号光一进入n-型半导体层1902，大部分信号光就渗入到i-型吸收层1903中，并且信号光的吸收在进入之后立即开始。因此，在光电探测器单元1901中，在保证足够的光吸收效率的同时，可使PD长度比光接收元件100中的光电探测器单元101的PD长度短。
由于光电探测器单元1901的PD长度可被缩短，从而可减小光电探测器单元1901的电容。因此，光接收元件1900也可在高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。这能够使随后的电子电路也在高频率处理输入信号。
此外，在光接收元件1900中，不同于在如图7所示的光接收元件600中，部分信号光直接进入i-型吸收层1903。由于入射的信号光的吸收发生在信号光从中进入的i-型吸收层1903的端面附近的区域中，从而可增加光电探测器单元1901的端面附近的光生载流子的浓度值。因而，在光接收元件1900中，与光电探测器单元601相比，光电探测器单元1901中的光吸收的效率可进一步得到提高。因此，与光接收元件600相比，光接收元件1900也可适于输入具有较低强度的信号光，而不用增加PD长度。
此外，与光接收元件600相比，在光接收元件1900中，进一步提高光吸收效率能够进一步缩短光电探测器单元1901的PD长度。进一步缩短PD长度能够进一步减小光电探测器单元1901的电容。因此，光接收元件1900也可在更高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。这能够使随后的电子电路也在更高频率处理输入信号。
另一方面，在光接收元件1900中，不同于在如图4所示的光接收元件300的光电探测器单元301中，仅部分信号光直接进入i-型吸收层1903。因此，光生载流子的浓度值在光电探测器单元1901的端面(信号光从中进入)附近不会变得非常大。因此，在光电探测器单元1901中，即使在所输入的信号光的强度为高的高强度光输入的情况下，也可降低局部光生载流子浓度的过多增加。因而，在光接收元件1900中，能够降低高强度信号的高频特性的衰退。
如上文所述，在根据第三实施例的光接收元件1900中，在提高光电探测器单元1901中的光吸收效率的同时，也可在高频率将具有足够信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。此外，光接收元件1900可执行适合输入的信号光的强度为高的高强度光输入的输出操作。
此外，在根据第三实施例的光接收元件1900中，与根据第一实施例的光接收元件600相比，光吸收效率可进一步得到提高。因而，光接收元件1900也可适于探测具有较低强度的信号光，而不用增加PD长度。此外，光接收元件1900也可在高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。
例如，可将根据第三实施例的光接收元件1900有效地应用到处理具有较低强度的信号光的光接收元件、光接收装置和光接收模块，以及使用这些光接收元件、光接收装置以及光接收模块的系统。此外，可将根据第三实施例的光接收元件1900有效地应用到光接收元件、光接收装置和光接收模块(对它们而言，工作在更高工作频率处的电子电路布置在随后的级中)，以及使用这些光接收元件、光接收装置以及光接收模块的系统。
作为第三实施例的光接收元件1900的结构的特定实例，可使用上文所描述的作为根据第一实施例的光接收元件600的结构的特定实施例的配置。然而，如上文所述，核心1912形成为使其厚度大于n-型半导体层1902的厚度
对于光接收元件1900的制造方法，可使用作为光接收元件600的制造方法的上述方法。
[3-2光电探测器单元1901中的光生载流子浓度分布]
图20示出在光接收元件1900的光电探测器单元1901中生成的光生载流子的模拟浓度分布的一个实例。纵轴表示在基于预定值被标准化时的光生载流子的浓度。横轴表示在光电探测器单元1901中的PD内的位置。
