CN111211183B - 具有自测试功能性的正交入射光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及具有自测试功能性的正交入射光电探测器。光子集成的正交入射光电探测器(NIPD)以及相关联的、光学地耦合到NIPD的平面内波导结构可以被配置成允许平面内检测和正交入射检测。根据一些实施例，在诸如集成光学收发器的、具有光生成能力的光子电路中，使用NIPD的检测平面内光的能力来提供自测试功能性。

Description

具有自测试功能性的正交入射光电探测器
技术领域
本公开一般涉及光子集成电路(PIC)，并且具体地涉及光学收发器以及其中利用的光电探测器。
背景技术
在基于半导体的集成光子器件中，正交入射光电探测器(NIPD)测量正交于晶片平面入射在探测器上的光，而基于波导的光电探测器(WGPD)捕获已经通过在晶片表面上制造的平面内波导路由到探测器的光。为了检测例如来自光纤的外部光学信号，在前一种情况下，外部光直接耦合到NIPD中，并且在后一种情况下，外部光耦合到片上波导中，该片上波导又耦合到WGPD。
例如在光学通信网络中使用的集成光学收发器通常提供自测试功能性，其允许通过将来自发射器的片上光源的光内部地路由到WGPD以测试接收器内的一个或多个WGPD的操作，而避免提供用于测试的外部光学信号的需要。有利的是，自测试可以大大减少测试时间和测试成本，并提高可生产性。然而，在正常操作期间，当从外部源接收光时，由于首先耦合到波导中的困难，WGPD遭受比NIPD更高的插入损耗。相反，现有的NIPD不适合用于自测试，因为难以将它们光学地耦合到片上波导。另外，NIPD和波导之间的材料和制造方法不同。因此，在选择光电探测器类型时，PIC设计者已经提出了一方面的低插入损耗和另一方面的自测试功能性之间的选择，但是还不能同时实现两者。
发明内容
在本公开的第一方面，提出了一种正交入射光电探测器结构，包括：p-i-n台面，p-i-n台面被置放在绝缘体上半导体(SOI)衬底上，p-i-n台面包括n型半导体层、有源半导体层和p型半导体层；金属接触件，金属接触件接触p型半导体层和n型半导体层；以及波导，波导形成在SOI衬底的半导体器件层中并且被配置成将光可操作地耦合到p-i-n台面中。
在本公开的第二方面，提出了一种集成在半导体衬底上的光学收发器，光学收发器包括：一个或多个光学发射器，一个或多个光学发射器至少部分地形成在衬底的器件层中；发射器输出端口；一个或多个光学接收器，每个光学接收器包括正交入射光电探测器和波导，正交入射光电探测器由具有电连接的p-i-n台面形成在衬底上，波导形成在衬底的器件层中并且被配置成将光耦合到p-i-n台面中；以及光学开关，光学开关被配置成选择性地将一个或多个光学发射器在正常操作模式下耦合到发射器输出端口，或者在自测试模式下耦合到一个或多个光学接收器的波导。
在本公开的第三方面，提出了一种测试光学收发器的方法，光学收发器包括光学发射器和光学接收器，光学接收器包括正交入射光电探测器(NIPD)和被配置成将平面内光耦合到NIPD中的相关联的波导结构，方法包括：用光学发射器生成光学信号；选择性地将光学发射器的输出耦合到与NIPD相关联的波导结构，由此光学信号被耦合到NIPD中；以及测量在NIPD处的光电流以确定接收器的响应度。
附图说明
本文结合附图描述了各种示例实施例，其中：
图1A是根据各种实施例的具有均匀接触件的示例NIPD的示意截面视图，并且图1B是图1A的均匀接触件的俯视图；
图1C是根据各种实施例的具有环接触件的示例NIPD的示意截面视图，并且图1D是图1C的环接触件的俯视图；
图2是根据各种实施例的用于耦合到NIPD的示例张大的波导结构的图解俯视图；
图3是根据各种实施例的用于耦合到NIPD的示例卷绕式波导结构的图解俯视图；
图4A-图4D是根据各种实施例的具有卷绕式波导的NIPD结构的各种层结构的图解截面视图；
图5是根据各种实施例的示例光学收发器的光学组件的示意图；
图6是图示了根据各种实施例的校准和测试光学收发器的示例方法的流程图；以及
图7是根据一些实施例的光学收发器的示例实施方式的透视图。
具体实施方式
本文公开了NIPD结构，其被配置成允许平面内和正交入射检测两者，这有助于执行自测试，同时对于正常操作保持了与常规NIPD相关联的低插入损耗。还描述了包含这种NIPD结构的光学收发器，以及在生产过程中校准和测试收发器的方法。根据各种实施例，NIPD在异质材料平台中被实施，该平台将III-V族材料(即，由III族和V族元素的组合制成的化合物半导体)与硅光子器件集成在一起，实现在标准硅制造工厂中的大批量生产。根据本发明的NIPD可以包括例如由III-V族材料制成的p-i-n“台面”(平坦的、桌面状结构)，其中高速电连接联结(bond)到图案化半导体(例如，基于硅的)晶片，其中形成在晶片的半导体(例如，硅)器件层中的波导将光耦合到p-i-n台面中。(如本领域所理解的，p-i-n结构是包括p型、本征和n型半导体层的分层结构。)在一个实施例中，波导张大以在p-i-n台面下方形成均匀的条带，以用于从波导正交耦合到p-i-n台面。在另一实施例中，在波导包括基本上沿着p-i-n台面的边缘(尽管在台面下方的层中)形成的部分的意义上，波导“卷绕”p-i-n台面。(在该上下文中，术语“基本上”指示波导的卷绕部分可以具有与p-i-n台面相同或稍微更小或更大的尺寸，这对应于将卷绕部分放置在p-i-n台面的边缘正下方或稍微内部或外部。)光从卷绕部分直接正交地耦合到p-i-n台面中，和/或首先横向地耦合到p-i-n台面下方的半导体结构中，并且然后从半导体结构耦合到p-i-n台面中。
在下文中，参考附图描述了各种示例实施例。
图1A-图1D示意性地图示了根据各种实施例的NIPD 100、102的两个示例结构(未按比例绘制)。如图1A和图1C的示意截面侧视图中所示，NIPD形成从下面的衬底或晶片104突出的分层的台面。台面及其构成层可以成形为盘状(例如，在俯视图中为圆形，对于不同的层可能具有不同的直径，如所指示的那样)，但其他俯视图形状(例如，椭圆形或正方形)也是可能的。虽然下面的各种附图和伴随的描述描绘并引用“p-i-n盘”，但应当理解，这些是示例实施例，并且盘通常可以由不同形状的p-i-n结构代替。
