CN103154791A - 包含掩埋异质结构半导体光学放大器和光电检测器的单片集成结构 - Google Patents

包含掩埋异质结构半导体光学放大器和光电检测器的单片集成结构 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种包含掩埋异质结构半导体光学放大器(2)的单片集成结构和包含此结构的深隆脊光学接收器。

Description

包含掩埋异质结构半导体光学放大器和光电检测器的单片集成结构
本发明涉及光学组件。
背景技术
光学前置放大例如广泛用于提高光电接收器的灵敏度，以便改进数字通信系统中光纤上的数据传输的距离。在此类系统中，成本通常是一个重要的要考虑的问题。在这点上，半导体光学放大器(下文也称为SOA)和光电检测器在一个InP单芯片中的单片集成变得特别重要，因为这可以促进减少接收器终端的成本以及其大小。
发明内容
在描述本发明的实施例之前，先简要介绍已知的解决方案。
已知三种用来对SOA和光电检测器进行单片集成的解决方案：
第一种解决方案使用与深隆脊光电二极管(PD)集成的浅隆脊SOA，这两个元件通过横向锥体垂直耦合，所述横向锥体允许分别用SOA和PD的垂直外延结构的单步骤生长的制造过程。然而，在此已知解决方案中，SOA与光电二极管之间的耦合通常会诱发传播损耗，传播损耗通常会导致放大增益受到限制(通常小于10dB)。另外，垂直耦合通常需要低限制SOA有源区域，这通常会诱发极大的TE/TM极化损耗。
第二种已知的解决方案涉及对于SOA和光电检测器两者采用类似的有源区域和半绝缘掩埋异质结构(也被称为对接耦合)来提高这两个光学组件之间的耦合效率。基于这种已知解决方案，已经显示了大约14dB的较大增益。然而，此已知解决方案的一个典型但重要的限制与光电二极管的电力饱和度减少有关，这是因为直接光学注射，其通常会诱发大约3dB的光电二极管带宽滚降。另一个缺点在于难以(或者有时候不可能)独立优化SOA和光电二极管的有源区域的厚度，这通常导致SOA性能不良和/或光电二极管的带宽受到限制。
第三种已知的解决方案涉及使用量子阱混合来通常对SOA区段和无源区段和光电二极管(其在无源波导上短暂耦合)使用相同波导。在此解决方案中，SOA、无源波导和光电二极管通常使用相同浅隆脊结构。尽管此解决方案通常允许短暂耦合以提高光电检测器的电力饱和度，并且共用浅隆脊结构简化了组件的工艺，但是这种方案通常有一个缺点，即这样提高电力饱和度的代价是SOA输入端(光纤耦合区段)上的耦合效率较低，这通常会提高SOA噪声指数，并且通常因此会降低接收器的灵敏度。光斑尺寸转换器(SSC)可以补救此耦合问题，然而通常难以用隆脊SOA结构实现SSC，因为有源区域中的限制较高。浅隆脊结构的另一个典型缺点是光电二极管的容量和电阻提高，这通常会导致估计带宽低于36GHz，虽然尺寸小(大约90μm2)，并且有效负载为250Ω。
另外，据发明人所知，目前对于这种解决方案只阐述了TE模式操作装置。
因此，本发明的一些实施例的特征在于一种单片集成结构，其包含掩埋异质结构半导体光学放大器和深隆脊光电检测器，所述掩埋异质结构半导体光学放大器包含有源波导。
根据某些特定实施例，所述结构包含第一低限制光学无源波导，其经配置以将入射光注射到所述结构中。
根据某些特定实施例，所述结构包含第一光斑尺寸转换器，其经配置以允许第一光学无源波导与半导体光学放大器的有源波导之间的耦合。
根据某些特定实施例，所述结构包含光学无源过渡波导，其具有高限制，且其经配置以将光短暂地耦合到光电二极管的有源区域。
根据某些特定实施例，所述高过渡光学无源波导包含InGaAsP层。
根据某些特定实施例，半导体光学放大器的有源波导和过渡光学无源波导对接耦合。
根据某些特定实施例，半导体光学放大器的有源波导借助于第二光斑尺寸转换器耦合到第二光学无源波导，并且第二光学无源波导借助于第三光斑尺寸转换器耦合到无源过渡波导，从而阻止或实质性减少了朝向半导体光学放大器后向反射。
