CN1858916A - 具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种基于半导体波导的光接收器。依照本发明的各方面的一种装置包括沿光波导限定的吸收区。该吸收区包括具有第一折射率的第一类半导体材料。该装置还包括沿光波导限定的倍增区。该倍增区靠近该吸收区，但与其分离。该倍增区包括具有第二折射率的第二类半导体材料。第一折射率大于第二折射率，使得通过光波导传输的光束从倍增区拉向吸收区并在吸收区中吸收，以从光束产生电子－空穴对。该倍增区包括沿光波导限定的第一和第二掺杂区。该第一和第二掺杂区具有相反的极性以创建电场来倍增吸收区中产生的电子。
Description
技术领域
本发明的实施例一般涉及光学器件，更具体地，但非专门涉及光电检测器。
背景技术
由于因特网数据话务的增长速率已超过了语音话务，因此对快速且有效的基于光学的技术的需求也日益增长，从而推动了对光纤通信的需求。密集波分复用(DWDM)系统中多个光通道通过同一光纤的传输提供了一种使用由光纤提供的空前容量(信道带宽)的简单方法。该系统中常用的光学部件包括波分复用(WDM)发射器和接收器、诸如衍射光栅、薄膜滤光片、光纤布拉格光栅、阵列波导光栅等滤光片、光分插(add/drop)复用器、激光器、光转换器和光电检测器。通过将入射光转换成电信号，光电二极管可用作光电检测器来检测光。可将电路耦合到光电检测器来接收表示入射光的电信号。电路然后可依照期望的应用来处理该电信号。
附图说明
参考以下附图描述本发明的非限制且非穷举实施例，在所有附图中，除非另外指定，否则相同的参考标号指示相同的部分。
图1A是对本发明的一个实施例示出一种光通信系统的框图，该系统包括具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器。
图1B是对本发明的一个实施例示出具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器的横截面图的的图示。
图2是对本发明的一个实施例示出当在具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器的倍增区中使用硅时对灵敏度的改进。
具体实施方式
公开了用于具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器的方法和装置。在以下描述中，陈述了众多具体细节以提供对本发明的全面理解。然而，本领域的普通技术人员可以清楚，无需采用这些具体细节即可实施本发明。在其它情况下，未详细描述公知的材料或方法，以避免模糊本发明。
贯穿本说明书，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着关于该实施例所描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，贯穿本说明书各处的“在一个实施例中”或“在实施例中”的短语的出现不必都指的是同一实施例。此外，可以在一个或多个实施例中用任何合适的方式组合各具体特征、结构或特性。另外，本领域的普通技术人员可以理解，此处所提供的附图用于解释的目的，且附图不必按规定比例来绘制。
图1A是对本发明的一个实施例示出一种光通信系统100的框图，该系统100包括具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器(APD)101。如图所示，光源137生成光束115。对于一个实施例，信号可在光束115上进行编码，使得在光学系统100中在光束115中携带数据或信息。对于一个实施例，光束115可包括红外或近红外波长，例如1,300纳米和/或1,550纳米等。对于另一实施例，光束115可包括诸如1000纳米到1500纳米光等光波长范围。如图1A所示，光纤139可被光学地耦合以从光源137接收光束115。包括雪崩光电检测器101的光学接收器可被光学地耦合以接收光束115，以将光束中的信号从光信号转换成电信号。
图1A所示的示例示出光接收器包括设置在半导体材料105上的光波导103。光束115从光纤139接收，并被传导到光波导103。在所示的示例中，光束115通过光波导103中限定的集成滤光片141沿光波导103传播，然后通过半导体材料105中的光波导103中限定的集成可变光衰减器(VOA)143传播。在所示的示例中，滤光片141包括集成于半导体材料105的布拉格光栅等。对本发明的一个实施例，集成可变光衰减器143可用于在光束115通过光波导103传播时可变地衰减该光束。