对于NIPD 100、102的各个层和衬底104的合适的材料选择对于本领域普通技术人员通常是公知的。在一些实施例中，衬底104是绝缘体上半导体(SOI)衬底，其包括绝缘底包层(未单独示出)顶上的半导体器件层，绝缘底包层用于正交限制波导中的光学模式以及在半导体器件层中形成的其他光子结构。底包层又可以形成在较厚的衬底层或“柄(handle)”(未单独示出)上。例如，SOI衬底可以包括硅柄、氧化物(例如，二氧化硅)包层和硅器件层，但是可以使用其他材料组合。例如，对于半导体器件层，作为硅的备选，可以使用氮化硅或掺杂的二氧化硅；对于底包层(并且类似地，对于覆盖p-i-n台面的任何上包层)，可以使用氧化铝代替二氧化硅；并且柄可以具有金刚石而不是硅的层或完全由金刚石而不是硅制成。
NIPD 100、102通常形成在半导体器件层顶上。在功能性上，NIPD 100、102是p-i-n(或“PIN”)二极管，在p型和n型半导体区域之间具有本征区域。据此，本征区域是有源的，即对工作范围内的电磁辐射(例如，可见和/或红外机制(regime)的一部分)具有吸收性。更详细地，NIPD 100、102可以由层的堆叠组成，包括例如n型层110(可选地包括单独的n型包层和接触层)、有源层112、p型包层114和p型接触层116/118。取决于导电性、接触金属和光学吸收，(多个)n型层110和p型接触层116/118的厚度可以变化(例如，在约10nm和约5μm之间)，而有源层可以被选择成吸收足够的光(例如，在约100nm和约2μm之间)，并且p型包层也可以变化(例如，在约10nm和约5μm之间)。层110-116/118共同形成p-i-n台面(或者，在该示例实施例中，形成p-i-n盘)。在一些实施例中，仅使用单个p型层来提供p型包层114和p型接触层的功能性；这种p型层可以成形为类似于p型接触层116或118。NIPD 100、102还可以包括在p-i-n盘和下面的衬底104之间的联结层(未示出)，以通过提高联结的粘附性和使联结过程与所选择的特定材料无关来有助于异质集成。
p-i-n盘(层110-118)可以由III-V族材料制成，III-V族材料诸如例如砷化镓(GaAs)、砷化铝(AlAs)、砷化铟镓(InGaAs)或磷化铟(InP)等。例如，在一些实施例中，有源层由InGaAs制成，并且n型和p型层由InP或AlInGaAs制成(例如，用硅(Si)、铍(Be)或锌(Zn)掺杂)。备选地，p-i-n盘可以由(例如，用硼和砷)适当地掺杂的IV族材料(例如锗(Ge)或SiGe)制成。有源层112可以是体半导体层，或者备选地可以由量子阱、量子点或量子链(dashes)组成。
通过置放在p型接触层116/118顶上的接触金属层120/122和n型层110顶上的周缘接触金属环124提供到NIPD 100、102的p-i-n盘的电连接。用于这些接触件的普通金属包括金(Au)、铂(Pt)和钛(Ti)，但是许多备选的接触金属是可用的，包括Al和Zn。
NIPD 100、102通常被配置用于穿过衬底104的底照射(参考图1A-图1D中所示的定向)。即，在使用中，光在大致正交于晶片平面和NIPD 100、102的层的方向上入射到衬底104的底表面上，并且传播穿过衬底104(因此，衬底104由因为其对感兴趣的波长范围内(例如，在大约1μm和大约2μm之间的近红外机制，或扩展到超过2μm的近红外或中红外机制)的光透明而被选择的材料制成)和NIPD 100、102的n型层、有源层和p型层，直到它在顶接触金属层120/122处被反射。光主要在有源层112中被吸收并通过光电效应被转换成电子-空穴对，从而创建可以在接触金属120/122和124之间被测量的光电流。在所图示的实施例中，材料的顺序被选择成使得光首先穿过(多个)n型层110。这种顺序是有益的，因为n型材料通常具有较低的光学吸收。然而，原则上，层结构也可以反转(通过在有源层上方和下方的层之间交换掺杂剂)，其中薄的p型包层在底部并且n型层被放置在顶部；在这种情况下，可以省略(对应于层116/118的)上接触层。
分别在图1A-图1B和图1C-图1D中所示的NIPD 100、102在p型接触层的相应的形状方面不同，每种形状都提供了优点和缺点。图1A和图1B的NIPD 100具有均匀的p型接触层116(下文中也称为“均匀接触件”116)，其在图1B的俯视图中采用圆盘的形式。相比而言，图1C和图1D的NIPD 102的p型接触层118形成环形物或环(下文中也称为“环接触件”，在图1D中的俯视图中示出)，其沿着包层114的顶表面的周缘与下方的p型包层114对接。均匀接触件116具有较大的接触区域并因此具有较低的电阻，这提供了增加的NIPD 100的带宽的益处，允许其以比具有环接触件118的其他类似的NIPD更高的速度操作。另一方面，环接触件118减少了被反射到有源层112中的光的光学损耗，因为环接触件118内部的中心区域中的光在p型包层114和金属层122之间的界面处被立即反射回来，而不是首先必须穿过p型接触层。较低的光学损耗又提高了光电探测器的响应度。因此，在NIPD结构100、102之间的选择呈现了在一方面的带宽/速度与另一方面的响应度之间的权衡，使用哪种结构通常取决于由具体应用所强加的标准。注意，与具有均匀接触件116的NIPD 102不同，如果顶金属层122的接触金属在中心区域中被去除，仅留下环形金属接触件，则具有环接触件118的NIPD 102也可以与顶照射一起使用。
根据各种实施例，NIPD 100、102用在衬底104中被图案化的波导结构来增强，该波导结构允许将在衬底的平面内行进的光耦合到NIPD 100、102中以实现自测试功能性。图2和图3是可以为此目的被采用的两个示例波导结构的图解俯视图。可以在考虑在自测试期间最大化NIPD 100、102的平面内响应度并且最小化光学反射的情况下设计结构。光学反射可能会影响误码率，并且因此会影响自测试的质量和有用性。
