CN1219327C - 一种探测功率范围可调的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种探测功率范围可调的光电探测器及其列阵，包括一个可以提供光信号衰减功能的波导型光学衰减器、能对光信号进行探测的波导型光电探测器，其中该波导型光电探测器通过其硅波导层与波导型光学衰减器相连，利用光学衰减器对光信号连续衰减的功能来实现对进入光电探测器的光信号的强度的调节从而实现光电探测器的探测功率范围可调，将多个这种类型的光电探测器集成在一块芯片上制成列阵，能够对波分复用系统中不同强度的、多个波长的光信号同时进行功率均衡和探测。
Description
技术领域
本发明提供一种涉及一种光电探测器，特别是指一种探测功率范围可调的光电探测器。
背景技术
伴随着个人电脑普及而来的Internet网的飞速发展，由数字移动通信业务导向个人通信引发的常规通信的革命，以及多媒体通信业务的出现，信息爆炸刺激了通信业务的迅速增长，这种增长的最直接结果就是出现了所谓的“光纤耗尽”现象，为了充分利用现有光缆设施以实现最大限度的扩容，人们普遍认为密集波分复用系统是解决这一问题的最佳途径。
可变光学衰减器和光电探测器是波分复用系统中的两个关键器件。可变光学衰减器是用来进行功率衰减和均衡的器件。光电探测器的主要功能是将光信号转换为电信号，使信息处理更为方便。波分复用系统的发展要求器件向小型化和集成化的方向发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种探测功率范围可调的光电探测器，其可提高光电探测器动态可探测的功率范围；不仅可以实现光电探测器的自我保护，将多个集成了可变光学衰减器的光电探测器制成列阵，还可以对从解复用器出来的不同强度的多个波长的光信号同时进行功率均衡和探测；同时具有简化了耦合封装的程序，降低了整个器件的生产成本，更利于大规模商业化生产的优点。
本发明一种探测功率范围可调的光电探测器，包括一个可以提供光信号衰减功能的波导型光学衰减器、能对光信号进行探测的波导型光电探测器，其特征在于，其中该波导型光电探测器通过其硅波导层与波导型光学衰减器相连，利用光学衰减器对光信号连续衰减的功能来实现对进入光电探测器的光信号的强度的调节从而实现光电探测器的探测功率范围可调；
该光学衰减器直接形成于SOI材料的硅波导层上，光学衰减器之上还要形成上包层，光电探测器的光电探测层生长于SOI材料的硅波导层上，利用SOI材料的硅波导层来形成光电探测器与光学衰减器集成的结构，并提供光信号进入光电探测层的耦合结构。
光电探测器的光电探测层可以是硅锗合金结构或者是硅锗/硅多量子阱结构。
无论是采用硅锗合金结构还是硅锗/硅多量子阱结构，该光电探测器的光电探测层的厚度要满足以下要求，一方面，要保证对入射光信号的充分吸收，另一方面，要保证在SOI材料硅波导层上生长的硅锗合金和硅锗/硅多量子阱结构的晶格完整性。
用于调节入射光信号功率的可变光学衰减器可以是Y分支型结构、定向耦合器型结构、多模干涉型结构。
可以用热光响应或者等离子体色散响应来提供光学衰减器实现衰减功能所需要的位相差；对于采用热光响应的光学衰减器，上包层二氧化硅材料的厚度必须首先保证金属加热电极及电极引线的存在不引起光信号额外的传输损耗，还要保证金属加热电极产生的热量能尽可能快地传到硅波导层，提高光学衰减器的响应速度。
附图说明
为了详细说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施例对本发明作一详细描述，其中：
图1是多模干涉型光学衰减器的立体示意图(为了清楚起见，上包层、加热电极及电极引线部分没有画出)；