在图20中，由(d)至(f)示出的曲线表示如图19所示的光接收元件1900的光电探测器单元1901中的光生载流子浓度分布。由(d)示出的分布曲线表示在核心1912中连接至i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的25％的情况下的分布。由(e)示出的分布曲线表示在核心1912中连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的50％的情况下的分布。由(f)示出的分布曲线表示在核心1912中连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的75％的情况下的分布。
在图20中，为了比较起见，如图3所示的光接收元件300的光电探测器单元301的光生载流子浓度分布曲线(b)通过虚线来表示，并且如图6所示的光接收元件600的光电探测器单元601的光生载流子浓度分布曲线(c)通过交替长短划线来表示。光生载流子浓度分布曲线(b)与核心1912中连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的100％的情况相应，并且光生载流子浓度分布曲线(c)与核心1912中连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的0％的情况相应。
[3-2-1在核心1912连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度不同的情况之间的比较]
在核心1912连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度不同的情况之间，比较光电探测器单元1901中的光生载流子浓度分布。
如图20中的分布曲线(d)所表示的，在核心1912连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的25％的情况下，光生载流子浓度分布的峰值发生在从光电探测器单元1901的端面(信号光从中进入)间隔预定距离的位置处。
在分布曲线(d)中，与在分布曲线(b)(光接收元件300)的情况下的最大值(光电探测器单元1901的端面附近的浓度)相比，光生载流子浓度分布的峰值位置处的浓度值足够小。此外，与分布曲线(b)(光接收元件300)相比，整体浓度分布为平坦的、略微倾斜的分布。
即，与分布曲线(b)(光接收元件300)相比，分布曲线(d)具有与分布曲线(c)(光接收元件600)更相似的特性。因此，在此情况下，认为如同在分布曲线(c)(光接收元件600)的情况下，主要通过将信号光从n-型半导体层1902渗入到i-型吸收层1903，而非通过信号光直接进入i-型吸收层1903，来执行光电探测器单元1901中的光吸收。
另一方面，如图20中的分布曲线(f)所表示的，在核心1912中连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的75％的情况下，光生载流子浓度分布的最大值发生在从光电探测器单元1901的端面(信号光从中进入)处，，并且在光生载流子浓度分布集中在端面附近。因此，尽管低于分布曲线(b)(光接收元件300)，光生载流子浓度仍然很高。
即，与分布曲线(c)(光接收元件600)相比，分布曲线(f)具有与分布曲线(b)(光接收元件300)更相似的特性。因此，在此情况下，认为如同在分布曲线(b)(光接收元件300)的情况下，主要通过信号光直接进入i-型吸收层1903，而非通过信号光从n-型半导体层1902渗入到i-型吸收层1903，来执行光电探测器单元1901中的光吸收。
反之，如图20中的分布曲线(e)所表示的，在核心1912中连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的50％的情况下，在从光电探测器单元1901的端面(信号光从中进入)起间隔预定距离的位置处，出现光生载流子浓度分布中的小峰值，并且在光电探测器单元1901端面附近的区域中观察到稍微高的光生载流子浓度。
在分布曲线(e)的情况下，与分布曲线(b)(光接收元件300)或上述提及的分布曲线(f)不同，光生载流子浓度分布从光电探测器单元1901的端面具有相对平坦的形状。结果是，在分布曲线(e)的情况下，光生载流子浓度的最大值降低到在分布曲线(b)(光接收元件300)情况下的最大值(光电探测器单元301端面附近的浓度)的大概(roughly)一半。