根据某个特定实施方案，所述无源过渡波导在光电检测器附近至少部分是平面的。
本发明的一些实施例的特征在于一种接收器，其包含本文中所提议的单片集成结构。
在附图的辅助下，在以下描述中以及在权利要求书中更详细描述本发明的这些和其它特征和优点，目的是进行图解说明而不是限制。
附图说明
图1是根据一些实施例的单片集成掩埋异质结构SOA和深隆脊光电检测器的俯视图的示范性示意性表示。
图2是图1的单片集成掩埋异质结构SOA和光电检测器的横截面图的示范性示意性表示。
图3是同光电检测器与SOA之间的耦合效率相关的模拟结果的示范性图形图示，其中展示了特定的二极管宽度和特定的BH-SOA光电二极管光学过渡波导长度下的光电二极管量子效率对二极管长度。
图4是根据一些实施例的对接耦合配置的单片集成BH-SOA和深隆脊光电检测器的俯视图的示范性示意性表示。
图5是图4的单片集成掩埋异质结构SOA和光电检测器的横截面图的示范性示意性表示。
具体实施方式
本发明的实施例涉及使用与光电二极管单片集成的掩埋异质结构SOA。
掩埋异质结构(BH)配置在相关技术中是已知的。简而言之，此配置包含具有不同结晶结构的半导体材料的各种层或区域，所述不同结晶结构又在所述结构内产生不同带隙。
掩埋异质结构优选用于SOA中，因为其可允许比浅隆脊与深隆脊结构更好的热耗散和更低的光学损耗。此外，在使用掩埋异质结构而非浅隆脊与深隆脊结构时，得到低极化依赖性以及低耦合损耗可能变得相对更容易。
用于制造BH-SOA的一些优选材料是InGaAsP和InGaAs。
光电二极管结构提供于深隆脊配置中，其可与高速操作(低结电容和低电阻)兼容。
用于制造光电检测器的一些优选材料是InGaAsP、InGaAs和InP。
为了确保SOA与光电检测器之间的高耦合效率和电隔离度，可在SOA输出无源光波导与光电检测器之间插入高限制的无源过渡光波导。
在本描述的上下文中，在提到“高”限制波导时应被理解为涉及能够带有面积通常具有大约1.5μm或以下的1/e2的宽度的光学模式和波导层中的高光学限制(举例来说大约60%)的光波导。类似地，低限制光波导是能够带有面积通常具有大约1.5μm与6μm之间的1/e2的宽度的光学模式和波导层中的低光学限制(举例来说大约15%)的波导。举一个说明性且非限制性实例，应注意低限制波导可在厚度大约0.15μm且宽度大约3μm的InGaAsP材料(大约1.17μm的光致发光)中制造；类似地，高限制波导可在厚度大约0.52μm且宽度大约0.13到3μm和大约1.1μm的InGaAsP材料(大约1.3μm的光致发光)中制造，采用对接耦合配置。
此无源波导可提供电隔离，并且波导的高限制特性可在BH结构和平面区段区域中大大改进耦合效率和减少反射。此解决方案还有一个优点，即减少了BH结构与提供光电检测器的平面区段之间的反射，下文对此将做更详细描述。
用于制造无源过渡波导的优选材料是InGaAsP。
图1是根据一些实施例的装置1的俯视图的示范性示意性表示，所述装置包含单片集成的BH-SOA2和光电检测器3。装置1经配置以通过第一光斑尺寸转换器(SSC)4接收输入光L，以便允许传入光纤(图中未展示)与BH-SOA2之间的光的高效且低损耗的耦合。优选使用第一低限制光学无源波导5以便将入射光注射到SSC4中。
用于制造SSC的一些优选材料是InGaAsP和InGaAs。
SSC4因而将入射光耦合到BH-SOA2中，入射光在此处被放大且随后被从BH-SOA2的有源波导提供到BH-SOA的输出端，在此处入射光被输入到第二SSC6中。第二SSC6还允许将光高效且低损耗地耦合到装置1的随后级，所述随后级可能是第二光学无源波导7。第二SSC6可具有与第一SSC4相同的结构并且由相同材料制造而成。此外，第一光学无源波导5和第二光学无源波导7可以是同一个结构的一些部分，如图2所示。
然后，可将光从光学无源SOA波导7输入到光学无源过渡波导8中，后者优选由InGaAsP层(所述材料的光致发光Q大约为1.3μm)制造而成。光学无源过渡波导8可用于将光短暂耦合到光电二极管3的有源区域。
