CN108141285B - 光发送模块、光收发器以及包括其的光通信系统 - Google Patents

光发送模块、光收发器以及包括其的光通信系统 Download PDF

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Abstract

实施例包括：光发送模块，光收发器以及包括其的光通信系统。上述光发送模块包括：发光二极管；以及光调制器，用于调制从上述发光二极管发射的第一光，其中上述发光二极管和上述光调制器包括GaN，并且当施加电压时，上述光调制器使所述第一光透过。

Description

光发送模块、光收发器以及包括其的光通信系统
技术领域
实施例涉及光模块、光收发器(optical transceiver)以及包括其的光通信系统。
背景技术
目前，使用光纤的数字传输系统在有线通信领域应用最为广泛。在运营有线网络或有线/无线集成用户网络时，有线网络的性能可以由光收发模块(光收发器)以及其他光学部件所确定。
通常的有线光通信网络的光收发器由光发送模块和光接收模块所构成，光发送模块可以包括发光器件和光调制器。
通常，使用振荡波长为1μm的红外线激光二极管(LD)作为将二氧化硅光纤用作传输线的用于光通信网络的发光器件，发光器件和光调制器可以连接为使用透镜(lens)的自由空间(free-space)连接、使用诸如聚合物之类的材料的波导的连接、或者在将发光器件和光调制器一体形成的过程中在晶片上形成波导的连接。
激光二极管(LD)可以输出高输出高质量的光(例如，具有窄半宽的光谱)，优点在于可作为用于长距离传输大容量光信号的光源。然而，由于激光二极管(LD)的工作特性对周边温度敏感，因此需要温度补偿装置(TEC，thermoelectric cooler)以获得稳定的工作。
另外，激光二极管(LD)由于发射光从周边反射并重新入射到激光二极管(LD)时，其工作特性变得极其不稳定，因此必须使用光隔离器(isolator)，而且还存在激光二极管(LD)本身的制造费用也很高的问题。
最近，随着网络技术、传感器技术、射频识别(RFID)技术以及软件技术的发展，物联网(IOT，Internet Of Things)时代也即将到来。为了连接大量的设备，由光收发模块构成的光通信网络是必不可少的。因此，需要开发一种能够在-50℃至150℃的极端环境下无需温度补偿装置和光学隔离器也能够工作的光收发模块。其中，-50℃至150℃的温度范围是用于各种电子回路中的Si IC正常工作的允许温度范围。
然而，激光二极管存在着在各种温度环境下若没有温度补偿装置和光隔离器就无法保证可靠性的问题，以及价格高的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题
实施例提供一种使用发光二极管作为光源的光发送模块。
实施例提供一种水平型光发送模块。
实施例提供一种通过调节光谱的半宽，能够在几十米到几百米的短距离内传输高速光信号的光模块。
实施例提供一种能够在-50℃以下的低温或150℃以上的高温下工作的光模块。
技术方案
根据本发明一实施例的光发送模块，包括：发光二极管；以及光调制器，其用于调制从上述发光二极管发射的第一光，上述发光二极管和光调制器包括氮化镓，上述光调制器在施加电压时使第一光透过。
上述光调制器在施加反向偏置电压时可以使上述第一光通过。
上述第一光可以是可视光波长带的光。
上述发光二极管和上述光调制器可以包括氮化物半导体层。
上述发光二极管可以包括：第一下部半导体层；有源层，其设置在上述第一下部半导体层上；以及第一上部半导体层，其设置在上述有源层上。
上述光调制器可以包括：第二下部半导体层；光吸收层，其设置在上述第二下部半导体层上，吸收从上述发光二极管输出的光；以及第二上部半导体层，其设置在上述光吸收层上。
上述有源层及光吸收层可以包括氮化镓。
上述光吸收层在施加反向偏置电压时能带隙可以增大。
在施加反向偏置电压时，上述光吸收层的吸收波长带可以变得比上述第一光的波长带短。
包括调节上述第一光的波长宽度的滤波器，上述光调制器调制通过上述滤波器的第二光，上述第二光的半宽可以比上述第一光的半宽窄。
上述第一光的半宽可以是10至35nm。
上述第二光的半宽可以是2至10nm。
上述滤波器包括依次层压的第一反射部、空腔以及第二反射部，上述第一反射部和上述第二反射部，交替层压包含相互不同的化合物的第一光学层和第二光学层，上述空腔层压多个第二光学层，上述空腔可以比上述第一光学层或第二光学层厚。
上述第二光学层可以比上述第一光学层折射率高。
上述第一光学层可以具有1.4至1.5的折射率，上述第二光学层可以具有2.0至3.0的折射率。
上述第一光学层可以是SiOx(1≤X≤3)或MgF2中的一个，上述第二光学层可以是TiOx(1≤X≤3)、TaOx(1≤X≤3)或者ZrO2中的一个。
上述发光二极管的有源层和上述光调制器的光吸收层的组成可以相同。
可以包括设置在上述发光二极管和光调制器之间的第一透镜。
有益效果
根据实施例，可以使用发光二极管(LED)和光调制器来制造光模块。因此，由于可以省略额外的隔离器和温度调节装置(TEC)，从而可以降低光模块的制造成本。
根据实施例，通过调节光谱的半宽，可以在几十到几百米的短距离内传输的高速光信号。