即，分布曲线(e)的特性大概介于分布曲线(c)(光接收元件600)和分布曲线(b)(光接收元件300)的特性的中间。因此，在此情况下，认为在信号光从n-型半导体层1902渗入到i-型吸收层1903和信号光直接进入i-型吸收层1903之间，对n-型半导体层1902中的光吸收的贡献比基本相同。
从上述内容意识到，核心1912中连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度优选不大于核心1912总厚度的一半。这能够保证，与信号光直接进入i-型吸收层1903相比，基本等同地或主要地通过信号光从n-型半导体层1902渗入到i-型吸收层1903，来执行光电探测器单元1901中的光吸收。因而，即使在输入的信号光的强度高的高强度光输入的情况下，也可降低局部光生载流子浓度中的过多增加。
[3-2-2与光接收元件600(浓度分布(c))的比较]
接着，关于核心1912中连接到i-型吸收层1903的那部分的厚度被设定为核心1912总厚度的25％的情况(图20中的浓度分布(d))，在光接收元件1900与光接收元件600之间比较光电探测器单元1901、601中的光生载流子浓度分布。
在图20中的分布曲线(d)的情况下，与分布曲线(c)(光接收元件600)相比，光生载流子浓度分布的峰值的位置更接近光电探测器单元1901的端面(信号光从中进入)。因此，整体光生载流子浓度分布也移位到更接近光电探测器单元1901的端面的那侧，并且整体上的分布的延伸也小。
因而，在光接收元件1900中，光吸收的效率与光接收元件600相比可进一步得到提高。因而，光接收元件1900也可适于探测具有较低强度的信号光而不用增加PD长度。
此外，在光接收元件1900中，与光接收元件600相比，进一步提高光吸收效率能够进一步缩短光电探测器单元1901的PD长度。进一步缩短PD长度能够进一步降低光电探测器单元1901的电容。因此，光接收元件1900也可在更高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。
如上文所述，在根据第三实施例的光接收元件1900中，与根据第一实施例的光接收元件600相比可进一步提高光吸收效率。因而，光接收元件1900也可适于探测具有较强浓度的信号光而不用增加PD长度。此外，光接收元件1900也可在更高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。
[4.第四实施例]
图21示出根据第四实施例的光接收元件2100的结构的一个实例。图21示出与如图7示出的根据第一实施例的光接收元件600的截面相应的截面。如图21所示的光接收元件2100与如图19示出的光接收元件1900的不同之处在于基板与核心之间形成的缓冲层，但是其它方面相同。由于如同图19示出的光接收元件1900的情况，从而并未示出光接收元件2100的透视图。
如同图21所示的，光接收元件2100包括设置在基板2114上方的光电探测器单元2101和设置在同一基板2114上方的波导单元2111。
波导单元2111具有这样一种结构，其中从基板2114侧起层叠了缓冲层2115、核心2112和上包覆层2113。此层叠结构的每层的材料例如为半导体。波导单元2111具有包括缓冲层2115、上包覆层2113和核心2112的台式结构。信号光在核心2112中传播，并进入光电探测器单元2101。
对于为何在基板2114与核心2112之间设置缓冲层2115的理由为，如果核心2112直接形成在基板2114的表面上，则可发生这样一种情况，当在基板2114的表面上沉积成为核心2112的膜时，在该膜内会出现缺陷，使得对于核心2112而言难以获得合格的膜质量。设置缓冲层2115以避免这种情况。
如同图21所示的，由于与制造工艺相关的原因，缓冲层2115也保留在光电探测器单元2101的侧壁部分中。即，也在n-型半导体层2102与i-型吸收层2103之间插入缓冲层2115。一般而言，与核心2112相比，缓冲层2115由低折射率的材料形成。因此，当已经穿过核心2112传播的信号光进入n-型半导体层2102和i-型吸收层2103时，在缓冲层2115中产生信号光的损耗。为了降低此损耗，优选尽可能薄地形成缓冲层2115。