图2是光学衰减器与光电探测器集成的立体示意图(为了清楚起见，只画出了光学衰减器的输出端和光电探测器部分)；
图3是光学衰减器与光电探测器集成的侧视图(为了清楚起见，只画出了光学衰减器的输出端和光电探测器部分)。
具体实施方式
与光电探测器集成的光学衰减器可以是多种类型的波导型光学衰减器，如：多模干涉型光学衰减器、Y分支型光学衰减器、定向耦合器型光学衰减器。任何形式的波导型光学衰减器都包括一个光学分束单元、一个相位调制单元、一个光学合束单元。三种不同类型的光学衰减器主要是在光学分束和合束单元上有所差异，如：多模干涉型光学衰减器就是用多模干涉型耦合器作为光学分束和合束单元，Y分支型光学衰减器就是用Y分支型耦合器作为光学分束和合束单元，定向耦合器型光学衰减器就是用定向耦合器作为光学分束和合束单元。其工作原理是：从输入端耦合进来的光信号通过光学分束单元分成强度相同、位相一致的两束，在相位调制区，沿着两条不同路径传播的光信号获得所需要的相对位相差，这两束有一定相对位相差的光信号通过光学合束单元合为一束。由于干涉响应，当这两束光的相对位相差发生变化时，输出光信号的强度就发生相应的变化，当相对位相差在0到π/2之间变化时，输出光信号的强度就从最大衰减到最小。用来实现相位调制的物理响应有等离子体色散响应和热光响应，所谓等离子体色散响应就是材料的折射率随载流子浓度的变化发生改变的现象。所谓热光响应就是指材料的折射率随着温度的变化发生改变的现象。
请参阅图1所示，其是多模干涉型光学衰减器的立体示意图，多模干涉型光学衰减器在水平方向由三部分组成：1×2光学分束器104，相位调制区105，2×1光学合束器106。在垂直方向上主要有四层：硅衬底层101、掩埋二氧化硅层102、硅波导层103，为了减小器件的传输损耗和外界信号的干扰，在硅波导层103之上还要再沉积一层上包层，一般采用二氧化硅作为上包层材料。对于采用热光响应的光学衰减器，在二氧化硅层之上还要有加热电极和电极引线。由于金属的折射率具有很大的虚部，因而光信号在其中传播时将受到很大的光衰减，所以，为了尽可能减小光信号的传输损耗，要求上包层二氧化硅具有足够的厚度，保证金属加热电极及电极引线的存在不会引起光信号额外的传输损耗。另外，由于二氧化硅的热导率(σSiO2＝0.014W/cm.K)比硅(σSiO2＝1.7W/cm.K)小近100倍，所以上包层SiO2的厚度不能太厚，以保证金属加热电极产生的热量能尽可能快地传到硅波导层103，提高光学衰减器的响应速度。对于采用等离子体色散响应的光学衰减器，还要在硅波导层103上形成P+和N+掺杂，然后还要形成电极引线。
在通常情况下，由于光学衰减器与光电探测器所采用的工艺不兼容，所以很难实现光学衰减器与光电探测器的单片集成。从材料性质方面看，硅锗(SiGe)材料的禁带宽度随锗(Ge)组分增加而降低；另一方面，在Si衬底上生长的SiGe层由于应变响应导致带隙收缩，从而引起吸收边红移。利用SiGe这两个方面的特点，可以通过改变组分和调整应力制作探测波长范围在1.1～1.6μm的SiGe光电探测器。但是，由于SiGe材料仍然为间接带隙材料，对光的吸收系数比III-V族半导体材料低3-5个数量级，为了增加光电探测器的量子效率，本发明将光学衰减器制成波导型的结构。