图2是根据各种实施例的用于耦合到NIPD 202(诸如NIPD 100或102)的示例张大的波导结构200的图解俯视图。波导结构200从具有显著小于NIPD 202的直径206的宽度的波导部分204张大到条带部分208(或简称为“条带”)，该条带部分的宽度与NIPD 202的直径206相当(或大于NIPD 202的直径206)。出于本讨论的目的，直径206表示分层的p-i-n盘中有源区域的最大直径，例如，在图1A和图1C中所示的实施例中为n型层110的直径。NIPD 202的直径206可以在例如5μm至50μm之间。较窄的波导部分204通常具有适于单模式路由的宽度，例如小于5μm；根据各种实施例，波导部分204的宽度小于NIPD 202的直径的一半，该宽度被认为比NIPD 202的直径“显著小”。如图2中所示，被放置在NIPD 202下方的条带部分208可以在宽度上完全包含NIPD 202，但是较窄的条带部分208也是可能的。在各种实施例中，条带部分208的宽度在NIPD的直径的50％和200％之间。条带208可以在NIPD 202之外延伸若干NIPD直径206并且然后终止。可选地，条带208可以在终止之前逐渐减小、在终止表面处被粗糙化，或者以其他方式被构造以避免或减少终端处的反射。
在张大的部分210中，波导结构200的宽度可以从波导部分204的较窄宽度线性地增加到条带部分208的较大宽度，如图2中所示。备选地，张大的部分210可以具有一些弯曲，该弯曲提供在较窄的波导部分204和条带部分208之间的更平滑的过渡。在NIPD结构的自测试模式期间，沿波导部分204向下传播的光学模式在张大的部分210中扩展，并且在条带部分208中在横向上仅被弱引导或未被引导。在NIPD 202下方的区域中，光从条带208被吸收到NIPD 202中，从而允许测量NIPD 202的光学性能。由于条带208在NIPD 202下方形成均匀的硅层，因此条带208的存在对NIPD 202的正交入射吸收没有影响，这确保了在正常操作期间的NIPD的高正交入射性能被维持。
通过在波导结构200的两侧形成窄沟道212，可以在SOI衬底的硅器件层中创建张大的波导结构200，窄沟道212限定在其间的波导结构200。如本领域中通常的，在沟道212和波导结构200外部并且围绕沟道212和波导结构200的区域214可以被留下固体硅层(如所示的)，或者可以根据一些规则填充图案(例如，格子布置中的硅柱)来构造以实现跨硅器件层的硅密度的更大程度的均匀度。可以使用标准光刻和蚀刻技术来实现硅器件层的图案化以形成沟道并且可选地以填充图案。
虽然张大的波导结构200可以用于许多PIC设计，但由于波导宽度通常显著小于NIPD的直径，所以应当注意，在一些PIC中，载有用于耦合到NIPD中的信号的波导的宽度可以近似NIPD的直径(例如，至少一半)或大于NIPD的直径；在这种情况下，从下方的波导耦合到NIPD中在原理上与上面描述的相同，但是不需要中间的张大的波导部分。
图3是根据各种实施例的用于耦合到NIPD 302(诸如NIPD 100或102)的示例卷绕式波导结构300的图解俯视图。在俯视图中，波导结构300绕着NIPD 302的p-i-n盘的周缘的至少一部分以弧形弯曲，以将光直接或间接地耦合到p-i-n盘中。例如，如下面参考图4A-图4D的截面视图更详细地解释的，在p-i-n盘的底层(例如，n型层110)的边缘下方并且(在俯视图中)沿着该边缘形成的波导结构300的弯曲或卷绕部分可以将光横向地耦合到形成在p-i-n盘下方的衬底的半导体器件层中的盘中(然后该盘将光垂直地耦合到p-i-n盘中)，或者将光直接垂直向上耦合到p-i-n盘中。波导结构300可以具有波导宽度和模态折射率，其被设计成提供与p-i-n盘或下方形成的半导体盘的最佳耦合，并且可以在终止之前逐渐减小到较窄的宽度以使背反射最小化。通过在波导结构300的两侧形成窄沟道304，可以在SOI衬底的硅器件层中创建与图2的张大的波导结构200类似的卷绕式波导结构300。
图4A-图4D是根据各种实施例的NIPD 302的各种层结构以及在SOI衬底中形成的相关联的卷绕式波导结构300的图解截面视图，SOI衬底包括柄400、绝缘体(例如，掩埋氧化物)层402和半导体器件层404。为了便于参考，在下面描述图4A-图4D期间，器件层404被认为由硅制成；然而，也可以使用其他合适的半导体材料。在所描绘的示例中，图1A的p-i-n结构被示为通过联结层406(然而，其是可选的)与硅器件层404分离，并且被顶包层408覆盖。还示出了提供到n型层110顶上的接触金属124的电连接的金属通孔410。
图4A示出了示例层结构420，其中部分地蚀刻硅器件层404以形成基本上沿着p-i-n盘的n型层110的边缘(并且在其下方)的波导422，使固体硅盘424留在p-i-n盘下方的硅器件层404中。光学模式426从弯曲的波导422耦合到硅盘424中，并且然后从硅盘424向上耦合到p-i-n盘中(例如，经由n型层110到有源层112中)。如所示的，还可以在围绕NIPD的区域中蚀刻硅器件层404，以创建填充图案428。
图4B示出了稍微变化的层结构430，其中硅器件层404被完全向下蚀刻到p-i-n盘下方的区域中的掩埋氧化物层402。(在这种情况下，卷绕式波导432的内壁被隐式地形成，而外壁由被蚀刻到硅器件层404中的沟道限定。)在该实施例中，卷绕式波导432被稍微向内移动(例如，如所示的，以被定位在有源层112的边缘下方)，并且光学模式434直接从波导432垂直耦合到p-i-n盘中。图4C提供了层结构440，其类似于图4B的层结构，除了其中在p-i-n盘下方区域中的硅仅被部分蚀刻，留下均匀厚度的薄硅盘442。有利地，如图4B和图4C中所示，部分或完全蚀刻p-i-n盘下方的硅器件层404降低了从下方耦合到盘中的光的光学损耗，尽管以降低p-i-n盘到衬底的联结质量为代价(与图4A的结构420相比)。
图4D示出了示例层结构450，其介于两者之间并且由此平衡了保持p-i-n盘下方的全部厚度的硅盘(如图4A的结构420中的情况)与去除硅(如图4B中的结构430的情况)或至少减小其厚度(如图4C中的结构440的情况)的益处和损害。在该层结构450中，在p-i-n盘下方的硅中创建填充图案452，以用于在好(但非最佳)联结和低(但非最佳)光学损耗之间的折衷。在p-i-n盘下方的蚀刻的硅填充图案还可以通过散射在NIPD有源层112处创建更均匀的光强度，并且可以得到改善的载流子提取和带宽。去除了硅的填充图案的区域填充有包层材料(例如，与用于绝缘体层402的材料相同)。