根据实施例，将发光二极管和光调制器构成为氮化镓(GaN)基物质，从而可以提供能够在高驱动温度下工作的光模块。
本发明的各种有利的优点和效果不限于以上说明的内容，并且在说明本发明的具体实施例的过程中可以更容易地理解。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的光通信系统的概念图。
图2是根据本发明一实施例的光发送模块的概念图。
图3是图2的发光二极管的剖视图。
图4是图3的变形例。
图5是图2的滤波器的剖视图。
图6是测量滤波器的各波长带的反射度(reflectance)的曲线图。
图7是测量从发光二极管发射的光的波长宽度和通过滤波器的光的波长宽度的曲线图。
图8是测量通过带通滤波器的光的波长宽度的曲线图。
图9是光调制器的概念图。
图10是示出能带隙随着施加反向偏压而变化的状态的图。
图11是示出光调制器的吸收波长带随着施加反向偏压而变化的状态的曲线图。
图12是示出从发光器件输出的光的强度随着施加反向偏压而变化的状态的曲线图。
图13是示出光信号由光模块调制的过程的概念图。
图14是根据本发明一实施例的光收发模块的概念图。
图15是根据本发明一实施例的光发送模块的概念图。
图16是图15的第一变形例。
图17是图15的第二变形例。
图18是图16的第三变形例。
图19是根据本发明一实施例的光收发模块的概念图。
图20是图19的第一变形例。
图21是图19的第二变形例。
图22是图19的第三变形例。
图23是根据本发明一实施例的光发送模块的概念图。
图24是图23的第一变形例。
图25是图23的第二变形例。
图26是图23的第三变形例。
图27是示出图26的中空管的图。
图28是图23的第四变形例。
图29是示出通过滤波器时波长宽度变化的曲线图。
具体实施方式
参照附图和后述的实施例，本发明的优点和特征以及实现它们的方式会变得显而易见。本实施例是为了使本发明的公开内容完整，将本发明的范围清楚地告知本领域技术人员而提供，并且本发明由权利要求的范围所定义。在整个说明书中，相同的附图标记指相同的要素。
实施例可以以其它形式变形，或者各种实施例可以相互组合，并且本发明的范围不限于以下说明的每个实施例。
尽管在其他实施例中没有说明特定实施例中说明的事项，但是除非其它实施例中有与其相反或相矛盾的说明，否则可以被理解为与其他实施例相关的说明。
例如，如果在特定实施例中说明了结构A的特征，而在其他实施例中说明了结构B的特征，则即使未明确记载结构A和结构B所结合的实施例，也应该理解为属于本发明的权利范围内。
另外，将参照作为本发明的理想示例图的剖视图和/或俯视图来说明本说明书中记述的实施例。在附图中，膜及区域的厚度是为了技术内容的有效说明而夸大的。因此，示例图的形状可以由制造技术和/或容许误差而变形。因此，本发明的实施例不限于图示的特定形状，而是还包括根据制造过程所产生的形状的变化。例如，以直角图示的蚀刻区域可以是倾斜的、弯曲的、或者是具有规定曲率的形状。因此，附图中示例的区域具有示意性的属性，并且附图中示例的区域的形状旨在示出元件区域的特定形状，并不旨在限制本发明的范围。
图1是根据本发明一实施例的光通信系统的概念图。
参照图1，根据实施例的光通信模块包括：第一光收发器3，其与第一主机1通信；第二光收发器4，其与第二主机2通信；以及信道，其连接在第一光收发器3和第二光收发器4之间。
第一主机1和第二主机2没有特别的限制，只要可以与各种电子设备通信即可。示例性地，第一主机1可以是车辆的控制器(ECU)，第二主机2可以是设置在车辆中的各种传感器(相机模块，照明传感器等)。
第一光收发器3和第二光收发器4可以是分别包括发送模块5和接收模块6的双向通信模块，但是本发明的实施例不限于此。示例性地，第一光收发器3可以是光发送模块，第二光收发器4可以是光接收模块。以下对双向通信方法进行说明。
第一光收发器3的发送模块5可以通过第一光纤8连接于第二光收发器4的接收模块6。发送模块5可以使主机的电信号转换成光信号。控制部7可以根据主机的电信号调制光信号。示例性地，控制部7可以包括驱动器IC。
第一光收发器3的接收模块6可以通过第二光纤9连接于第二光收发器4的发送模块5。接收模块6可以使光信号转换成电信号。控制部7可以放大(TIA)转换后的电信号，或从电信号中提取分组信息(Packet information)并将其传输给主机。
图1中，示例性地使用第一光纤8和第二光纤9来不同地构成发送信号和接收信号的信道，但是不限于此。即，可以使用单个光纤来进行双向通信。并且，多个第一光模块和多个第二光模块可以使用多路调制器进行双向通信。并且，也可以应用于不使用有线信道的无线通信。
图2是示出根据本发明一实施例的发送模块的立体图。
参照图2，光发送模块5可以包括发光二极管20、滤波器60、光学信道40、光调制器30以及光学接口50。发光二极管20、滤波器60以及光调制器30可以设置在载波基板10上。但是不限于此，发光二极管20、滤波器60以及光调制器30可以沿着光的发射方向依次设置。
发光二极管(LED)20由于其较大的能带隙而对工作温度的变化不敏感。因此，可以省略温度补偿装置。发光二极管20是氮化物半导体时，有源层(active layer)的带隙大概可以是2.0至3.0eV。