当光束115继续沿光波导103传播时，光束115到达光波导103的雪崩光电检测器101部分，它包括沿光波导103限定的吸收区107，以及沿光波导103限定的、靠近高吸收区107的倍增区109。注意，光波导103的雪崩光电检测器101部分和光纤139之间的光波导103部分(包括滤光片141和可变光衰减器143)不是必需的，且对于本发明的一个实施例，光纤139可以直接耦合到光波导103的雪崩光电检测器101部分。
图1B是对本发明的一个实施例，更详细示出具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器101的横截面图的图示。如可从图1A和1B中观察到的，吸收区107包括第一类半导体材料，而倍增区109包括第二类半导体材料。倍增区109包括沿光波导103限定的第一和第二掺杂区111和113。掺杂区111和113用相反电极的掺杂物来掺杂，这在倍增区109的掺杂区111和113之间的分界面或结处产生了一个高电场。例如，掺杂区111可包括p型掺杂剂，而掺杂区113可包括n型掺杂剂，这导致倍增区109的掺杂区111和113之间的分界面处的p-n结。
对于一个实施例，吸收区107中包括的第一类半导体材料大多数或主要是本征的或轻微掺杂的锗(Ge)。为本发明的目的，“大多数”或“主要”包括锗的吸收区107被解释为主要包括锗或包括的锗比其它材料多的第一半导体材料。由此，吸收区107具有相对较高的折射率，诸如约4.0。另外，对于主要包括锗的吸收区107，在红外或近红外光范围中，在诸如1,300或1,550纳米波长或其它波长吸收光束115。注意，吸收区107不是基于具有附带的膜厚度约束的量子势阱活性区，而是基于相对较厚的膜的途径。其它光波长也可用吸收区107来吸收。例如，对本发明的一个实施例，波长范围在1000到1300纳米等的光也可在吸收区107中吸收。
对于一个实施例，包括在倍增区109的掺杂区111和113中的第二类半导体材料包括与吸收区107的折射率相比具有较低折射率的半导体材料。例如，对于本发明的一个实施例，在倍增区109的掺杂区111和113中包括硅(Si)。对于本发明的一个实施例，在倍增区109的掺杂区111和113中使用硅导致倍增区109具有大约为3.5的折射率，这相对于吸收区107中的锗的折射率而言是较低的折射率。
参考图1B所示的横截面图，用通过光波导103传播的虚线示出了光束115的光模的强度分布的横截面图。如可以见到的，对于本发明的一个实施例，光波导103是肋形波导。在该图示中，对于本发明的一个实施例，倍增区109的掺杂区113主要限定在板形区中，而倍增区109的一部分沿光波导103限定在肋形区中。倍增区109的掺杂区111沿光波导103限定在肋形区中。吸收区107限定在沿光波导103靠近倍增区109但与其分离之处。在所示的示例中，吸收区107沿光波导103限定在肋形区中，而薄居间层129安置在吸收区107和倍增区之间。居间层109可包括诸如本征硅等半导体材料，以将吸收区107的锗与倍增区109的掺杂区111分离。在所示的示例中，光波导103被示出为安置在绝缘体衬底硅(SOI)晶片中，且在半导体材料层105和半导体材料层133之间安置了绝缘层131。
如图1B所示，一个或多个触点125和127分别被耦合到倍增区109的掺杂区113和吸收区107。在所示的示例中，触点125被耦合到正电压V+，而触点127被耦合接地。因此，在吸收区107和倍增区109之间产生了低电场。随着对触点125和127加偏压，在吸收区107和倍增区109之间产生的电场低于在倍增区109的掺杂区111和113之间的结处产生的相对较高的电场。在所示的示例中，示出掺杂层135被安置在触点127和吸收区107之间，以提供与吸收区107和触点127之间减少的电阻的改进的电耦合。例如，对于本发明的一个实施例，掺杂区135可包括p掺杂的锗或硅等，以改进吸收区107对触点127以及对地的电耦合。
在工作中，光束115沿光波导103传输，如图1B中的虚线所示的。由于吸收区107具有比倍增区109高的折射率，因此光束115从倍增区109拉向吸收区107，如图1B中的箭头117所示的。光束115然后在吸收区107中吸收，这在吸收区107中产生了从光束115生成的光载流子或电子-空穴对119，如图1B所示的。吸收区107和倍增区109之间的低电场加速了吸收区107中生成的光载流子或电子-空穴对119，使得来自吸收区107中生成的电子-空穴对119的某些电子因此漂移到倍增区109中，后者在掺杂区111和113之间的结处的高得多的电场下。由于掺杂区111和113之间的结处的电场如此高，因此对于从吸收区107漂移到倍增区109的电子发生碰撞电离。