本文描述的NIPD 202、302和相关联的波导结构200、300可以用于各种光学通信应用和波长机制。下面更详细描述的一个示例应用是集成光学收发器。可以使用NIPD 202、302的其他领域包括感测、成像或激光雷达应用。例如，在包括大的NIPD阵列的红外相机中，用所描述的NIPD实施例实现的自测试功能性可以用于标识起作用的像素和损坏的像素。这种自测试在相干红外成像(即相控阵探测器)中也可以是有益的，其中本地振荡器(即激光器)在每个NIPD之前与输入信号混合。
现在转到光学收发器应用。图5示出了根据各种实施例的示例光学收发器500的各种光学组件的概念图。可以集成在单个衬底或裸片上的光学组件包括一个或多个发射器502、光学开关504和/或波长多路复用器505、发射器输出端口506、用作接收器508的一个或多个NIPD，以及可选地与接收器508相关联的功率分配器510。在不同的相应波长处操作的多个发射器502可以用于提供不同的信号信道，并且可以经由材料选择和它们的NIPD层的厚度来针对相应的波长优化或调整多个相应的接收器508。在所描绘的示例中，光学收发器500包括两个发射器502和两个相应的接收器508。然而，应当理解，光学收发器500可以包括两个以上的发射器502和接收器508，并且实际上的确经常包括两个以上的发射器502和接收器508。
发射器502均可以由激光器和相关联的电光调制器实现，该电光调制器以相位调制和/或幅度调制的形式将电子信号施加到由激光器生成的光上。例如被实现为阵列波导光栅(AWG)的多路复用器505可以将来自多个发射器502的信号组合成多路复用信号，该多路复用信号被承载在多路复用器505的输出处的单个波导上。多路复用器505可以兼作为光学开关504，响应于(通常是电子的)控制信号，光学开关504选择性地将经多路复用的光学信号在收发器500的正常操作模式期间引导到发射器输出端口506、或者在“环回”或自测试模式期间引导到(多个)接收器508。控制信号可以例如由光学收发器组件中的控制处理器提供，或者在晶片测试工具中的晶片级测试期间由被写到晶片级测试程序中的控制程序提供，晶片测试工具通过探头叠加与晶片对接。例如可以通过多路复用器中的加热器或其他主动调谐元件来提供启用或禁用自测试模式的光学开关功能性，该加热器或其他主动调谐元件改变多路复用器内的信号的光学路径长度以将它们聚焦在两个输出中的一个或另一个上，两个输出将多路复用器505分别光学地连接到发送器输出端口506和(多个)接收器508。在仅具有单个发射器502的实施例中，例如由Mach-Zehnder调制器实现的更简单的光学开关504可以代替多路复用器505。在具有多个发射器502的实施例中，这种光学开关504也可以用作在多路复用器504的输出处的单独的组件，作为将多路复用器505同时用作开关504的备选方案。多路复用器505输出的信号可以首先被发送到功率分配器510，功率分配器510在多个接收器508之间分配信号，例如，如所描绘的，以针对两个接收器508的1x2比率。可以通过仅开启发射器502中的一个来一次一个地测试接收器508(例如，生成接收器508针对其被设计的波长处的信号的发射器502仅在该波长处测试，或者每个发射器依次在所有波长处测试)。
根据一些实施例，使用异质硅/III-V族集成将光学收发器500的各种组件创建为单个PIC的一部分。通常，生产集成光学收发器包括层沉积、联结和相减性或相加性图案化步骤的序列。用于执行这些步骤以创建根据本文的器件结构的若干技术是本领域技术人员已知的。例如，可以通过化学气相沉积、溅射、或化学或分子束外延，以及其他技术来实现硅、III-V族、包层或金属接触件层的沉积。可以通过光刻地限定器件结构来物理地图案化所沉积的层，然后通过诸如湿或干蚀刻的相减性工艺或诸如剥离或电镀的相加性工艺来生产所限定的结构。在各种实施例中，单独地创建将要从中形成p-i-n结构的III-V族堆叠，然后将该III-V族堆叠联结到图案化的SOI衬底(其具有已经在器件层中形成的波导和其他光学结构)。然后可以图案化III-V族堆叠以形成p-i-n台面(例如，盘)的各个层，并且可以创建接触金属以建立与n型层和p型层的电连接。在一些实施例中，沉积顶包层(例如，在n型层上形成接触金属环之后)以围住III-V族结构。可以图案化和蚀刻顶包层来暴露p型层以形成相关联的接触金属和/或形成用于连接到n型层的接触金属环的通孔。通常在单个晶片上同时创建多个PIC，然后可以将多个PIC切割成各自对应于单个PIC的单独芯片(或裸片)。
为了组装完整的收发器封装，可以将PIC裸片倒装芯片联结到组装级衬底，该组装级衬底为PIC提供电连接和/或光学连接；组装级衬底还可以用作收发器PIC以及在相同的封装中使用的任何附加的光子模块和/或电子模块(诸如，例如，图7中描绘的控制ASIC706、微控制器708或芯片组710)的公共衬底。组装是昂贵的，并且因此，PIC通常在晶片制造完成时被测试，并且仅将具有高质量的通过的PIC从晶片级释放到组装级生产。可以顺序地测试光学收发器的各个组件，从发射器激光器开始并且以NIPD结束。在晶片级测试期间，NIPD通常仅针对基于吸收的光学响应度被测试(根据光电流与在引起电流的探测器上的入射强度之间的比率来测量)。在组装时，可以重复该测试序列，但是由于用于调制光学发射器的电数据源在该点连接，所以可以将高速数据分组应用于光学发射器，并且在自测试模式中由NIPD接收的对应的数据也可以用于在带宽、分组丢失和/或误码率(BER)方面表征NIPD。附加的晶片级测试可以包括带宽、分组丢失和/或BER，但这种评估在标准晶片级测试系统上通常不可用。
图6是图示根据各种实施例的针对包括多路复用器505的光学收发器500的示例测试流程600的流程图。可以在晶片级测试期间和组装级测试期间使用该测试流程的第一部分(对应于动作602-612)，在组装级测试期间添加另外的动作614-616。测试流程600开始于校准片上发射器激光器的波长(动作602)，并且然后前进到发射器激光器输出功率的自测试(动作604)、发射器调制器输出功率的自测试(动作606)，以及多路复用器输出功率的自测试(动作608)。为了测试NIPD，多路复用器(或单独的光学开关)使自测试模式能够将多路复用器输出路由到NIPD(动作610)，其中平面内光被耦合到NIPD中，例如通过如上所述的张大的或卷绕式波导200、300。测量在NIPD的电连接处生成的得到的光电流以确定NIPD的响应度(动作612)。对于给定的多路复用器输出功率(或光学路径中其他在前组件的输出功率)，可以建立对应于通过的NIPD性能的最小测量光电流。在晶片级测试期间通过响应度自测试后，光学收发器被释放以用于组装。在组装级测试期间，NIPD的质量可以进一步被表征为通过将高速调制信号施加到由发射器激光器生成的光上(动作614)，并且仍然在自测试模式下测量在NIPD处的带宽、分组丢失和/或误码率(BER)(动作616)。基于所测量的光电流来评估NIPD的这些和其他性能度量的方式对于本领域普通技术人员是公知的。