并且，发光二极管20的、由再入射光而产生的噪声少于激光二极管。因此，可以省略光隔离器(isolator)。并且，发光二极管20比激光二极管价格低。因此，使用发光二极管可以降低光发送模块的制作费用。
与此相反，由于激光二极管(LD)的工作特性对周边温度的变化敏感，因此需要温度补偿器以获得稳定的工作，并且，由于出射光从周边反射并重新入射到激光二极管(LD)时，激光二极管(LD)的工作特性变得极其不稳定，因此必须使用光隔离器(isolator)，并且存在激光二极管(LD)本身的制作费用也很高的问题。
滤波器60可以控制从发光二极管发射的光的波长宽度(发射线宽度)。由于通常的氮化物基发光二极管的波长宽度一般为20nm左右，因此为了得到足够的消光比，存在光调制器30的工作电压变大的问题。
通过使用滤波器60控制光的波长宽度，可以在几十米到几百米的短距离内实现足够的消光比的同时传输高速光信号。
光学信道40可以光学地连接发光二极管20和光调制器30。因此，从发光二极管20输出的光可以通过光学信道40提供给光调制器30。光学信道40可以是光波导，但不限于此。示例性地，光学信道40可以是光能够通过的空的通道，或者可以是设置在光路径上的多个光学部件(透镜等)。
光调制器30可以调制入射的光。以下，使用电吸收型光调制器(electro-absorption modulator，EAM)示例性地说明光调制器30，但是光调制器的结构不限于此。
电吸收型光调制器(EAM)可以在低电压下驱动，并且可以使器件小型化。光调制器30根据施加的电压改变光吸收的程度。
光调制器30可以根据施加的电压的变化，通过向外部发射(on-state)或不发射(off-state)入射光来调制光信号。
光学接口50可以包括连接到外部光纤的连接器。被光调制器30调制的光信号可以通过光学接口50传输到外部。
图3是图2的发光二极管的剖视图。
参照图3，发光二极管20可以包括第一基板21、第一下部半导体层22、第一有源层23以及第一上部半导体层24。
第一基板21上可以依次层压第一下部半导体层22、第一有源层23以及第一上部半导体层24。第一基板21可以包括例如蓝宝石(sapphire)基板、硅基板、碳化硅基板、塑料基板或玻璃基板中的一种。根据需要可以去除基板。
第一下部半导体层22和第一基板21之间可以设置缓冲层(未图示)。缓冲层可以减轻发光构造物与第一基板21的晶格失配。
缓冲层可以是III族和V族元素的组合，或者可以包括GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN和AlInN中的任一种。缓冲层可以掺杂有掺杂剂，但不限于此。
缓冲层可以在基板21上生长为单晶，并且生长为单晶的缓冲层可以提高第一下半导体层的结晶性。
第一下部半导体层22可以设置在第一基板21上。第一下半导体层22可以是包含氮化镓(GaN)基物质的n型半导体层。
例如，第一下部半导体层22可以是氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化铝镓铟(AlxGayInzN，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)中的任一种。
第一下部半导体层22可以由掺杂有n型掺杂剂的氮化物形成。n型掺杂剂可以包含硅(Si)、锗(Ge)或锡(Sn)等。第一下部半导体层22可以是交替层压掺杂有n型掺杂剂的第一层和未掺杂n型掺杂剂的第二层的结构。
第一下部半导体层22也可以生长为单层的n型氮化物层。第一下部半导体层22的暴露的上表面可以形成有第一电极25。第一电极25可以包括Cr/Au膜、Cr/Ni/Au膜、Ti/Al/Au膜或Ti/Ni/pt/Au膜。
第一有源层23可以设置在第一下部半导体层22上。第一有源层23可以覆盖第一下部半导体层22的上部的一部分，并且可以与第一电极25隔开设置。
第一有源层23可以通过从外部施加的电源来产生光。产生的光可以进入到第一下部半导体层22和第一上部半导体层24。第一有源层23可以具有由多个量子阱(QuantumWell)结构构成的多重量子阱(Multi-Quantum Well，MQW)结构。
第一有源层23可以具有量子势垒层和量子阱层，并且多重量子阱结构的第一有源层23的量子势垒层和量子阱层可以由具有相互不同的x，y，z组成比的氮化铝镓铟(AlxGayInzN，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)构成。此时，量子阱层的带隙应小于量子势垒层、第一下部半导体层22和第一上部半导体层24。
第一有源层23的阱层/势垒层可以由AlGaN/AlGaN、InGaN/GaN，InGaN/InGaN、GaN/AlGaN、InAlGaN/GaN、GaAs(InGaAs)/AlGaAs、GaP(InGaP)/AlGaP中的至少一个以上的配对结构
Figure BDA0001592594840000091
形成，但不限于此。阱层可以由具有比势垒层的带隙小的带隙的物质形成。