光电探测器单元2101具有这样一种结构，其中从基板2114侧起层叠了n-型半导体层2102、i-型吸收层2103、p-型上包覆层2104以及p-型接触层2105。此层叠结构的每层的材料例如为半导体。光电探测器单元2101具有包括p-型接触层2105、p-型上包覆层2104、i-型吸收层2103以及部分n-型半导体层2102的台式结构。n-型半导体层2102、i-型吸收层2103以及p-型上包覆层2104形成PIN-型光电二极管。
核心2112经由缓冲层2115连接到n-型半导体层2102的侧表面和i-型吸收层2103的侧表面。核心2112与n-型半导体层2102和i-型吸收层2103经由缓冲层2115沿核心2112延伸的方向彼此相邻地连接。核心2112这样形成，使得其顶表面设置为高于n-型半导体层2102的底表面(设置为距离基板2114更远)，并且其底表面设置为低于n-型半导体层2102的顶表面(设置为距离基板2114更远)。
在本说明书中，核心连接到n-型半导体层的侧表面或i-型吸收层的侧表面的情况还包括核心经由缓冲层连接到n-型半导体层的侧表面或i-型吸收层的侧表面的情况。
n-型半导体层2102这样形成，使得其折射率高于核心2112的折射率，并低于i-型吸收层2103的折射率。即，n-型半导体层2102这样形成，使得其带隙波长比核心2112的带隙波长更长，并比i-型吸收层2103的带隙波长更短。n-型半导体层2102形成为具有使得对于信号光的吸收系数足够小的成分。
此外，如同图21所示的，核心2112这样形成，使得其顶表面设置为高于n-型半导体层2102的顶表面(设置为距离基板2114更远)，并低于i-型吸收层2103的顶表面(设置为距离基板2114更近)。核心2112的底表面高于n-型半导体层2102的底表面(设置为距离基板2114更远)，并低于n-型半导体层2102的顶表面(设置为距离基板2114更近)。缓冲层2115的底表面与n-型半导体层2102的底表面齐平。例如可通过使包括核心2112和缓冲层2115的层叠件的厚度大于n-型半导体层2102的厚度来形成如图21所示的结构。
然而，优选n-型半导体层2102的厚度不小于核心2112的厚度的一半。即，优选核心2112连接到i-型吸收层2103的那部分的厚度不大于核心2112的整个厚度的一半。这是为了保证，主要通过信号光从n-型半导体层2102渗入到i-型吸收层2103，而不是通过信号光直接进入i-型吸收层2103，来执行光电探测器单元2101中的光吸收，从而光电探测器单元2101的端面附近的光生载流子浓度的值不会变得非常大。关于这点的细节如参考第三实施例上文所描述。
如同图21所示的，在光接收元件2100中，信号光在波导单元2111中的核心2112中传播，并在光电探测器单元2101中，大部分信号光进入n-型半导体层2102，并且信号光的剩余部分直接进入i-型吸收层2103。n-型半导体层2102和i-型吸收层2103从核心2112沿核心2112的延伸方向接收信号光。已经进入n-型半导体层2102的部分信号光从n-型半导体层2102渗入到i-型吸收层2103，并被吸收到i-型吸收层2103中。已经直接进入i-型吸收层2103的信号光在其处于光电探测器单元2101的端面(信号光从中进入)附近的区域中时被吸收。
在光电探测器单元2101中，如同在图19所示的光接收单元1900的光电探测器单元1901中，大部分信号光进入与发生信号光吸收的i-型吸收层2103直接接触的n-型半导体层2102。因此，在光电探测器单元2101中，大部分信号光一进入n-型半导体层2102，信号光就渗入到i-型吸收层2103中，并且信号光的吸收在进入之后立即开始。因此，在光电探测器单元2101中，在保证足够的光吸收效率的同时，可使PD长度比光接收元件100中的光电探测器单元101的PD长度短。