有利地，由本文描述的NIPD结构实现的自测试允许使用标准的大批量生产设备(即，避免定制测试设备的需要)来测试包括NIPD的光学收发器，这又有助于快速、低成本的产品测试。
上面讨论的器件、系统和方法依赖于晶片级工艺来生产和对准。通过已经开发用于半导体生产的成熟工艺(例如光刻和蚀刻)形成大多数或所有的光学元件。例如，当前的光刻技术可以在300mm直径的硅晶片上常规地提供低至45nm的特征尺寸。
与其中组件被分立地生产并且彼此对准的更传统的光学系统相比，晶片级方法提供了可扩展性的显著益处。拥有光刻机或光刻机的争取时间可能相对昂贵，但是通过规模经济可以很容易收回费用。单个晶片可以生产数千个组件。另外，部件本身可以包括通过光刻工艺彼此对准的组件，这可以避免组件彼此之间的昂贵且繁琐的手动对准。另外，光学系统可以被封装为专用集成电路(ASIC)，并与其他纯电气ASIC一起集成到交换系统中。除了便于封装成ASIC之外，用比从分立组件形成的同类系统更可靠的单芯片和固态器件，光学系统还可以实现ASIC的可靠性。
图7示出了根据一些实施例的光学收发器700的示例实施方式。光学收发器700可以发送和接收光学信号(例如，数据被编码在其上的光束)。光学收发器700适用于数据中心服务器、光学以太网和其他应用。例如，在云数据中心网络中，光学收发器700可以用于脊-脊光学互连、脊-叶光学互连和叶-ToR(机架顶上)光学互连。光学收发器700还可以用在其他合适的应用中。
光学收发器700可以包括光子集成电路(PIC)702，其可以执行生产光、检测光、调制光、解调光、放大光、衰减光、将多波长光分离成单个波长的光、将单个波长的光组合成多波长光、在电气和光学域之间转换信号，以及其他合适的光学功能的任何组合。
波导可以将光传输进和出光子集成电路702，并且可以将光从光子集成电路702内的元件到元件传输。波导可以包括具有相对高的折射率的芯材料(诸如硅)，芯材料由具有相对低的折射率的包层材料(诸如二氧化硅)围绕。硅和二氧化硅在诸如在1.2微米和3.0微米之间的红外波长处都是透明的。在一些示例中，波导可以在衬底上的层中形成，诸如通过提供具有在掩埋氧化物层上的硅层的衬底、在硅层中蚀刻槽、用附加的氧化物材料填充槽，以及将经填充的槽的附加的氧化物材料抛光至在波导的顶上的所需的包层厚度。在一些示例中，波导可以成形为肋波导，其可以将光束限制在与波导中的传播方向正交的二维中，并且可以维持沿着传播方向的恒定的截面。在一些示例中，肋波导可以具有梯形截面，其具有平行的顶表面和底表面(例如，面向和远离其上形成波导的衬底的表面)以及成角度的侧表面。在一些示例中，角度可以是90度，使得波导具有矩形截面。在其他示例中，由于光刻曝光或蚀刻工艺的限制，角度可以接近90度，诸如在80度和90度之间。
虽然一些波导旨在将光从光子集成电路中的一个位置传输到另一位置，但是其他波导可以有意地将增益或损耗施加到穿过波导的光。例如，波导可以包括有源部分，其中无源硅材料可以用诸如InP的光学有源材料代替。
一些波导可以用与硅芯和二氧化硅包层不同的材料形成。例如，一个或多个波导可以用诸如InP的有源材料代替光学无源的硅芯中的一些。通过电偏置有源材料，可以选择性地放大或吸收穿过有源材料的光。通常，InP可以仅在需要光学有源材料的情况下被使用，因为它比硅更不透明、更昂贵且更脆弱。还可以使用来自半导体工业的常规技术将有源材料放置在晶片级的波导中。
在一些示例中，可能需要将光从一个波导耦合到另一波导。例如，可能需要将来自无源波导的光耦合到包括有源部分的单独的有源波导，然后返回到无源波导。对于这些情况，将有源波导定位在无源波导顶上的单独的层中可能是便利的。波导之间的耦合可以通过适当地使一个或两个波导的宽度逐渐减小来实现。这种配置可以方便地将电极定位在有源部分的相对侧上，使得电极可以与有源材料定位在相同的层中。
在一些示例中，有源材料可以用作衰减材料以形成电吸收调制器，其可以电偏置有源材料以在规定时间衰减光。电吸收调制器可以将缓慢变化的衰减施加到光束上，和/或可以将数据信号施加到光束上。备选地，当有源材料用于将增益施加到有源波导中的光上时，无源波导可以包括在有源波导的任一侧上的反射器以形成激光腔。在一些示例中，不需要主动冷却这种激光腔，这可以降低功率要求并简化光子集成电路的整体设计。在一些示例中，可以通过垂直耦合器(例如，朝向或远离其上形成激光器的衬底)将输出光耦合出激光腔。这样的垂直耦合可以是有益的，因为激光器不需要具有激光从其出射的有源小平面。由于有源小平面易于发生热量引起的故障，省略有源小平面可以帮助提高激光器的可靠性和寿命。
在一些示例中，波导可以用于形成光谱过滤器，其可以传输在一个或多个规定的波长处的光，并且衰减与规定的一个或多个波长不同的波长处的光。例如，Fabry-Perot过滤器可以形成为波导的一部分，该部分由波导中的两个反射器界定。Fabry-Perot过滤器在反射器之间的往返光学路径长度等于整数个波长的波长处是透射的，并且对于远离透射波长的波长进行衰减。作为另一个示例，可以形成与第一波导相邻的环形谐振器。当绕着环形谐振器的往返光学路径长度等于整数个波长时，第一波导中的光可以耦合到环形谐振器中，并且可以从环形谐振器耦合出、进入到与环形谐振器相邻的第二波导中。这样的环形谐振器表现出峰值波长以及远离这些峰值波长的最小耦合，在该峰值波长处存在进出该环形谐振器的增强的耦合。
