CN1317572C - 锥形波导光电探测器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

采用含锥形部分的光波导的波导光电探测器装置和方法，其中该锥形部分可以是水平锥形、垂直锥形或这两者。装置还包括含本征区的光电探测器，再一个实施例中，它可以按与锥形部分的水平锥体相对应的方式形成锥形。光电探测器邻近于锥形部分，从而本征区经由被引导的光波的消散波耦合到光波导。锥形部分用来迫使来自光波导的在被引导光波中承载的能量经由消散波进入光电探测器的本征区，从而缩短光电探测器长度。

Description

锥形波导光电探测器装置和方法
技术领域
本发明的技术领域属于光电探测器，尤其属于基于波导的高速光电探测器。
背景
存在许多光波应用，诸如光通信和芯片互连，其涉及传送光信号和以较高的数据速率将它们转换成电信号。用于执行这种传送和转换的系统通常需要与光信号的速度和带宽相容的光电探测器。优选的光电探测器通常是PIN(p型/本征/n型)半导体(例如，Si或Ge)检测器，因为这种检测器可以具有较快(即，GHz)的频率响应。
特定的高速光电探测器使用光波导作为导管，用于将光提供到PIN光电探测器的本征区。光波导是平面、矩形或圆柱结构，具有由低折射率(index)的包层围绕的高折射率核心。光被收集于多数在高折射率核心内的波导中，其中在包层中传播的小部分光是消散波。当PIN光电探测器的本征区足够靠近光波导时，可以经由消散波将光耦合到该本征区。这种现象称作“消散耦合”。
为了形成高速的基于波导的光电探测器，光波导中行进的光必须有效地耦合到光电探测器的本征区。随后，将该光转换成发生光子的载体，随后散播出到电极(即，PIN检测器的p+和n+区)。其结果是与检测出的光相对应的电信号(例如，光电流)。
检测器的速度涉及它花费用于生成光子的载体到达电极的时间。该时间被称作“切换时间”。本征区越窄，切换时间越短且检测器越快。快速光电探测器允许高速光信号的检测和处理。
通常，光电探测器的本征区的宽度和长度由波导的宽度和长度规定。但是，波导通常被设计用于最佳地发送特定的光波长，而不用于优化检测器速度。对于低折射率光波，本征区宽度可以相当宽(例如，超过1微米)和相当长(例如，超过50微米)。
PIN检测器的本征区通常是硅(Si)或锗(Ge)，与典型的光波折射率(例如，对于SiOxNy，约是1.5)相比，这两者都具有较高的折射率(例如，约3.5)。对于传播常数和引导的光波的波导模，这导致光波导和PIN检测器之间的失配。该失配引起效率较低的光耦合。在某些情况中，相对较长的波导检测器接口用于补偿耦合的低效率并用于确保将足够的光耦合到检测器。但是，较长的接口是不期望的，因为这会导致较大的检测器。此外，在许多情况中，为了实施，补偿耦合的低效率所需的接口长度太长。
附图概述
图1是本发明的光电探测器实施例的平面图，其中光波导具有含水平锥体的锥形部分；
图2是图1的光电探测器装置的剖视图；
图3是与图1的光电探测器相类似的光电探测器装置的剖视图，除了光波导锥形部分具有垂直锥体；
图4是与图1所示的实施例的光电探测器相类似的光电探测器的端部透视图，除了光波导锥形部分具有垂直和水平(即“双重”)锥体；
图5是图1的光电探测器装置的端示图；
图6是具有锥形本征区的PIN光电探测器的实例性实施例的特写平面图；
图7A是类似于图1但没有锥形波导部分的光电探测器装置的基于耦合入PIN检测器的本征区的光的时间平均强度I(任意单位)模拟与沿着本征区的距离D(微米)的模拟图表；
图7B是与图7A类似的图表，除了光电探测器装置包括水平锥形部分；以及
图8是电光系统的实施例的示意图，它采用了本发明的光电探测器装置的实任何一个实施例。
具体实施方式
在以下本发明实施例的详细描述中，将参考附图，这些附图形成详细描述的一部分，其中通过说明显示了实施本发明的具体实施例。足够详细地描述这些实施例以使得本技术领域内的熟练技术人员进行实施，且可以理解，可以使用其它实施例且可以进行变化而不背离其范围。因此，以下的详细描述不是限制性的，且本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