由于光电探测器单元2101的PD长度可被缩短，从而可减小光电探测器单元2101的电容。因此，光接收元件2100也可在高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。这能够使随后的电子电路也在高频率处理输入信号。
此外，在光接收元件2100中，如同在光接收元件1900的光电探测器单元1901中，部分信号光直接进入i-型吸收层2103。由于入射的信号光的吸收发生在i-型吸收层2103的端面(信号光从中进入)附近的区域中，从而光电探测器单元2101的端面附近的光生载流子浓度值可得到增加。因而，在光接收元件2100中，与如图7所示的光接收元件600的光电探测器单元601相比，光电探测器单元2101中的光吸收的效率可进一步得到增加。因此，与光接收元件600相比，光接收元件2100也可适于输入具有较低强度的信号光，而不用增加PD长度。
此外，与光接收元件600相比较，在光接收元件2100中，进一步提高光吸收效率能够进一步缩短光电探测器单元2101的PD长度。进一步缩短PD长度能够进一步减小光电探测器单元2101的电容。因此，光接收元件2100也可在更高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。这能够使随后的电子电路也在更高频率处理输入信号。
另一方面，在光接收元件2100中，不同于在如图4所示的光接收元件300的光电探测器单元301中，仅部分信号光直接进入i-型吸收层2103。因此，光生载流子的浓度值在光电探测器单元2101的端面(信号光从中进入)附近不会变得非常大。因此，在光电探测器单元2101中，即使在所输入的信号光的强度高的高强度光输入的情况下，也可降低局部光生载流子浓度的过多增加。因而，在光接收元件2100中，能够降低高强度信号的高频特性的衰退。
如上文已经描述的，在根据第四实施例的光接收元件2100中，如同在根据第三实施例的光接收元件1900中的情况，可在提高光电探测器单元2101中的光吸收效率的同时，也可在高频率将具有足够信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。此外，光接收元件2100可执行适合输入的信号光的强度为高的高强度光输入的输出操作。
此外，在根据第四实施例的光接收元件2100中，与根据第一实施例的光接收元件600相比，光吸收效率可进一步得到增加。因而，光接收元件2100也可适于探测具有较低强度的信号光，而不用增加PD长度。此外，光接收元件2100也可在高频率将具有足够的信号电平的探测信号供应到随后的电子电路。
作为根据第四实施例的光接收元件2100的结构的特定实例，如同在根据第三实施例的光接收元件1900中的情况，可使用上文所描述的作为根据第一实施例的光接收元件600的结构的特定实例的配置。然而，例如，形成具有0.1μm厚度的InP层作为缓冲层2115。此外，由核心2112和缓冲层2115构成的层叠件形成为使其厚度大于n-型半导体层2102的厚度。
对于光接收元件2100的制造方法，如同在根据第三实施例的光接收元件1900中的情况，可使用作为光接收元件600的制造方法的上述方法。然而，在如图14A和图14B示出的去除步骤之后，并在如图15A和图15B所示的沉积步骤之前，增加沉积厚度0.1μm的InP膜的步骤。
[5.第五实施例]
图22示出根据第五实施例的光接收装置2200的配置的一个实例。
图22所示的光接收装置2200表示了一个用于解调在四相相移键控(QPSK)方法中调制的信号的光相干接收器(optical coherent receiver)的实例。从小型化并且装配成本缩减的观点看，光接收装置2200可作为波导-集成型光接收装置得到期望的发展，其中光混合波导将相位调制信号光转变为强度调制的信号光)，并且光电二极管(PD)被集成到同一基板上。
如同图22所示的，光接收装置2200包括光电探测器单元2201、连接波导单元2202、光混合波导单元2203以及输入波导单元2204。光电探测器单元2201包括四个光电二极管(PD)装置2205至2208。连接波导单元2202包括四个连接波导2209至2212。光混合波导单元2203具有两个输入和四个输出。输入波导单元2203包括两个输入波导2214和2215。