第一上部半导体层24可以设置在第一有源层23上。第一上部半导体层24可以是包含氮化镓(GaN)基物质的p型半导体层。例如，第一上部半导体层24可以是p型氮化镓(GaN)、p型氮化铝镓(AlGaN)或p型氮化铝镓铟(AlGaInN)中的任一种。并且，第一上部半导体层24可以是交替层压p型氮化镓(GaN)、p型氮化铝镓(AlGaN)或p型氮化铝镓铟(AlGaInN)中的任意两种以上的结构。第一上部半导体层24上可以设置有第二电极26。
第二电极26可以包括透明电极层、Cr/Au膜、Ni/Au膜、Ni/Ti/Au膜或pt/Au膜。透明电极层由透明电导性氧化物制成，并且可以由氧化铟锡(ITO)、氧化铟(CIO)、氧化锌(ZnO)或氧化镍(NiO)中的任一种形成。
第一有源层23和第一上部半导体层24之间可以设置有电子阻挡层(EBL)。电子阻挡层阻挡从第一下部半导体层22供给的电子向第一上半导体层24的流出的流动，可以增加电子和空穴在第一有源层23内重新结合的几率。电子阻挡层的能带隙可以大于第一有源层23和/或第一上部半导体层24的能带隙。
电子阻挡层可以从具有Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1)的组成式的半导体材料中选择，例如AlGaN、InGaN、InAlGaN等，但不限于此。
以下用水平型发光二极管进行了说明，但根据实施例的其他发光二极管的结构不限于此。示例性地，发光二极管也可以是第一电极设置在下部，且第二电极设置在上部的垂直型发光二极管。
参照图4，发光二极管可以是第一电极25和第二电极26都设置在一侧的倒装芯片发光二极管。第一电极25和第二电极26可以电连接到基台(submount)27上。
图5是图2的滤波器的剖视图，图6是测量滤波器的各波长带的反射度的曲线图，图7是测量从发光二极管发射的光的波长宽度和通过滤波器的光的波长宽度的曲线图，图8是测量通过带通滤波器的光的波长宽度的曲线图。
参照图5，滤波器60可以控制从发光二极管发出的光的波长宽度。滤波器60可以是二氧化硅光学层和二氧化钛光学层交替层压的结构。另外，滤波器60可以是第一光学层64(SiOx(1≤x≤3)或MgF2中的任意一种)和第二光学层65(TiOx(1≤X≤3)、TaOx(1≤X≤3)或ZrO2之一)交替层压的结构。
第一光学层64可以具有1.4至1.5的折射率，第二光学层65可以具有2.0至3.0的折射率。
滤波器60可以包括在基板上依次层压的第一反射部61、空腔62以及第二反射部63。
第一反射部61和第二反射部63可以是包括相互不同的氧化物的第一光学层64和第二光学层交替层压的结构，空腔62可以是多个第二光学层65层压的结构。例如，第一光学层64可以是二氧化硅光学层，第二光学层65可以是二氧化钛光学层。
空腔62的厚度可以大于第一光学层64或第二光学层65的厚度。每个光学层可以具有相当于光的波长的四分之一的光学厚度(QWOT)。根据本发明的实施例，第一反射部61可以是4个二氧化硅光学层和3个二氧化钛光学层交替层压的结构。
空腔62可以是4个二氧化钛光学层所提供的结构。第二反射部63可以是2个二氧化硅光学层和2个二氧化钛光学层交替层压的结构。腔体62仅由二氧化钛光学层构成，可以起着使输入到滤波器60的光谐振并透射的作用。二氧化硅光学层和二氧化钛光学层交替层压的层对的数量越多，透射滤波器60的光的光谱半宽(half width)可以减小。随着光谱的半宽(half width)减小，可以选择性地透射特定频带的波长。
从发光二极管发出的光可以入射到第二反射部63，并发射到基板65。
参照图6，可以看出，滤波器以仅透射350nm至500nm波长带中的约450nm波长带，并反射所有剩余的波长带的方式设计。
参照图7，通过滤波器的第二光B的光谱半宽(half width)比没有通过双重行为谐振器(DBR)滤波器的第一光A的光谱半宽(half width)窄。
第一光A的半宽度可以是10nm至35nm，第二光B的半宽度可以是2nm至10nm。
示例性地，没有通过滤波器的第一光A的光谱半宽(half width)可以是18nm，通过双重行为谐振器(DBR)滤波器的第二光B的光谱半宽(half width)可以是5nm。此时与滤波前相比，光的强度可以减弱约5至25％。但是，由于一般的蓝光LED的光强度为几十至几百毫瓦(mW)，所以不会影响光信号的传输。
滤波器可以控制透射的光谱的半宽(half width)。因此，利用滤波器可以提供波长为440nm至460nm，半宽为2至10nm的光。
参照图8，滤波器可以通过结合低带通滤波器(low band-pass filter)和高带通滤波器(high band-pass filter)来制造。即，低于450nm的波长带的光可以被高通带通滤波器阻挡，而超过450nm的波长带的光可以被低通带通滤波器阻挡，以便仅通过450nm的波长带的光。因此，具有约450nm的波长带的光才可以通过滤波器。
图9是光调制器的概念图，图10是示出能带隙随着施加反向偏压而变化的状态的图，图11是示出光调制器的吸收波长带随着施加反向偏压而变化的状态的曲线图，图12是示出从发光器件输出的光的强度随着施加反向偏压而变化的状态的曲线图，图13是示出光信号由光模块调制的过程的概念图。
参照图9，光调制器30可以调制从发光二极管20输出的光(入射光)。光调制器30的结构不受特别限制。示例性地，光调制器30可以适用水平型、垂直型和倒装芯片结构。以下示例性地说明水平型结构。