尽管这些光谱过滤器可以以被动方式起作用，但是如果它们可以被主动控制，则它们通常更有用。例如，Fabry-Perot反射器之间的或环形谐振器内的波导的一部分可以包括光学有源材料，该光学有源材料可以根据温度而在折射率上变化。与光学有源材料相邻地定位的加热器可以控制有源材料的温度，因此可以控制光谱过滤器内的光学路径长度，并且因此可以控制光谱过滤器在其处是透射的波长(或多个波长)。在一些示例中，有源材料可以被定位在无源波导顶上的单独的层中。波导之间的耦合可以通过适当地逐渐减小一个或两个波导的宽度来实现。这样的配置可以方便地将加热器定位成与有源材料相邻，使得加热器可以被定位在与有源材料相同的层中。
Mach-Zehnder干涉仪可以使用诸如加热的波导或基于InP的相位调制器的可变折射率材料来形成高效的光束衰减器或调制器。Mach-Zehnder干涉仪可以将入射光束分成两个光束，使光束中的一个光束的光学路径长度变化，然后干涉两个光束以产生输出光束。Mach-Zehnder干涉仪在两个臂之间的光学路径差等于整数个波长的波长处是透射的，并且在透射波长之间的波长处是衰减的(到不同程度)。Mach-Zehnder干涉仪可以作为高效的衰减器或调制器起作用，因为从完全透射摆动到完全衰减所需的光学路径差是波长的一半。
可以组合阵列波导光栅、环形谐振器和/或Mach-Zehnder干涉仪中的一个或多个以形成多路复用器，其可以将不同波长处的两个或更多个输入光束组合成具有多个波长的单个输出光束。类似地，也可以组合这些元件以形成解多路复用器，其可以将具有多个波长的单个输入光束分成不同的波长处的两个或更多个输出光束。多路复用器和解多路复用器可以与具有(例如，以特定数据速率调制的)数据信号的光一起操作，或者与缺少数据信号的相对缓慢变化的光一起操作。
光子集成电路702可以包括一个或多个光电探测器，例如，如本文所述的被配置的并且在图1A-图4D中示出的光电探测器，其可以响应于波导中的感测的光的级别而产生电信号。电信号可以由处理器处理，该处理器位于光子集成电路702上、远离光子集成电路702的光学收发器700上，或者远离光学收发器700。
光子集成电路702可以可选地包括一个或多个光纤耦合器，其可以将光垂直地耦合(例如，朝向或远离其上形成光子集成电路702的衬底)到光子集成电路702中或从光子集成电路702耦合出光。在一些示例中，光纤耦合器可以包括相对精确的机械壳体(诸如光学接口平台704)，使得机械壳体可以在光纤附接到壳体时确定光纤的位置和方向。这样的精确的壳体可以允许到光纤的被动耦合(与主动耦合相反，在主动耦合中，光纤的位置和/或方向被主动调整以优化耦合效率)。在一些示例中，光学接口平台704可以包括可重新配合的(rematable)光纤接口，该可重新配合的光纤接口可以同时附接或分离多达八个光纤，但也可以使用其他值。在一些示例中，光可以耦合在光子集成电路和光纤中的两个正交的光的偏振之间。在输出耦合器中，芯片上的两个光束可以被偏振多路复用到单个光纤上。
光子集成电路702可以布置上述光学组件以形成多个器件。
例如，光子集成电路702可以被配置为局域网波分复用器(LAN-WDM)或粗波分复用器(CWDM)。光子集成电路702可以包括用于发射第一波长处的第一光的第一激光器、用于将第一数据信号施加到第一光上的第一调制器、用于发射第二波长处的第二光的第二激光器、用于将第二数据信号施加到第二光上的第二调制器、用于将经调制的第一光和第二光组合成输出光的多路复用器，以及用于将从光子集成电路702出来的输出光耦合到光纤中的第一耦合器。根据需要，光子集成电路702可以包括在附加的波长处的附加激光器和调制器。随着标准化数据速率随时间而增加，调制器可以以更快的速率运行，使得相同的平台可以与连续几代的光子集成电路702一起使用。类似地，随着信道计数(例如，在输出光中存在的波长的数目)随时间而增加，根据需要，可以增加在附加波长处的附加激光器和调制器的数目。
作为另一示例，光子集成电路702可以被配置成以并行单模式操作。光子集成电路702可以包括用于发射第一波长处的第一光的第一激光器、用于将第一数据信号施加到第一光上的第一调制器、用于将从光子集成电路702出来的经调制的第一光耦合到第一光纤中的第一耦合器、用于发射第二波长处的第二光的第二激光器、用于将第二数据信号施加到第二光上的第二调制器，以及用于将从光子集成电路702出来的经调制的第二光耦合到第二光纤中的第二耦合器。根据需要，光子集成电路702可以包括在附加的波长处的附加的激光器、调制器和耦合器。
光学收发器700可以包括控制ASIC 706，其可以控制光子集成电路702。控制ASIC706可以可选地调节电信号和光信号。
光学收发器700可以包括微控制器708，其可以控制哪些芯片彼此通信。在一些示例中，微控制器708可以包括I平方C管理接口，其是同步、多主设备、多从设备、分组交换、单端、串行的计算机总线。也可以使用其他接口。
光学收发器700可以包括芯片组710，其可以对应于多个数据信道和数据速率。在一些示例中，芯片组710可以具有集成的重定时器。
光学收发器700可以包括衬底712，其机械地支撑光学收发器700的所有元件。在一些示例中，衬底712可以符合标准化大小和配置，诸如14mm乘14mm球栅阵列配置。也可以使用其他配置。
已经描述了具有自测试功能性的NIPD的不同方面和特征，以及可以在其中使用它们的光学收发器，提供以下编号的示例作为说明性实施例：
1.一种正交入射光电探测器结构，包括：p-i-n台面，该p-i-n台面被置放在绝缘体上半导体(SOI)衬底上，该p-i-n台面包括n型半导体层、有源半导体层和p型半导体层；金属接触件，该金属接触件接触p型半导体层和n型半导体层；以及波导，该波导形成在SOI衬底的半导体器件层中并且被配置成将光可操作地耦合到p-i-n台面中。
2.根据示例1的光电探测器结构，其中波导从小于p-i-n台面的直径的一半的宽度张大到p-i-n台面下方的条带，该条带被定尺寸并且被定位成包含p-i-n台面的直径的至少一半，该条带可操作地将光耦合穿过p-i-n台面的底表面到达p-i-n台面中。
3.根据示例1的光电探测器结构，其中波导包括沿着p-i-n台面的边缘并且在p-i-n台面的边缘下方形成的卷绕部分，以可操作地将光直接耦合到p-i-n台面中或者耦合到形成在p-i-n台面下方的半导体器件层中的半导体结构中或者两者中。
4.根据示例3的光电探测器结构，其中沿着p-i-n台面的边缘并且在p-i-n台面的边缘下方形成的波导的部分逐渐减小到在波导的末端处的更窄的宽度。