输入波导单元2204的两个输入波导2214和2215连接到90度光混合波导单元2213的两个输入。光电探测器单元2201的四个连接波导2209至2212连接到90度光混合波导单元2213的四个输出。四个连接波导2209和2212也连接到相应的光电探测器单元2201的PD装置2205至2208。
在光接收装置2200中，在PD装置2205和连接波导2209部分中，可分别使用如图7、图18、图19以及图21所示的根据第一到第四实施例的光接收元件600、1800、1900以及2100的任一个中的光电探测器单元601、1801、1901或2101和波导单元611、1811、1911或2111。同样也可应用于剩余的PD装置和连接波导部分，即也可应用于PD装置2206和连接波导2212、PD装置2207和连接波导2210以及PD装置2208和连接波导2211。光混合波导单元2203和输入波导单元2204与连接波导单元2202一样具有相同的分层结构，并且与光电探测器单元2201和连接波导单元2202一样形成在同一基板上方。
描述了光接收装置2200的操作。QPSK调制信号光进入输入波导2214，并且本振(在下文中称为LO)光作为参考光进入输入波导2215。90度光混合波导单元2213经由输入波导2214和2215分别接收信号光和LO光。90度光混合波导单元2213通过在LO光与信号光之间引起干涉来解调QPSK调制信号光，从而生成彼此180°异相的I-通道信号光和彼此180°异相的Q-通道信号光。90度光混合波导单元2213将互补的I-通道信号光输出到连接波导2209和2210，并将互补的Q-通道信号光输出到连接波导2211和2212。
PD装置2205和2206分别经由连接波导2209和2210从90度光混合波导单元2213接收互补的I-通道信号光。PD装置2205和2206的每一个探测所接收的I-通道信号光作为电信号，并且产生I-通道信号(电信号)。PD装置2207和2208分别经由连接波导2211和2212从90度光混合波导单元2213接收互补的Q-通道信号光。PD装置2207和2208的每一个探测所接收的Q-通道信号光作为电信号，并且生成Q-通道信号(电信号)。
作为如上文所述的90度光混合波导单元2213，例如，可使用具有四个输入和四个输出的4×4多模干涉(在下文中称为MMI)波导。在这种情况下，输入波导2214和2215的每一个连接到4×4MMI波导的两个输入。连接波导2209到2212连接到4×4MMI波导的四个输出。
在根据第五实施例的光接收装置2200中，如同在根据第一到第四实施例的接收元件600、1800、1900以及2100的情况中，在提高光电探测器单元2201中的光吸收效率的同时，也可在高频率将在光电探测器单元2201中生成的具有充足信号电平的I-通道信号和Q-通道信号供应到随后的电子电路。
光接收装置2200还可执行适于高强度光输入(其中输入的信号光的强度为高的)的输出操作。因此，例如，当通过在90度光混合波导单元2213中将信号光转换成强度调制信号光(互补的I-通道信号光和互补的Q-通道信号光)来解调相位调制信号光时，即使为提高所转换的信号光的强度而增加LO光的强度，在PD装置2205到2208中，也可降低所输入的高强度信号光的高频特性的衰退。
在光电探测器单元2201中所包括的四个PD装置2205至2208中，独立地形成相应的n-型半导体层。因而，不仅可形成p-侧电极还可形成n-侧电极，以使在各个PD装置2205至2208之间被电性隔离，从而保证在各个PD装置2205至2208之间足够的电性隔离。因此，可降低PD装置2205至2208之间不期望的串扰(crosstalk)，从而使得光接收装置2200能够很少错误地接收信号光。
尽管以上述第五实施例中的波导-集成型的光接收装置2200的一个实例给出了光相干接收器，然而第五实施例不限于此。可使用集成有PD和波导的任意装置，并且根据第一至第四实施例的每一个的光接收元件600、1800、1900或2100可被应用到这种装置。
[6.第六实施例]
图23示出根据第六实施例的光接收装置2300的配置的一个实例。