图1是本发明的光电探测器装置10的实施例的平面图，其中光波导14具有含水平锥体的锥形部分70。
图2是图1的光电探测器装置的剖视图。图2中，沿轴线A1在图1的Y-Z平面中获得该剖视图。
现在参考图1和2，装置10包括光波导14，它具有输入端16、上表面18和下表面20。在实例性实施例中，光波导是矩形波导，如图所示。光波导14还包括由包层24围绕的核心22。核心22具有X方向上的核心宽度Wx(图1)以及Y方向上的核心宽度Wy(图2)。核心22的折射率大于包层24的折射率。
在实例性实施例中，核心22由Si3N4制成用于波长为850nm的光的传播，或者它由本征硅制成用于1微米以上的波长。此外在实例性实施例中，包层24由SiO2制成，在近红外和红外波长处与Si3N4的折射率(约3.5)相比它具有相对较低的折射率(约1.5)。通过使用提供核心和包层(例如，分别是Si3N4和SiO2)之间的较大折射率差异的材料，可以将核心尺寸Wx和Wy形成得较小，例如Wx、Wy＜1微米。
对于光波导14引导光波50来说，高折射率核心/低折射率包层几何形态是必要的。光波50包括在核心22中传播的中央部分56和在包层24中传播的消散波58。在实例性实施例中，光波50表示或承载光信号。
光波14进一步包括锥形部分70。锥形部分70具有长度L1，它是始于点76处沿着波导并终于窄端82处沿Z方向测量的。在图1所示的装置10的实例性实施例中，锥形部分70在水平(X-Z)平面中是渐细的并因此在这里被称作“水平锥体”。
图3是与图1类似的光电探测器装置10的剖视图，除了光波导锥形部分70具有垂直锥体。该实施例这里被称作“垂直锥体”。
图4是与图1所示的实施例的光电探测器相类似的光电探测器110的透视端示图，除了光波导锥形部分具有垂直和水平(即“双重”)锥体。该实施例这里被称作“双重锥体”。
以下将详细讨论各种形式中锥形部分70的作用。为便于说明，以下的讨论以图1所示的装置10的水平锥形实例性实施例继续。
图5是图1的光电探测器装置10的端示图。装置10进一步包括PIN光电探测器110，它具有由本征区126分开的相对的p型和n型电极116和120。本征区126由半导体材料制成，且在实例性实施例中，它包括硅或锗。本征区126具有宽度WI和在前端134与终端140(图2)之间测量的长度L2。在实例性实施例中，宽度WI是可变的。
PIN光电探测器110被设置成邻近核心22，从而波导14和本征区126经由消散波58光通信。换句话说，波导和PIN检测器的本征区。在一个实例性实施例中，本征区126的宽度WI对应于波导110的核心宽度Wx，它可以是恒定的(例如，对垂直锥体)或可变的(例如，对水平锥体)。此外，在实例性实施例中，本征区宽度WI等于或基本等于核心宽度Wx。在另一个实例性实施例中，本征区长度L2等于或基本等于锥形部分长度L1。
在实例性实施例中，本征区126形成于波导14之下，与p型和n型电极116和120的自对准形成结合，相对于波导核心22形成。
图6是具有锥形本征区126的PIN光电探测器的实例性实施例的特写平面图。当锥形部分70(图1-4)包括水平锥体时，锥形本征区最合适。在实例性实施例中，锥形本征区126匹配波导14(图1-4)的锥形部分70的锥体。在实例性实施例中，p型和n型电极116和120被形成一定形状以容纳锥形本征区126。
操作中，参考图1-3，将光波50输入光波导14的输入端16并向下传播波导。最后，光波50达到锥形部分70的开始点76，在实例性实施例中这也是光电探测器110的前端134的位置。在该点处，光波50的消散波58消散地耦合到本征区126(图2-6)，且光(能量)被传递到本征区126)。为便于耦合，在实例性实施例中，本征区126紧密地直接接触到锥形部分70(图2-3)中的核心22。
仍参考图1-3，当功率耦合到本征区时，光波50继续向锥形部分70的较窄端82传播。对于纯粹的水平锥体(例如，图1-2)，仅在X方向上，核心的尺寸从点76向较窄端82变小(即，核心宽度Wx在Z方向上变化，而核心宽度Wy保持恒定)。对于纯粹的垂直锥体(例如，图3)，核心的尺寸仅在Y方向上变小而核心宽度Wx保持恒定。
参考图4，对于组合垂直和水平(即，双重)锥体，核心的尺寸在水平和垂直方向这两者上变小，从而核心宽度Wx和Wy(未在图4中示出)两者在Z方向上变化。