光调制器30可以包括第二基板31、第二下部半导体层32、光吸收层33以及第二上部半导体层34。
第二基板31可以层压在载波基板上。第二基板31可以包括例如蓝宝石(sapphire)基板、氮化镓(GaN)基板、氧化锌(ZnO)基板、砷化镓(GaAs)基板、磷化镓(GaP)基板、锂铝氧化物(LiAl2O3)基板、氮化硼(BN)基板、氮化铝(AlN)基板、塑料基板或玻璃基板中的一种。
第二下部半导体层32可以设置在第二基板31上。第二下部半导体层32可以是包含氮化镓(GaN)基物质的n型半导体层。例如，第二下部半导体层32可以是氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化铝镓铟(AlxGayInzN，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)中的任一种。
第二下部半导体层32可以由掺杂有n型掺杂剂的氮化物形成。n型掺杂剂可以包含硅(Si)、锗(Ge)或锡(Sn)等。第二下部半导体层32可以是交替层压掺杂有n型掺杂剂的第一层和未掺杂n型掺杂剂的第二层的结构。
第二下部半导体层32也可以生长为单层的n型氮化物层。第二下部半导体层32的暴露的上表面可以形成有第三电极35。第三电极35可以包括Cr/Au膜、Cr/Ni/Au膜、Ti/Al/Au膜或Ti/Ni/pt/Au膜。
光吸收层33可以直接连接到光学信道以接收从发光二极管20产生的光。光吸收层33可以具有基本类似于发光二极管的有源层的能带隙，以便吸收或透射从发光二极管输出的光。
光吸收层33可以覆盖第二下部半导体层32的一部分，并且可以与第三电极35隔开设置。光吸收层33可以通过从外部(例如，驱动芯片)提供的电信号来调制光。
光吸收层33可以具有由多个量子阱(Quantum Well)结构构成的多重量子阱(Multi-Quantum Well，MQW)结构。光吸收层33可以包含氮化镓(GaN)基物质。
光吸收层33可以具有量子势垒层和量子阱层，并且多重量子阱结构的光吸收层33的量子势垒层和量子阱层可以由具有相互不同的x，y，z组成比的氮化铝镓铟(AlxGayInzN，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)构成。此时，量子阱层的带隙应小于量子势垒层、第二下部半导体层32和第二上部半导体层34。
当光吸收层33具有Ga极性(Ga polar)InGaN量子阱层/GaN量子势垒层结构时，零偏压(Zero bias)下的光吸收层33的带隙可以调节为与发光二极管的带隙相等。然而，当对光调制器施加反偏压时，调制器的带隙变得大于发光二极管的带隙。
发光二极管的带隙为2.0至3.0eV区间的光谱的半宽为15至40nm左右。应对光调制器施加外部偏压，以覆盖15至40nm波长带的约0.5至3倍。因此，光吸收层的能带隙可以是有源层的能带隙的0.85至1.15倍。能够被反向偏压调节的光吸收层的能带隙可以是50meV至300meV。
第二上部半导体层34可以设置在光吸收层33上。第二上部半导体层34可以是包含氮化镓(GaN)基物质的p型半导体层。例如，第二上部半导体层34可以是p型氮化镓(GaN)、p型氮化铝镓(AlGaN)或p型氮化铝镓铟(AlGaInN)中的任一种。并且，第二上部半导体层34可以是交替层压p型氮化镓(GaN)、p型氮化铝镓(AlGaN)或p型氮化铝镓铟(AlGaInN)中的任意两种以上的结构。
参照图10的(a)，GaN基的半导体器件中，量子阱层和量子势垒层的能带隙G1不对称地形成。这是因为光吸收层内部存在很强的压电场(piezoelectric field)。这种压电场可以由各种原因引起。示例性地，压电场可以由晶格常数失配导致的应变(strain)引起。
但是，如图10的(b)所示，在光吸收层施加反向偏压时，能带隙G2变得相对平坦且能带隙可以增加(G3)。
光吸收层吸收的波长由能带隙决定。参照图11，零偏压时处于第一吸收波长带201，施加反向偏压时，吸收波长带202可以移位到短波长。
参照图12，施加反向偏压前几乎未观察到由发光器件输出的光的强度(203)。即，从发光器件输出的光大部分被光吸收层吸收。
但是，施加反向偏置电压之后，可以确认光的强度增加(204)。即，可以确认光吸收层的吸收波长带因反向偏置电压而改变，以致不吸收从发光器件输出的光。
参照图13，光发送模块5可以使用电信号E1来调制光信号L1。提供电信号E1时为“1”状态，而不提供电信号E1时为“0状态”。其中，电信号E1可以是反向偏置电压。
当为“1状态”时，光发送模块5可以发出光信号L1(导通状态(On-state))，当“0状态”时，光发送模块5可以不发出光信号L1(断开状态(Off-state))。因此，光发送模块5可以输出具有周期地发出(On-state)或不发出(Off-state)光信号L1的脉冲光信号(Pulsedlight signal)。
根据实施例的光发送模块5可以用于短距离通信。
例如，光发送模块5可以用于智能型交通系统(ITS)、视觉通信(visualcommunication)、有线短距离光纤通信(Short distance optical fibercommunication)、内联网(intranet)、家庭网络以及有线/无线物联网(IoT)等。将来，根据本发明实施例的光发送模块5可以用于传输速率为几百Mbps至几十Gbps的数据传输网络。