图23示出的光接收装置2300表示了用于解调在双极型-四相相移键控(DP-QPSK)方法中的调制信号的光相干接收器模块的实例。
如同图23所示的，光接收装置2300包括光相干接收器2301和2302、跨阻放大器(trans-impedance amplifier)(在下文中称为TIA)2303至2306、偏振分光镜(polarization light splitter)(在下文中称为PBS)2307和2308、透镜2309至2314以及镜子2315和2316。此外，光纤电缆2317和2318连接到光接收模块2300。
光接收模块2300经由光纤电缆2317接收DP-QPSK调制的信号光，并经由光纤电缆2318接收作为参考光的LO光。DP-QPSK调制的信号光包括具有不同的、相互正交的偏振方向的两路信号光，并且两路信号光传输彼此不同的光。
使得DP-QPSK调制的信号光经由透镜2309进入PBS 2307，并由PBS2307分成具有不同偏振方向的两路信号光。使所分成的两路信号光其中之一经由透镜2311进入光相干接收器2301，并且使另一个经由镜子2315和透镜2313进入光相干接收器2302。类似地将LO光供应到光相干接收器2301和2302的每一个。
可使用如图22所示的根据第五实施例的光接收装置2200作为光相干接收器2301和2302的每一个。光相干接收器2301和2302的每一个接收QPSK调制的信号光和LO光，并通过LO光与信号光之间引起干涉来解调QPSK调制信号。
光相干接收器2301探测通过解调获得的互补的I-通道信号光作为互补的电信号(I-通道信号)。光相干接收器2301探测通过解调获得的互补的Q-通道信号光作为互补的电信号(Q-通道信号)。光相干接收器2301将通过探测获得的互补的I-通道信号(电信号)供应到TIA 2303，并将通过探测获得的互补的Q-通道信号(电信号)供应到TIA 2304。类似地，光相干接收器2302将互补的I-通道信号供应到TIA 2305，并将互补的Q-通道信号供应到TIA 2306。
TIA 2303至2306的每一个接收互补的I-通道信号或互补的Q-通道信号，并差别放大信号电平。
在根据第六实施例的光接收模块2300中，如在根据第五实施例的光接收装置2200中，在提高光相干接收器2301和2302中的光吸收效率的同时，也能够在高频率将具有足够信号电平的I-通道信号和Q-通道信号供应到TIA2303至2306中的每一个。
此外，光接收模块2300中可执行适于输入的信号光的强度为高的高强度光输入的输出操作。因此，例如，当通过在光相干接收器2301和2302的每一个中将信号光转换成强度调制信号光来解调相位调制信号光时，即使为提高所转换的信号光的强度而增加LO光的强度，也可降低所输入高强度信号光的高频特性的衰退。
在光相干接收器2301和2302的每一个中所包含的多个PD装置中，独立形成相应的n-型半导体层。因而，不仅可形成p-侧电极还可形成n-侧电极，以在各个PD装置之间被电性隔离，从而保证在各个PD装置之间足够的电性隔离。因此，可降低多个PD装置之间不期望的串扰，从而使得光接收模块2300能够很少错误地接收信号光。
在上文中已经描述了根据每一个示例性的实施例的光接收元件、光接收装置以及光接收模块。然而，实施例不限于本文特别讨论的实施例，可在不偏离所附权利要求的范围内对实施例做出各种变化和改型。
本文记载的所有实例和条件性语言旨在用作教导性目的，以帮助读者理解本发明和发明人对现有技术改进提出的概念，并应解释为不限制于这些具体列举的实例和条件，说明书中这些实例的构成也不涉及显示本发明的优劣。尽管已经详细描述了本发明的实施例，但应理解在不背离本发明的精神和范围的情况下可对其进行各种改变、替代和改进。

Claims (6)

1.一种光接收元件，包括：
核心，被配置为传播信号光；
第一半导体层，具有第一导电类型，所述第一半导体层被配置为沿第一方向从所述核心接收所述信号光，所述核心以所述第一方向延伸；
吸收层，被配置为吸收由所述第一半导体层接收的信号光；以及
第二半导体层，具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型；