再次参考图1-3，锥形部分70中核心22的尺寸的减少使得光波50中承载的能量从中央部分56传播出进入消散波58。消散波能量的增加使得越来越多的能量从光波50耦合入本征区126。因此，当光波50继续通过锥形部分70向较窄端82传播时，来自光波的越来越多的能量被迅衰耦合入本征区126。被耦合的光能形成本征区126中的光子发生的载体，它扩散到电极116和120(图4和5)，形成诸如光电流的电信号168。
仍参考图1-3，设计锥形部分70，从而当光波50到达较窄端82时，光波中剩余的能量是可忽略的。这是为了防止能量被反射回并行进回光波导14。同样，在实例性实施例中，选择锥形部分70的锥体的度数(degree)，从而从波导14到本征区126的能量传递是绝热的，即除了迅衰耦合到本征区还产生最小的反射或能量损耗。对于给定的一组参数(例如，光的波长、本征区的所需长度、核心、包层和本征区的相对折射率等等)的锥形部分70的最佳设计可以通过使用商业上可得的模拟软件的计算机建模来实现。这种模拟软件的一个实例是rSoftBPM模拟器，当前可从rsoft，Inc.，www-rsoft-com(为避免不注意超链接，前述URL中的句点由破折号代替)。
因此，锥形部分70通过迫使光波50中的能量进入本征区126有助于有效的光耦合。这允许使本征区126的长度L2(图2-3)比不存在锥形部分70的情况中的更短。从而，这有助于更紧凑和有效的光电探测器装置。
图7A是与图1类似但没有锥形波导部分的光电探测器装置的基于耦合入PIN检测器的本征区的光的时间平均强度I(任意单位)与本征区的距离D(微米)的模拟图表。
图7B是与图7A类似的图表，除了光电探测器装置包括水平锥形部分。
在图7A和7B中，从被引导的光波50将基本全部能量传递到本征区126(例如，图2中)所需的距离这里被称作“能量传递距离”并被标为DT。上述rsoft BPM模拟器被用于执行模拟以获得图表的数据。
通过图7A，可以看到，对于“无锥体”的情况，能量传递距离DT约是25微米。另一方面，通过图7B，可以看到对于水平锥体的情况，能量传递距离DT约是2.5微米。因此，在装置10中使用水平锥形部分70可以形成能量传递距离DT的非常大(即，约数量级)的减小。对于垂直和双重锥体实施例，可以获得类似的结果。结果，可以将装置10的PIN检测器部分形成为比现有技术的装置小几乎两个数量级。
除了增加耦合效率和减小能量传递距离DT，采用装置10的实施例也可以实现检测速度的增加，特别是在锥形部分70中具有水平锥体部件的那些实施例。如以上结合图6所讨论的，锥形部分70的水平部件允许本征区126是相应的锥形，从而本征区在平均值上比常规的本征区更窄。与常规PIN相比，这形成p型和n型电极116和129之间更短的距离。从而，对于产生光子的载体来说，这转换成更短的通过时间，从而具有更快的检测器速度。
电光系统
图8是电光系统200的实施例的示意图，它采用了本发明的光电装置10的任何一个实施例。系统200包括光学或光电装置210，其在输入端16处光耦合到光波导14。装置210能产生由光波50承载或者由光波50表示的光信号。在实例性实施例中，装置210包括微处理器(未示出)和发光装置(未示出)，诸如二极管激光器或发光二极管。
系统200进一步包括电子或光电装置230，其经由线路236电耦合到光电探测器110。装置230是能接收和处理电信号168的任何装置，诸如但不限于，微处理器、滤波器、放大器或其任何组合。装置230可以包括任何其它类型的信号处理元件或电路。
操作中，装置210发出由光波50表示或承载的光信号，它耦合入光波导14。光波50在波导14中传播到锥形部分70。在锥形部分70中，当光波继续向较窄端82传播时，通过锥体将光波50的能量强迫入光电探测器110的本征区126(参考图2、3、5和6)。本征区126中的光被转换成发生光子的载体，它扩散到电极116和120(参考图4-6)，形成电信号168。电信号168随后由线路236传递到装置230，该装置230随后处理该电信号。
附图中描述的各种元件都仅仅是说明性而非限制性的。其特定比例可以被放大，同时其它的可以小型化。附图旨在说明本发明的各种实施，它们可以由本技术领域内的普通技术人员理解和适当实施。