本发明的上下文内的短暂耦合可以在以下时候产生：吸收层不在入射光的前方，而是例如在引导光的波导之上位移。结果是光吸收分布在较宽面积的吸收上，因而光被光电二极管短暂吸收。此效果可避免或减少光生载流子的不当集中。
图2是图1的装置的横截面图的示范性示意性表示。在此图中，除非另有规定，否则已经给相同的元件与图1中的元件相同的参考标号。
如图2所示，装置1包含根据一些实施例单片集成的BH-SOA2和光电检测器3。光电检测器优选是深隆脊的。
入射输入光L优选被输入到光学无源SOA波导5中，使用其以便将入射光L注射到第一SSC4中。第一SSC4将光耦合到BH-SOA2。
如上所述，BH-SOA2放大接收到的光，且随后在其输出端处提供所述光，在输出端处，所述光被输入到第二SSC6中。在BH-SOA中行进、穿过BH-SOA行进且从BH-SOA行进出来的光已经在图2中用参考标号L1展示。第二SSC6允许将光(展示为L2)高效且低损耗地耦合到第二光学无源SOA波导7。所述光可接着从光学无源SOA波导7输入到光学无源过渡波导8中，如借助于箭头L3所示。所述光学无源过渡波导8可用于将展示为L4的光短暂耦合到光电二极管3的有源区域。
如图1中更清楚展示，半导体光学放大器21的有源波导借助于第二光斑尺寸转换器6耦合到第二光学无源波导7，并且第二光学无源波导借助于第三光斑尺寸转换器9耦合到无源过渡波导8。此布置具有一个优点，即阻止或实质性减少了从无源过渡波导8朝向半导体光学放大器2的后向反射。
优选地，所述无源过渡波导8在光电检测器区附近具有平面形状。此区在图1和2中通过参考标号8a示意性地展示。无源过渡波导的平面形状是有利的，因为其简化了制造工艺。
图3是同低限制无源波导与光电检测器(在此情况下为光电二极管)之间的耦合效率相关的模拟结果的示范性图形图示，其中展示了特定的二极管宽度和特定的BH-SOA光电二极管光学过渡波导长度下的光电二极管量子效率对二极管长度。应注意，此曲线图仅是出于图解说明和更好地理解此处描述的实施例的目的提供的。因而，尽管此图展示了模拟结果，但是其不应被解释为对此类实施例施加任何限制。图3的曲线图涉及大约4μm的光电二极管宽度，且BH-SOA光电二极管光学过渡波导8的长度(即，从BH-SOA的输出端到光电二极管的输入端)的值大于零(>0)。所述长度在图2中用参考标号D表示，对于所述长度，一些优选的值大约为0.1μm和大约10μm。对于4x15μm2(其可以是用于100Gb/s应用的典型二极管面积)的光电二极管来说，在大约1.55μm的波长下实现大约42%的量子效率——这被视为较高，并且TE/TM极化依赖性损耗小于大约0.5dB。当使用SOA光学前置放大时，预期增益较高(举例来说20dB以上)，从而允许较高的灵敏度。
针对BH-SOA和光电检测器彼此之间具备某些分离的装置结构提供以上实施例。根据替代实施例，BH-SOA和PD可位于大概或大体上紧挨着彼此的位置。此配置也可称为对接耦合配置。
图4是根据一些实施例的对接耦合配置的单片集成的此BH-SOA2和深隆脊光电二极管3的示范性俯视图。在此图中，已经给相同的元件与图1和2中的元件相同的参考标号。
对接耦合是一种已知技术，其对于许多应用具有某些优点，确切地说是在期望设计一种能够集成多种功能性(举例来说，除了光电检测之外还有多路复用/多路分用)的装置的情况下。
返回参看图4，装置1经配置以通过第一光斑尺寸转换器(SSC)4接收输入光L，以便允许传入光纤(图上未展示)与BH-SOA2之间的光的高效且低损耗的耦合。优选使用光学无源波导5以便将光注射到光斑尺寸转换器(SSC)4中。
因而SSC4将入射光耦合到BH-SOA2，在此处，所述光被放大且随后被提供到BH-SOA2的输出端处，在此处，光被输入到优选由InGaAsP制成的无源过渡波导8中。光学无源过渡波导8可用于将光短暂耦合到光电二极管的有源区域，对此已相对于图1和2加以描述。