如图1B中所示的，作为来自从吸收区107漂移到掺杂区111和113之间的结处的高电场的电子的碰撞电离123的结果，在掺杂区111和113之间的结处产生或倍增了额外的电子-空穴对119。因此，对于本发明的一个实施例，从光束115在吸收区107中的吸收造成的光电流在倍增区109中倍增或放大。然后在触点125和127处收集光载流子。例如，可在触点127处收集空穴，并在触点125处收集电子。触点125和127可被耦合到电路系统，以处理触点125和127处作为吸收区107中吸收光束115以及倍增区109中倍增光载流子的结果而存在的信号。因此，对于本发明的一个实施例，光束115中编码的光信号在触点125和127处被转换成电信号，这然后可由耦合到触点125和127的电路进行电处理。
如上所述，对本发明的一个实施例，倍增区109包括硅。图2是示出对在倍增区109中使用硅而非诸如磷化铟(InP)等另一材料的雪崩光电检测器101的另一实施例实现的灵敏度的改进的示意图201。具体地，图201示出了对于雪崩光电检测器101的各实施例，在接收器灵敏度dBm与光电倍增增益M之间的关系曲线。具体地，曲线203示出了对基于磷化铟的雪崩光电检测器，接收器灵敏度与光电倍增增益之间的关系，而曲线205示出了对基于硅的雪崩光电检测器，接收器灵敏度与光电倍增增益之间的关系。如可通过比较曲线203和205从图2中观察到的，对于本发明的一个实施例，通过使用基于硅的雪崩光电检测器来代替基于磷化铟的雪崩光电检测器，接收器灵敏度改进了大约4-5dB。这示出对于本发明的一个实施例，在倍增区109中使用硅来代替磷化铟从而需要更少的能量，以准确地检测由雪崩光电检测器接收的光信号中编码的信号。
对本发明的一个实施例，在倍增区109中使用硅如图2所示改进了雪崩光电检测器101的灵敏度，这是由于材料中的电子和空穴的碰撞电离特性。对于本发明的一个实施例，由于在倍增区109中使用硅，基本上仅一种类型的载流子，尤其是电子，就能够实现碰撞电离123。这可用k因子定量地看到，k因子是空穴与电子的碰撞电离系数比。硅具有大约比例如磷化铟低一个数量级的k因子。使用硅的结果是基本上在倍增区109中仅选择性地倍增或扩大了电子而非空穴。由此，对本发明的一个实施例而言，与具有较高k因子的材料相比，降低了雪崩光电检测器101的噪声和不稳定性。示出依赖k因子(k)的过量噪声的公式如下：
FA(M)＝kM+(1-k)(2-(1/M)) (公式1)
其中，F4是过量噪声因子，M是雪崩光电检测器的增益。
对于本发明的一个实施例，由于在倍增区109中生成一种以上类型的载流子而导致逸出的机率基本上被降低，这是因为通过在倍增区109使用硅，基本上仅电子能够实现碰撞电离123。举例说明，对本发明的一个实施例，硅的k因子值小于0.05或大约为0.02-0.05。作为比较，诸如砷化铟镓(InGaAs)等其它材料的k因子值大约为0.5-0.7，而对于锗，k因子值大约为0.7-1.0。由此，对本发明的一个实施例，使用硅的k因子值小于其它材料。因此，对本发明的一个实施例，在倍增区109中使用硅可得到与使用诸如砷化铟镓或锗等其它材料的雪崩光电检测器相比改进的灵敏度。
本发明所示的实施例的以上描述，包括摘要中所描述的内容，不旨在穷举或作为对所公开的精确形式的限制。尽管此处为说明性目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员可以认识到，各种等效改进和修改是可能的。实际上，可以理解，为解释的目的提供了具体的波长、维度、材料、次数、电压、能量范围值等，且在依照本发明的教导的其它实施例中也可采用其它值。
鉴于以上详细描述，可对本发明的实施例作出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书和权利要求书中所公开的具体实施例。相反，范围是完全由所附权利要求书来确定的，权利要求书应依照权利要求书的解释所建立的原则来解释。
Claims (22)
1.一种装置，包括：
沿光波导限定的吸收区，所述吸收区包括具有第一折射率的第一类半导体材料；以及