5.根据示例3或示例4的光电探测器结构，其中半导体器件层在由波导的卷绕部分围绕的p-i-n台面下方的区域中至少部分地被向下蚀刻。
6.根据示例3或示例4的光电探测器结构，其中半导体器件层在由波导的卷绕部分围绕的p-i-n台面下方的区域中未被蚀刻。
7.根据示例3或示例4的光电探测器结构，其中半导体器件层根据由波导的卷绕部分围绕的p-i-n台面下方的区域中的填充图案而被图案化。
8.根据示例1-7中任一项的光电探测器结构，其中p-i-n台面中的层被布置有最靠近SOI衬底的一个或多个n型层、在一个或多个n型层顶上的有源层、以及在有源层顶上的一个或多个p型层，并且其中一个或多个p型层至少包括p型接触层。
9.根据示例8的光电探测器结构，其中p型接触层是均匀的。
10.根据示例8的光电探测器结构，其中p型接触层是环形的。
11.根据示例1-10中任一项的光电探测器结构，其中p-i-n台面由III-V族材料制成。
12.一种集成在半导体衬底上的光学收发器，该光学收发器包括：至少部分地形成在所述衬底的器件层中的一个或多个光学发射器；发射器输出端口；一个或多个光学接收器，每个光学接收器包括正交入射光电探测器和波导，该正交入射光电探测器由具有电连接的p-i-n台面形成在衬底上，该波导形成在衬底的器件层中并且被配置成将光耦合到p-i-n台面中；以及光学开关，其被配置成选择性地将一个或多个光学发射器在正常操作模式下耦合到发射器输出端口，或者在自测试模式下耦合到一个或多个光学接收器的波导。
13.根据示例12的光学收发器，包括多个光学发射器和被配置成用于多个相应的操作波长的多个相应的光学接收器，其中光学开关包括波长多路复用器，波长多路复用器还被配置成多路复用从多个光学发射器接收的光学信号。
14.根据示例12或示例13的光学收发器，其中光学接收器中的至少一个光学接收器的波导从小于p-i-n台面的直径的一半的宽度张大到p-i-n台面下方的条带，该条带被定尺寸和被定位成包含p-i-n台面的直径的至少一半，该条带可操作地将光耦合穿过p-i-n台面的底表面到达p-i-n台面中。
15.根据示例12或示例13的光学收发器，其中波导包括沿着p-i-n盘的边缘并在p-i-n盘的边缘下方形成的卷绕部分，以可操作地将光直接耦合到p-i-n台面中或者耦合到形成在p-i-n台面下方的半导体器件层中的半导体结构中的至少一个。
16.一种测试光学收发器的方法，该光学收发器包括光学发射器和光学接收器，光学接收器包括正交入射光电探测器(NIPD)和被配置成将平面内光耦合到NIPD中的相关联的波导结构，该方法包括：用光学发射器生成光学信号；选择性地将光学发射器的输出耦合到与NIPD相关联的波导结构，由此光学信号被耦合到NIPD中；以及测量在NIPD处的光电流以确定接收器的响应度。
17.根据示例16的方法，还包括：调制光学信号以将高速数据施加到光学信号上；以及确定在光学接收器处接收的数据的带宽、分组丢失或误码率中的至少一个。
18.根据示例16或示例17的方法，其中光学发射器包括发射器激光器和发射器调制器，并且光学收发器还包括多路复用器；其中该方法还包括：校准发射器激光器的波长、测量发射器激光器的输出功率、测量发射器调制器的输出功率，以及测量多路复用器的输出功率；并且其中基于所测量的光电流和多路复用器的所测量的输出功率确定NIPD的响应度。
19.根据示例16-18的方法，其中波导结构从小于NIPD的直径的一半的宽度张大到NIPD下方的条带，该条带包含NIPD的直径的至少一半，并且其中光学信号从条带垂直耦合到NIPD中。
20.根据示例16-18中任一项的方法，其中波导结构包括沿着NIPD的边缘并在NIPD的边缘下方形成的卷绕部分，并且其中光学信号直接耦合到NIPD中或者耦合到形成在NIPD下方的层中的半导体结构中或者两者中。
尽管已经参考具体示例实施例描述了本发明的主题，但是显而易见的是，在不脱离本发明主题的更宽泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被视为说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种正交入射光电探测器结构，包括：
p-i-n台面，所述p-i-n台面被联结到绝缘体上半导体SOI衬底的半导体器件层，所述绝缘体上半导体SOI衬底包括绝缘底包层顶上的所述半导体器件层，所述p-i-n台面包括n型半导体层、有源半导体层和p型半导体层；
金属接触件，所述金属接触件接触所述p型半导体层和所述n型半导体层；以及
半导体波导，所述半导体波导形成在所述SOI衬底的所述半导体器件层中并且实质上沿着所述p-i-n台面的边缘布置在所述p-i-n台面的下方，其中所述半导体波导被配置成在自测试模式下将光可操作地耦合到所述p-i-n台面中，
其中所述光电探测器结构被配置为在正常操作模式下检测在正交于所述p-i-n台面的层的平面的方向上的入射光。
2.根据权利要求1所述的光电探测器结构，其中所述波导包括沿着所述p-i-n台面的边缘并且在所述p-i-n台面的边缘下方形成的卷绕部分，以可操作地将光直接耦合到所述p-i-n台面中或者耦合到形成在所述p-i-n台面下方的所述半导体器件层中的半导体结构中或者两者中。
3.根据权利要求2所述的光电探测器结构，其中沿着所述p-i-n台面的边缘并且在所述p-i-n台面的边缘下方形成的所述波导的所述部分逐渐减小到在所述波导的末端处的更窄的宽度。
4.根据权利要求2所述的光电探测器结构，其中所述半导体器件层在由所述波导的所述卷绕部分围绕的所述p-i-n台面下方的区域中至少部分地被向下蚀刻。
5.根据权利要求2所述的光电探测器结构，其中所述半导体器件层在由所述波导的所述卷绕部分围绕的所述p-i-n台面下方的区域中未被蚀刻。
6.根据权利要求2所述的光电探测器结构，其中所述半导体器件层根据由所述波导的所述卷绕部分围绕的所述p-i-n台面下方的区域中的填充图案而被图案化。
7.根据权利要求1所述的光电探测器结构，其中所述p-i-n台面中的所述层被布置有最靠近所述SOI衬底的一个或多个n型层、在所述一个或多个n型层顶上的所述有源半导体层、以及在所述有源半导体 层顶上的所述一个或多个p型层，并且其中所述一个或多个p型层至少包括p型接触层。