虽然特定元件已在这里相对于“上”或“下”，以及“水平”和“垂直”加以描述，但可以理解，这些描述是相对的，且如果元件被倒置、旋转或镜像，它们可以被颠倒。因此，这些术语并非限制性的。
应强调的是，提供了摘要以符合要求摘要的37C.F.R.§1.72(b)，它将允许读者快速地确认技术揭示内容的性质和要点。可以理解，它不用于说明或限制权利要求书的范围或意思。
在前述详细描述中，为了使揭示内容流畅，将各种特点组合在单个实施例中。这种揭示方法不被解释成表示本发明所要求的实施例需要比每个权利要求中所表达的更多的特点。而是，如以下权利要求书所反映的，发明主题存在于单个揭示的实施例的小于全部的特点中。因此，所附权利要求书这里被结合入具体描述中，其中每个权利要求支持其自身作为一具体的较佳实施例。
虽然已结合较佳实施例描述了本发明，但可以理解，它不是限制性的。相反，其旨在覆盖所有可选方案、修改和等效物，如所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围中所包含的。

Claims (15)

1.一种装置，其特征在于，它包括：
光波导，它具有核心和锥形部分；以及
具有本征区的光电探测器，所述本征区与光波导的锥形部分匹配，且邻近于所述光波导的锥形部分，从而经由迅衰耦合将本征区光耦合到光波导。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锥形部分包括水平锥体。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述本征区是锥形的，与所述锥形部分的水平锥体相对应。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述锥形部分包括垂直锥体。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锥形部分包括垂直锥体。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锥形部分具有第一长度，且其中所述本征区具有基本等于该第一长度的第二长度。
7.一种装置，其特征在于，它包括：
光电探测器，它具有由本征区分开的相对的p型和n型电极；以及
光波导，它具有核心和锥形部分，其中锥形部分邻近于所述本征区，从而迅衰耦合核心和本征区，并且所述光电探测器的本征区与光波导的锥形部分匹配。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述锥形部分包括水平锥体和垂直锥体中的至少一个。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述锥形部分包括水平锥体，且本征区是锥形的。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，n型和p型电极是锥形的，以容纳锥形本征区。
11.一种系统，其特征在于，它包括：
光电探测器装置，它具有含锥形部分的光波导，该光波导支持光波，以及具有本征区的光电探测器，其中并且所述光电探测器的本征区与光波导的锥形部分匹配，本征区邻近于锥形部分并与其迅衰耦合，该光电探测器能响应于从光波迅衰耦合到本征区的光而产生电信号；
第一装置，它能产生所述光波并耦合于光波导的输入端；以及
第二装置，它电耦合于所述光电探测器并能接收和处理该电信号。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述锥形部分包括水平锥体和垂直锥体中的至少一个。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，锥形部分包括水平锥体且其中本征区是锥形的。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，本征区包括硅。
15.如权利要求12所述的系统，其特征在于，本征区包括锗。
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