沿所述光波导限定的、靠近所述吸收区但与其分离的倍增区，所述倍增区包括具有第二折射率的第二类半导体材料，所述第一折射率大于所述第二折射率，使得通过所述光波导传输的光束从所述倍增区拉向所述吸收区，并在所述吸收区中吸收，以从所述光束产生电子-空穴对，所述倍增区包括沿所述光波导限定的第一和第二掺杂区，所述第一和第二掺杂区具有相反的极性，以产生电场来倍增在所述吸收区中产生的电子。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一类半导体材料实质上包括锗。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一折射率大约等于4。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸收区中吸收的光束包括波长大约为1300或1550纳米的光。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二类半导体材料实质上包括硅。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二折射率大约等于3.5。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二类半导体材料具有小于约0.05的k因子值，使得所述吸收区中产生的电子而非所述吸收区中产生的空穴在所述倍增区中选择性地倍增。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二掺杂区包括硅的p掺杂区和n掺杂区。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束包括红外或近红外光。
10.一种方法，包括：
将光束传输到安置在半导体材料中的光波导；
在沿所述光波导限定的吸收区中吸收所述光束，以从所述光束产生电子-空穴对，所述吸收区包括具有第一折射率的第一类半导体材料；以及
选择性地倍增所述吸收区中产生的、漂移到沿所述光波导限定的倍增区中的电子，所述倍增区包括具有第二折射率的第二类半导体材料，所述第一折射率大于所述第二折射率。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括响应于所述第一折射率大于所述第二折射率，将所述光束的模从所述倍增区拉向所述吸收区。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括响应于所述倍增区中的高电场，加速所述吸收区中产生的、漂移到所述倍增区中的电子。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，倍增所述吸收区中产生的、漂移到所述倍增区中的电子是响应于所述倍增区中的碰撞电离进行的。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对倍增所述倍增区的电子的选择是响应于具有小于约0.05的k因子值的第二类硅而进行的。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光束包括红外或近红外光。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一类半导体材料实质上包括锗，所述第二类半导体材料实质上包括硅。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一折射率大约等于4，所述第二折射率大约等于3.5。
18.一种系统，包括：
生成具有红外或近红外波长的光束的光源；
光学上被耦合以接收来自所述光源的光束的光纤；以及
光学上被耦合以接收来自所述光纤的光束的光接收器；所述光接收器包括：
沿半导体材料中的光波导限定的吸收区，所述吸收区包括具有第一折射率的第一类半导体材料；以及
沿所述光波导限定的倍增区，所述倍增区靠近所述吸收区但与其分离，所述倍增区包括具有第二折射率的第二类半导体材料，所述第一折射率大于所述第二折射率，使得所述光学接收器接收的光束通过所述光波导传输，并从所述倍增区拉向所述吸收区且在所述吸收区中吸收，以从所述光束产生电子-空穴对，所述倍增区包括沿所述光波导限定的第一和第二掺杂区，所述第一和第二掺杂区具有相反的极性，以产生电场来倍增所述吸收区中产生的电子。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述第一类半导体材料实质上包括锗，所述第二类半导体材料实质上包括硅。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括光束，所述光束包括波长约为1300或1550纳米的光。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述光学接收器还包括沿所述半导体材料中的光波导限定的滤光片。
22.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述光学接收器还包括沿所述半导体材料中的光波导限定的光衰减器。
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