图14是根据本发明一实施例的光收发模块的概念图，图15是根据本发明一实施例的光发送模块的概念图，图16是图15的第一变形例，图17是图15的第二变形例，图18是图16的第三变形例。
参照图14，光发送模块可以包括设置在壳体90内的发光二极管20、滤波器60、第一透镜71、光调制器30、第二透镜72以及支承部91。
发光二极管20和滤波器60之间的区域81、滤波器60和第一透镜71之间的区域82以及第一透镜71和光调制器30之间的区域83可以设置有折射率调节构件80。
折射率调节构件80可以匹配发光二极管20与滤波器60之间、滤波器60与第一透镜71之间以及第一透镜71与光调制器30之间的折射率。因此，可以提高从发光二极管输出的光传输到光纤的接收率。
折射率调节构件80可以选择能够匹配折射率的各种树脂或油。
第一透镜71可以设置在滤波器60上。第一透镜71可以朝向滤波器呈凸状。第一透镜71可以使通过滤波器60的光聚集到光调制器30。
在没有第一透镜71的情况下，通过滤光器60的光能够以几十至150℃的宽发射角发射。具有这种宽发射角的光中，一部分未能入射到光调制器30而产生光损失。第二透镜可以用来聚集调制的光，使得调制的光有效地入射在光纤上。
与光纤8连接的套圈(ferrule)93可以固定于支承部91。套圈93以即插即用(Plugand Play)的方式连接，从而可以通过插入光纤的操作而光学地耦合。
壳体90可以收容发光二极管20、滤波器60、第一透镜71、光调制器30、第二透镜72以及支承部91。壳体90可以包括插入套圈93的支承部91。
支承器91可以由柔软材料制成，以便于插入连接光纤的套圈93。
可以在第二透镜72和套圈93之间提供防反射层93a。防反射层93a可以防止光再次返回到发光二极管20的方向。示例性地，防反射层93a可以包括倾斜的入射面。但是不限于此，如图15所示，防反射层93b可以是连续不规则的凹凸的结构。
但是不限于此，滤波器的位置是可以改变的。示例性地，参照图16，滤波器可以设置在第一透镜和光调制器之间。参照图17，滤波器或者可以与形成在光调制器30的入射光侧的一面的光调制器直接接触。
图19是根据本发明一实施例的光收发模块的概念图，图20是图19的第一变形例，图21是图19的第二变形例，图22是图19的第三变形例。
参照图19，垂直型光接收模块6可以包括光接收器件100、第二透镜72以及支承部91。光接收器件100可以是包含光吸收层的二极管。第二透镜72可以将通过光纤传输的光聚集到光接收器件100。壳体90收容光接收器件100和透镜72，并且可以包括支承部91。
光接收器件100根据施加的电源可以使入射的光信号转换成电信号。光接收器件100可以包括第三下部半导体层130、光检测层110以及第三上部半导体层120。基板140上可以依次层压第三下部半导体层130、光检测层110以及第三上部半导体层120。
光接收器件100可以高速检测通过光传输路径传输的可见光区域中的光。光接收器件100可以包括：硅、砷化镓、氮化铝铟镓(AlInGaN)、砷化铟镓(InGaAs)和锗(Ge)中的一种物质。
基板140可以包括例如蓝宝石(sapphire)基板、碳化硅基板、氮化镓(GaN)基板、氧化锌(ZnO)基板、砷化镓(GaAs)基板、磷化镓(GaP)基板、锂铝氧化物(LiAl2O3)基板、氮化硼(BN)基板、氮化铝(AlN)基板、塑料基板或玻璃基板中的一种。
第三下部半导体层130可以设置在基板140上。第三下半导体层130可以是包含氮化镓(GaN)基物质的n型半导体层。例如，第三下部半导体层130可以是氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化铝镓铟(AlxGayInzN，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)中的任一种。
第三下部半导体层130可以由掺杂有n型掺杂剂的氮化物形成。n型掺杂剂可以包含硅(Si)、锗(Ge)或锡(Sn)等。第三下部半导体层130可以是交替层压掺杂有n型掺杂剂的第一层和未掺杂n型掺杂剂的第二层的结构。第三下部半导体层130也可以生长为单层的n型氮化物层。
光检测层110可以设置在第三下部半导体层130上。光检测层110可以具有由多个量子阱(Quantum Well)结构构成的多重量子阱(Multi-Quantum Well，MQW)结构。光检测层110可以包含氮化镓(GaN)基物质。
光检测层110可以具有量子势垒层和量子阱层，并且多重量子阱结构的光检测层110的量子势垒层和量子阱层可以由具有相互不同的x，y，z组成比的氮化铝镓铟(AlxGayInzN，x+y+z＝1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)构成。此时，量子阱层的带隙应小于量子势垒层、第三下部半导体层130和第三上部半导体层120。