请参阅图2，其是光电探测器的立体示意图，它包括硅衬底层101，掩埋二氧化硅层102、硅波导层103、光电探测层(可以是SiGe合金结构、SiGe/Si多量子阱结构)201、P+掺杂层202、N+掺杂层203，金属电极层204。光电探测层201位于硅波导层103之上。当有光信号从输入波导进入光电探测器区的硅波导层103时，由于其上SiGe层具有更大的材料折射率(SiGe合金的材料折射率随着Ge组分的增加而增加)，根据导波光学中的折射率定则：在一个像波导这样的与光传播方向相平行的多层结构中，光趋向于在折射率最大的区域中传播，光信号将趋向于向光电探测层201中传播，利用这种方式就能够实现对输入光信号的探测功能。通过这种方式实现高效率的耦合，往往需要较长的传播距离，从而增加了光电探测器的面积，使结电容相应增加，而这对光电探测器的响应速度将造成重要影响。我们将光电探测器后的波导区的后端面刨成一定倾角，并在其上镀上一层增反膜301，将输入光信号反射回光电探测器区的硅波导层103中，光电探测器后的波导区的后端面倾角必须保证从该端面反射回去的光信号正好在光电探测器光电探测层的光接收面上。这样，由于光在向回传播的过程中会继续耦合进光电探测层，另外光信号也会直接进入光电探测层。这样就保证了光电探测器对入射光信号高的量子效率。
下面来介绍这种集成化器件的工作原理：如图3所示，从光学衰减器出来的光信号通过其输出波导进入光电探测器区，光电探测器区的光电探测层201是由SiGe/Si多层膜组成，由于SiGe的材料折射率随着Ge组分的增加而增大，所以，在光电探测器区中不能形成很好的导波，光信号将耦合进入SiGe/Si多层膜中。随着光电探测器区长度的增加，将有更多的光信号能量耦合进入光电探测层201，从而大大提高了光电探测器的量子效率。但是在提高光电探测器量子效率的同时，由于光电探测器长度的增加会增加整个器件的面积，使得结电容相应增大，光电探测器的响应速度会相应地有所下降。为了保证光电探测器既有一定的量子效率，又有一定的响应速度，我们采用如图3所示的结构，首先保证光电探测器具有较高的响应速度，这要求光电探测器的长度比较短，因而，从光学衰减器耦合进来的光信号只有一部分进入到光电探测器的光电探测层201中，另外一部分光信号将进入光电探测器之后的波导区中。我们将波导区的尾端刨成一定的倾角，并镀上一层增反膜301。这样，未耦合进光电探测层的光信号在到达波导区的尾部时将全部被反射回去，返回的光束在经过光电探测层201时，由于导波光学的折射率定则，又有一部分耦合进光电探测层201中。只要端面倾角设计的合适，我们就能使从其端面反射回去的光束全部进入光电探测器的光电探测层201中，从而提高了光电探测器对入射光信号的量子效率。这样，通过本发明提供的方法就实现了既具有高的量子效率又具有快的响应速度的光电探测器。当入射光的功率过高的时候，或者说当光电探测器达到吸收饱和时，可以通过调节光学衰减器的工作电流或者是电压，将入射光的功率衰减到光电探测器能够正常探测的范围，这样，就大大提高了光电探测器可以探测的光功率范围，原则上讲，这种类型的光电探测器能够探测大于某阈值功率的任何强度的光信号。另外，将多个这种集成了光学衰减器的光电探测器集成在一起做成阵列，就能够对从波分复用系统中出来的具有不同强度的多个波长的光信号同时实现功率均衡和探测的功能。
为了更好地理解本发明，下面以采用等离子体色散响应实现相位调制的光学衰减器与光电探测器集成为例，具体介绍实施本发明的工艺步骤：
1、热氧化SOI硅片，在光学衰减器区和光电探测器区的特定位置上光刻腐蚀出P+注入窗口，在SOI材料的硅波导层103上形成P+掺杂层202，然后去掉SiO2层。
2、用光刻胶或者其他的材料掩盖住光电探测器区，利用常规硅刻蚀工艺在光学衰减器区刻蚀出光学衰减器的波导图形，光电探测器区的硅不被刻蚀。光学衰减器可以采用Y分支型结构、定向耦合器结构或者多模干涉型结构。然后去掉掩蔽用的光刻胶。
3、用光刻胶或者是其他的掩蔽材料将光学衰减器区盖好，在光电探测器区生长SiGe光电探测层，其组份根据系统的工作波长来选择，使光电探测层201的带隙能量小于系统工作波长对应的能量，以保证进入光电探测层201的光信号能尽可能多地被吸收。在实际生长过程中SiGe层的厚度受临界厚度的限制，为了生长足够厚的光电探测层，需要生长SiGe/Si多量子阱结构。