8.根据权利要求7所述的光电探测器结构，其中所述p型接触层是均匀的。
9.根据权利要求7所述的光电探测器结构，其中所述p型接触层是环形的。
10.根据权利要求1所述的光电探测器结构，其中所述p-i-n台面由III-V族材料制成。
11.一种正交入射光电探测器结构，包括：
p-i-n台面，所述p-i-n台面被联结到绝缘体上半导体SOI衬底的半导体器件层，所述绝缘体上半导体SOI衬底包括绝缘底包层顶上的所述半导体器件层，所述p-i-n台面包括n型半导体层、有源半导体层和p型半导体层；
金属接触件，所述金属接触件接触所述p型半导体层和所述n型半导体层；以及
半导体波导，所述半导体波导形成在所述SOI衬底的所述半导体器件层中并且被配置成在自测试模式下将光可操作地耦合到所述p-i-n台面中，
其中所述光电探测器结构被配置为在正常操作模式下检测在正交于所述p-i-n台面的层的平面的方向上的入射光，并且
其中所述波导从小于所述p-i-n台面的直径的一半的宽度张大到所述p-i-n台面下方的条带，所述条带被定尺寸并且被定位成包含所述p-i-n台面的所述直径的至少一半，所述条带可操作地将光耦合穿过所述p-i-n台面的底表面到达所述p-i-n台面中。
12.一种集成在半导体衬底上的光学收发器，所述光学收发器包括：
一个或多个光学发射器，所述一个或多个光学发射器至少部分地形成在所述衬底的器件层中；
发射器输出端口；
一个或多个光学接收器，每个光学接收器包括正交入射光电探测器和波导，所述正交入射光电探测器由具有电连接的p-i-n台面形成在所述衬底上，所述波导形成在所述衬底的器件层中并且被配置成将光耦合到所述p-i-n台面中，其中所述波导被实质上沿着所述p-i-n台面的边缘布置在所述p-i-n台面的下方并且被配置成在自测试模式下将光可操作地耦合到所述p-i-n台面中，并且其中所述正交入射光电探测器被配置为在正常操作模式下检测在正交于所述p-i-n台面的层的平面的方向上的入射光；以及
光学开关，所述光学开关被配置成选择性地将所述一个或多个光学发射器在所述正常操作模式下耦合到所述发射器输出端口，或者在所述自测试模式下耦合到所述一个或多个光学接收器的所述波导。
13.根据权利要求12所述的光学收发器，包括多个光学发射器和被配置成用于多个相应的操作波长的多个相应的光学接收器，其中所述光学开关包括波长多路复用器，所述波长多路复用器还被配置成多路复用从所述多个光学发射器接收的光学信号。
14.根据权利要求12所述的光学收发器，其中所述波导包括沿着所述p-i-n台面的边缘并在所述p-i-n台面的边缘下方形成的卷绕部分，以可操作地将光直接耦合到所述p-i-n台面中或者耦合到形成在所述p-i-n台面下方的半导体器件层中的半导体结构中的至少一个。
15.一种集成在半导体衬底上的光学收发器，所述光学收发器包括：
一个或多个光学发射器，所述一个或多个光学发射器至少部分地形成在所述衬底的器件层中；
发射器输出端口；
一个或多个光学接收器，每个光学接收器包括正交入射光电探测器和波导，所述正交入射光电探测器由具有电连接的p-i-n台面形成在所述衬底上，所述波导形成在所述衬底的器件层中并且被配置成将光耦合到所述p-i-n台面中，其中所述正交入射光电探测器被配置为在正常操作模式下检测在正交于所述p-i-n台面的层的平面的方向上的入射光；以及
光学开关，所述光学开关被配置成选择性地将所述一个或多个光学发射器在所述正常操作模式下耦合到所述发射器输出端口，或者在所述自测试模式下耦合到所述一个或多个光学接收器的所述波导；
其中所述光学接收器中的至少一个光学接收器的所述波导从小于所述p-i-n台面的直径的一半的宽度张大到所述p-i-n台面下方的条带，所述条带被定尺寸和被定位成包含所述p-i-n台面的所述直径的至少一半，所述条带可操作地将光耦合穿过所述p-i-n台面的底表面到达所述p-i-n台面中。
16.一种测试光学收发器的方法，所述光学收发器包括被集成在单个衬底上的光学发射器和光学接收器，所述单个衬底包括绝缘底包层顶上的半导体器件层，所述光学接收器包括正交入射光电探测器NIPD和相关联的波导结构，所述正交入射光电探测器NIPD被联结到所述衬底的所述半导体器件层，所述相关联的波导结构实质上沿着所述NIPD的边缘形成在所述衬底的所述NIPD下方的所述半导体器件层中并且被配置成在自测试模式下将平面内光耦合到所述NIPD中，其中所述NIPD被配置为在正常操作模式下检测在正交于所述NIPD的平面的方向上的入射光，所述方法包括：
用所述光学发射器生成光学信号；
选择性地将所述光学发射器的输出耦合到与所述NIPD相关联的所述波导结构，由此所述光学信号被垂直地耦合到所述NIPD中；以及
测量在所述NIPD处的光电流以确定所述接收器的响应度。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
调制所述光学信号以将高速数据施加到所述光学信号上；以及
确定在所述光学接收器处接收的数据的带宽、分组丢失或误码率中的至少一个。
18.根据权利要求16所述的方法，
其中所述光学发射器包括发射器激光器和发射器调制器，并且所述光学收发器还包括多路复用器；
其中所述方法还包括：校准所述发射器激光器的波长、测量所述发射器激光器的输出功率、测量所述发射器调制器的输出功率，以及测量所述多路复用器的输出功率；并且
其中基于所测量的所述光电流和所述多路复用器的所测量的所述输出功率确定所述NIPD的所述响应度。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述波导结构从小于所述NIPD的直径的一半的宽度张大到所述NIPD下方的条带，所述条带包含所述NIPD的所述直径的至少一半，并且其中所述光学信号从所述条带垂直耦合到所述NIPD中。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述波导结构包括沿着所述NIPD的边缘并且在所述NIPD的边缘下方形成的卷绕部分，并且其中所述光学信号被直接垂直地耦合到所述NIPD中或者被耦合到形成在所述NIPD下方的半导体结构中或者两者中，所述光学信号从所述半导体结构被垂直地耦合到所述NIPD中。
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