第三上部半导体层120可以设置在光检测层110上。第三上部半导体层120可以是包含氮化镓(GaN)基物质的p型半导体层。例如，第三上部半导体层120可以是p型氮化镓(GaN)、p型氮化铝镓(AlGaN)或p型氮化铝镓铟(AlGaInN)中的任一种。
第三上部半导体层120可以是交替层压p型氮化镓(GaN)、p型氮化铝镓(AlGaN)或p型氮化铝镓铟(AlGaInN)中的任意两种以上的结构。第三上部半导体层120上可以设置第六电极1145。
可以在第二透镜72和套圈93之间提供防反射层93a。防反射层93a可以防止光再次返回到发光二极管20的方向。示例性地，防反射层93a可以包括倾斜的入射面。但是不限于此，图14中，防反射层93b可以是连续不规则的凹凸的结构。
光接收模块6可以使提供的光信号调制成电信号。当提供光信号L2时可称为“导通状态(On-state)”，而不提供光信号L2时可称为“断开状态(Off-state)”。“On-state”时，光接收模块6可以输出电信号E2(0状态)，“Off-state”时，光接收模块6可以不输出电信号E2(1状态)。因此，光接收模块6可以输出具有周期地输出(0状态)或不输出(1状态)电信号E2的电脉冲信号波。
光接收器模块可以像光发送器一样适用光滤波器。这在实现用于多路波长的光接收模块时是必不可少的。即，多路波长光接收模块中将光滤波器适用于光接收器件100的入射光侧时，可以提供良好的噪声特性。光滤波器可以适用上述的所有滤波器结构。
另外，当在光接收器件的前端安装带通光滤波器，以便仅接收期望的波长时，可以只接收所需波长的发送光，从而可以实现多路波长的多路复用光接收模块。
参照图21，滤波器60不仅可以位于第二透镜72和光接收器件100之间，也可以使用如图22所示的，形成于光接收器件100的入射光侧的一面，与光接收器件100集成的滤波器。即，对于滤波器的位置没有特别的限制。
光接收模块6可以用于短距离通信。例如，光接收模块6可以用于智能型交通系统(ITS)、视觉通信(visual communication)、有线短距离光纤通信(Short distanceoptical fiber communication)、内联网(intranet)、家庭网络以及物联网(IoT)等。将来，根据本发明实施例的光接收模块6可以用于传输速率为几百Mbps至几十Gbps的数据传输网络。
图23是根据本发明一实施例的光发送模块的概念图，图24是图23的第一变形例，图25是图23的第二变形例，图26是图23的第三变形例，图27是示出图26的中空管的图，图28是图23的第四变形例，图29是示出通过滤波器时波长宽度变化的曲线图。
参照图23，光发送模块5A可以包括发光二极管20、调制从发光二极管20发射的第一光L11的光调制器30、以及设置有发光二极管20和光调制器30的光学构件10。
光学构件10可以包括设置有发光二极管20的第一区域11、设置有光调制器30的第二区域12、以及光学连接第一区域11和第二区域12的第三区域13。光学构件10可以是硅光学平台(Silicon Optical Bench，SiOB)。
根据实施例的光发送模块5A可以是基于硅光子学的一体型电路芯片。示例性地，光具座(optical bench)中可以一体实现发光二极管、光调制器以及光波导等。并且，可以附加地实现光接收器件、光分离器(Y-branch)、光滤波器、用于与外部进行光结合的光耦合器(光栅耦合器(grating coupler)、边缘耦合器(edge coupler))等。
发光二极管20可以设置在第一区域11。发光二极管20可以沿第一方向插入设置。第一方向可以是与发光二极管20的厚度方向相平行的方向(X方向)。因此，发光二极管20可以向第一方向输出光。
发光二极管20连接到电极15a、15b，并且可以向其施加驱动电流。发光二极管20的类型不受特别限制。尽管在图中示出了水平型，但是也可以选择垂直型和倒装芯片结构。根据发光二极管的结构，可以适当地调节电极的设置。发光二极管20可以使用如上所述的内容。
光调制器30可以设置在第二区域12。光调制器30与发光二极管20同样地，可以沿第一方向插入。光调制器30的具体结构可以适用如上所述的内容。光调制器30可以在施加反向偏置电压时使光通过，零偏压时吸收光。
光学构件10的第三区域13可以设置有反射镜16。反射镜16可以使沿第一方向输出的第一光向第二方向(Y方向)反射。第二方向是与第一方向交叉的方向。示例性地，第一方向与第二方向可以相互垂直。这种结构使水平型光发送模块成为可能。
光L12可以由设置在第三区域13的光波导17引导并注入到光调制器30的侧表面中。即，第三区域13可以是用于将从发光二极管20输出的光注入到光调制器30的光吸收层33的光学信道。
通过光吸收层的光L13可以入射到外部光纤211并传输到外部。光调制器30与外部光纤211之间还可以设置透镜等以进行光学耦合。
参照图24，光波导17以越接近光调制器30直径越小的方式形成有倾斜面17a。通过这种结构可以抑制光在光波导17的端部扩散的现象。
光波导17可以是多个波导的模块化的结构(束波导(bundle waveguide))。但是，光波导17的结构不限于此，如图25所示，也可以选择普通的光波导18。光波导可以具有倾斜面18a。
参照图26及图27，第三区域13可以包括管状中空管19和设置在中空管19中的滤波器60。