4、用PECVD生长SiO2层，在光学衰减器区和光电探测器区的特定位置上光刻并腐蚀出N+窗口，然后形成N+掺杂层203。
5、溅射一层金属膜，然后刻蚀出金属电极层204及电极引线图形。
对于采用热光响应实现相位调制的可变光学衰减器与光电探测器集成的情况，其工艺可以采用如下步骤：
1、用光刻胶或者是其他的材料掩盖住光电探测器区，利用常规硅刻蚀工艺在光学衰减器区刻蚀出光学衰减器的波导图形，光电探测器区的硅不被刻蚀。
2、用PECVD方法或者热氧化的方法在光学衰减器区和光电探测器区生长一层二氧化硅层，要求该层二氧化硅膜的厚度满足：(1)顶层的金属加热电极和电极引线的存在不会使光信号受到额外的吸收损耗。(2)使得金属加热电极产生的热量尽可能快的传到波导芯区，以提高光学衰减器的响应速度。在光电探测器区光刻并腐蚀出P+掺杂窗口，然后形成P+掺杂层202。
3、去掉SiO2，生长SiGe多量子阱光电探测层201。
4、在光学衰减器区和光电探测器区的特定位置上光刻并腐蚀出N+窗口，然后实现N+掺杂层203。
5、用光刻胶或者是其他的材料掩盖住光电探测器区，溅射一层金属Ti或NiCr等金属，刻蚀出加热电极。
6、溅射一层金属膜，然后刻蚀出金属电极层204及电极引线图形。
Claims (6)
1、一种探测功率范围可调的光电探测器，包括一个可以提供光信号衰减功能的波导型光学衰减器、能对光信号进行探测的波导型光电探测器，其特征在于，其中该波导型光电探测器通过其硅波导层与波导型光学衰减器相连，利用光学衰减器对光信号连续衰减的功能来实现对进入光电探测器的光信号的强度的调节从而实现光电探测器的探测功率范围可调；
该光学衰减器直接形成于SOI材料的硅波导层上，光学衰减器之上还要形成上包层，光电探测器的光电探测层生长于SOI材料的硅波导层上，利用SOI材料的硅波导层来形成光电探测器与光学衰减器集成的结构，并提供光信号进入光电探测层的耦合结构。
2、根据权利要求1所述的探测功率范围可调的光电探测器，其特征在于，光电探测器的光电探测层可以是硅锗合金结构或者是硅锗/硅多量子阱结构。
3、根据权利要求1所述的探测功率范围可调的光电探测器，其特征在于，无论是采用硅锗合金结构还是硅锗/硅多量子阱结构，该光电探测器的光电探测层的厚度要满足以下要求，一方面，要保证对入射光信号的充分吸收，另一方面，要保证在SOI材料硅波导层上生长的硅锗合金和硅锗/硅多量子阱结构的晶格完整性。
4、根据权利要求1所述的探测功率范围可调的光电探测器，其特征在于，用于调节入射光信号功率的可变光学衰减器可以是Y分支型结构、定向耦合器型结构、多模干涉型结构。
5、根据权利要求1所述的探测功率范围可调的光电探测器，其特征在于，可以用热光响应或者等离子体色散响应来提供光学衰减器实现衰减功能所需要的位相差；对于采用热光响应的光学衰减器，上包层二氧化硅材料的厚度必须首先保证金属加热电极及电极引线的存在不引起光信号额外的传输损耗，还要保证金属加热电极产生的热量能尽可能快地传到硅波导层，提高光学衰减器的响应速度。
6、根据权利要求1所述的探测功率范围可调的光电探测器，其特征在于，整个器件的后端面的倾角要大于90度，该倾角要保证从其端面反射的光信号正好投射到光电探测器的光电探测层的底部，并在其上镀上一层增反膜，保证未进入光电探测器光电探测层的光信号能够被反射回去，保证光电探测器对入射光信号高的量子效率。
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