图5是图4的装置的横截面图的示范性示意性表示。
如图5所示，所述装置包含根据一些实施例单片集成的BH-SOA2和深隆脊光电二极管3。
优选地将入射输入光L输入到光学无源波导5中，使用所述光学无源波导5以便将入射光L注射到第一SSC4中，如箭头L1所示。第一SSC4将光耦合到BH-SOA2中。
如上所述，BH-SOA2放大接收到的光，且随后在其输出端处提供所述光，在输出端处，所述光被输入到无源过渡波导8中。在BH-SOA中行进和行进通过BH-SOA的光已在图5中通过参考标号L2展示，并且在无源过渡波导中行进的光已展示为L3。光学无源过渡波导8可用于将展示为L4的光短暂耦合到光电二极管3的有源区域。
在图4和5的对接耦合配置中，光学过渡波导8的长度D(即从BH-SOA的输出端到光电二极管的输入端)还可具有任何大于零(>0)的值，其中一些优选的值小于大约100μm，或大约10μm。
本文中所提议的解决方案涉及提供光学前置放大，这是用于针对具有扩展的传输范围的高速应用(100Gb/s和以上)开发的接收器的一项重要特征。光电检测器的优化结构(与高速操作兼容的深隆脊)与掩埋异质结构SOA(提供高光学增益、低噪声系数和低极化依赖性)的集成优选利用了经由SSC和掩埋波导的短暂光学耦合，这种集成提供了此类期望的功能性。此集成方案不同于已知解决方案，并且可以解决所述两个组件之间的光学反射的限制，这可以允许对SOA有源波导与高限制无源波导之间的再生长界面进行蚀刻，此界面原本在这两个波导未实质上或理想地对准的情况下可能会引起反射。
因而，本文中所提议的解决方案提供了允许实现高光学增益、低插入损耗和低噪声指数的优点。此外，所提议的解决方案与已知解决方案相比可提供低TE/TM极化损耗和高速操作。
进一步应注意，对应于所主张的构件的结构的列表不是穷尽性的，并且所属领域的技术人员了解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用等效结构来取代所陈述的结构。
所属领域的技术人员应了解，本文中的任何框图都是表示体现本发明的原理的说明性电路的概念视图。

Claims (9)

1.一种单片集成结构，其包含包含有源波导的掩埋异质结构半导体光学放大器和深隆脊光电检测器。
2.根据权利要求1所述的结构，其包含第一低限制光学无源波导，所述第一低限制光学无源波导经配置以将入射光注射到所述结构中。
3.根据权利要求2所述的结构，其包含第一光斑尺寸转换器，所述第一光斑尺寸转换器经配置以允许所述第一光学无源波导与所述半导体光学放大器的所述有源波导之间的耦合。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的结构，其包含光学无源过渡波导，所述光学无源过渡波导具有高限制，且经配置以将所述光短暂地耦合到光电二极管的有源区域。
5.根据权利要求4所述的结构，其中所述高过渡光学无源波导包含InGaAsP层。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的结构，其中所述半导体光学放大器的所述有源波导和所述过渡光学无源波导对接耦合。
7.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的结构，其中所述半导体光学放大器的所述有源波导借助于第二光斑尺寸转换器耦合到第二光学无源波导，并且所述第二光学无源波导借助于第三光斑尺寸转换器耦合到所述无源过渡波导，从而阻止或实质性减少朝向所述半导体光学放大器的后向反射。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的结构，其中所述无源过渡波导在所述光电检测器附近至少部分是平面的。
9.一种接收器，其包含根据权利要求1到8中任一权利要求所述的单片集成结构。
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