滤波器60可以是低带通滤波器、高通带通滤波器及它们组合而成的滤波器。根据这种结构，可以通过滤波器60只滤波期望的波长带的光。
中空管19的内部可以形成有反射层19a。反射层19a可以包括具有高反射率的Al、Ag等，但不限于此。反射层19a在低温和高温(150℃以上)也能够维持反射度(reflectance)，能够使温度影响最小。反射层的材质可以根据中空管19的材质适当选择。
示例性地，中空管19可以是塑料或金属管。中空管19的内径可以是几十um至几mm。中空管19的内径可以根据传输距离和用途适当调节。
参照图28，第三区域13中可以形成多个光栅(grating)14。这种多个光栅14可以将第一光L11控制到期望的波长带。光栅14和光调制器30之间还可以附加地设置滤波器60。
参照图29，可以看出从发光二极管20输出的光的光谱213的宽度最宽，通过滤波器60的光的光谱211的宽度最窄。
即，可以看出从发光二极管20输出的光的波长宽度逐渐减小，强度逐渐降低。根据这种结构，可以仅对期望的波长带的光进行滤波，从而可以以相对低的工作电压进行驱动。

Claims (17)

1.一种光发送模块，
包括：
发光二极管；以及
光调制器，其用于调制从所述发光二极管发射的第一光，
所述发光二极管和光调制器包括氮化镓，
所述光调制器在施加电压时使第一光透过，
其中，所述发光二极管，包括：
第一下部半导体层；
有源层，其设置在所述第一下部半导体层上；以及
第一上部半导体层，其设置在所述有源层上，
并且，所述光调制器，包括：
第二下部半导体层；
光吸收层，其设置在所述第二下部半导体层上，并且吸收从所述发光二极管输出的光；以及
第二上部半导体层，其设置在所述光吸收层上，
并且，所述光吸收层在施加反向偏置电压时能带隙增大。
2.根据权利要求1所述的光发送模块，其中，
所述光调制器在施加反向偏置电压时使所述第一光通过。
3.根据权利要求1所述的光发送模块，其中，
所述第一光是可视光波长带的光。
4.根据权利要求1所述的光发送模块，其中，
所述发光二极管和所述光调制器包括氮化物半导体层。
5.根据权利要求1所述的光发送模块，其中，
所述有源层及光吸收层包括氮化镓。
6.一种光发送模块，
包括：
发光二极管；以及
光调制器，其用于调制从所述发光二极管发射的第一光，
所述发光二极管和光调制器包括氮化镓，
所述光调制器在施加电压时使第一光透过，
其中，所述发光二极管，包括：
第一下部半导体层；
有源层，其设置在所述第一下部半导体层上；以及
第一上部半导体层，其设置在所述有源层上，
并且，所述光调制器，包括：
第二下部半导体层；
光吸收层，其设置在所述第二下部半导体层上，并且吸收从所述发光二极管输出的光；以及
第二上部半导体层，其设置在所述光吸收层上，
其中，在施加反向偏置电压时，所述光吸收层的吸收波长带变得比所述第一光的波长带短。
7.一种光发送模块，
包括：
发光二极管；
光调制器，其用于调制从所述发光二极管发射的第一光；以及
滤波器，其调节所述第一光的波长宽度，
所述发光二极管和光调制器包括氮化镓，
所述光调制器在施加电压时使第一光透过，
其中，所述发光二极管，包括：
第一下部半导体层；
有源层，其设置在所述第一下部半导体层上；以及
第一上部半导体层，其设置在所述有源层上，
并且，所述光调制器，包括：
第二下部半导体层；
光吸收层，其设置在所述第二下部半导体层上，并且吸收从所述发光二极管输出的光；以及
第二上部半导体层，其设置在所述光吸收层上，
其中，所述光调制器调制通过所述滤波器的第二光，
所述第二光的半宽比所述第一光的半宽窄。
8.根据权利要求7所述的光发送模块，其中，
所述第一光的半宽是10至35nm。
9.根据权利要求7所述的光发送模块，其中，
所述第二光的半宽是2至10nm。
10.根据权利要求7所述的光发送模块，其中，
所述滤波器包括依次层压的第一反射部、空腔以及第二反射部，
所述第一反射部和所述第二反射部由包含相互不同的化合物的第一光学层和第二光学层交替层压而成，
所述空腔由多个第二光学层层压而成，
所述空腔比所述第一光学层或第二光学层厚。
11.根据权利要求10所述的光发送模块，其中，
所述第二光学层比所述第一光学层折射率高。
12.根据权利要求11所述的光发送模块，其中，
所述第一光学层具有1.4至1.5的折射率，所述第二光学层具有2.0至3.0的折射率。
13.根据权利要求11所述的光发送模块，其中，
所述第一光学层是SiOx或MgF2中的一个，其中，所述SiOx中的X为1≤X≤3，
所述第二光学层是TiOx、TaOx或者ZrO2中的一个，其中，所述TiOx中的X为1≤X≤3，所述TaOx中的X为1≤X≤3。
14.根据权利要求7所述的光发送模块，其中，
所述发光二极管的有源层和所述光调制器的光吸收层的组成相同。
15.根据权利要求7所述的光发送模块，还包括，
设置在所述发光二极管和光调制器之间的第一透镜。
16.一种光收发器，包括：
根据权利要求1所述的光发送模块；以及
光接收模块，其将从外部入射的光信号转换成电信号。
17.一种光通信系统，包括：
多个根据权利要求16所述的光收发器；以及
光纤，其连接多个所述光收发器。
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