其中所述核心的上表面比所述第一半导体层的上表面距离基板更远，并且比所述吸收层的上表面距离所述基板更近，所述核心和所述第一半导体层布置在所述基板上或上方。
2.根据权利要求1所述的光接收元件，
其中所述第一半导体层的厚度不小于所述核心的厚度的一半。
3.一种光接收装置，包括：
波导单元，设置在基板的第一区域中，所述波导单元包括被配置为传播多路第一光的多个波导；以及
光电探测器单元，设置在所述基板的第二区域中，所述光电探测器单元包括被配置为从所述多个波导接收所述多路第一光的多个光接收元件，
其中所述多个波导的每一个包括：
核心，被配置为传播所述多路第一光中相应的一路第一光，以及
其中所述多个光接收元件的每一个包括：
第一半导体层，具有第一导电类型，所述第一半导体层被配置为沿第一方向从多个核心中相应的一个核心接收所述多路第一光中相应的一路第一光，所述相应的一个核心以所述第一方向延伸，所述核心的厚度比所述第一半导体层的厚度的一半更厚；
吸收层，被配置为吸收由所述第一半导体层所接收的所述相应的一路第一光；以及
第二半导体层，具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。
4.一种光接收装置，包括：
第一波导单元，设置在基板的第一区域中，所述第一波导单元被配置为传播多路第一光；
第二波导单元，设置在所述基板的第二区域中，所述第二波导单元被配置为接收所述多路第一光并基于所述多路第一光生成多路第二光；
第三波导单元，设置在所述基板的第三区域中，所述第三波导单元包括被配置为传播所述多路第二光的多个波导；以及
光电探测器单元，设置在所述基板的第四区域中，所述光电探测器单元包括被配置为从所述多个波导接收所述多路第二光的多个光接收元件，
其中所述多个波导的每一个包括：
核心，被配置为传播所述多路第二光中相应的一路第二光，并且
其中所述多个光接收元件的每一个包括：
第一半导体层，具有第一导电类型，所述第一半导体层被配置为沿第一方向从多个核心中相应的一个核心接收所述多路第二光中相应的一路第二光，所述相应的一个核心以所述第一方向延伸，所述核心的厚度比所述第一半导体层的厚度的一半更厚；
吸收层，被配置为吸收由所述第一半导体层所接收的所述相应的一路第二光；以及
第二半导体层，具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。
5.根据权利要求4所述的光接收装置，
其中所述多路第一光包括信号光和参考光；并且所述第二波导单元包括多模干涉波导，其被配置为通过引起所述信号光与所述参考光之间的干涉来生成所述多路第二光。
6.一种光接收模块，包括：
多个光接收装置，被配置为接收多路第一光，所述多个光接收装置被配置为探测所述多路第一光并且基于所述多路第一光输出多个电信号；以及
多个放大器，被配置为接收所述多个电信号并放大所述多个电信号，
其中所述多个光接收装置的每一个包括：
第一波导单元，设置在基板的第一区域中，所述第一波导单元被配置为传播所述多路第一光；
第二波导单元，设置在所述基板的第二区域中，所述第二波导单元被配置为接收所述多路第一光并基于所述多路第一光生成多路第二光；
第三波导单元，设置在所述基板的第三区域中，所述第三波导单元包括被配置为传播所述多路第二光的多个波导；以及
光电探测器单元，设置在所述基板的第四区域中，所述光电探测器单元包括被配置为从所述多个波导接收所述多路第二光的多个光接收元件，
其中所述多个波导的每一个包括：
核心，被配置为传播所述多路第二光中相应的一路第二光；以及
其中所述多个光接收元件的每一个包括：
第一半导体层，具有第一导电类型，所述第一半导体层被配置为沿第一方向从多个核心中相应的一个核心接收所述多路第二光相应的一路第二光，所述相应的一个核心以所述第一方向延伸，所述核心的厚度比所述第一半导体层的厚度的一半更厚；
吸收层，被配置为吸收由所述第一半导体层所接收的所述相应的一路第二光；以及
第二半导体层，具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型。
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