CN216793688U - 光探测结构以及光电集成芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光探测结构及光电集成芯片，其旨在通过将至少两个光电探测器并联连接在一起，以及在所述至少两个光电探测器的光接收端口的前段增加一光路调节装置，实现控制至少两个光电探测器的一个或者多个输出光信号，不仅增加了该光路中的光电探测器的可选择性，同时还避免了该光路中的光电探测器由于易受本身的制作工艺中外延的良率影响最终PIC的使用率的问题，从而能够提高该光探测结构的使用率以及器件的整体性能。

Description

光探测结构以及光电集成芯片

技术领域

本实用新型涉及光通信领域，尤其涉及光探测结构以及光电集成芯片。

背景技术

高性能的光电探测器(Photo Detector，PD)是高速光通讯的核心器件之一，波导式光接收器件对于高度集成化有很大的优势，由于需要长时间的使用，其可靠性问题给PD带来了更大的挑战，譬如工艺的稳定性和器件的再现性等。由于光接收端光探测的不稳定性将带来PIC(Photo integrated Circuit，光子集成电路芯片)低良率以及可靠性的问题。

因此，如何提高光接收端光探测结构的稳定性以及使用率，是业界亟待解决的一个问题。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种光探测结构及光电集成芯片，以解决现有技术中的光探测结构的稳定性以及使用率较低的问题。

本实用新型的目的采用以下技术方案实现：

本实用新型提供一种光探测结构，包括：光路调节装置、至少两个光电探测器；所述光路调节装置包括第一光端口、至少两个第二光端口，所述至少两个第二光端口与所述至少两个光电探测器一一对应连接，所述第一光端口用于接收输入的光信号，所述至少两个第二光端口用于分别向对应的所述光电探测器输出光信号；其中，所述至少两个光电探测器并联连接，并且所述光路调节装置控制所述至少两个第二光端口的光传输，以向所述至少两个光电探测器中的一个或多个输出光信号。

可选地，每个所述光电探测器包括衬底、设于所述衬底上的波导层以及设于所述波导层上的光吸收层，所述波导层包括硅基部分以及设置在所述硅基部分内的第一掺杂体和第二掺杂体，所述第一掺杂体和所述第二掺杂体的掺杂类型不同，所述第一掺杂体和所述第二掺杂体相邻设置；相邻两个所述光电探测器共用同一所述第一掺杂体；或者，相邻两个所述光电探测器共用同一所述第二掺杂体。

可选地，所述第一掺杂体是N型掺杂体，所述第二掺杂体是P型掺杂体；或者，所述第一掺杂体是P型掺杂体，所述第二掺杂体是N型掺杂体。

可选地，所述至少两个光电探测器共用同一衬底和/或波导层的硅基部分。

可选地，所述光吸收层的一侧边缘设置有光接收部，所述光接收部用于与外部的光导体进行光耦合对位以接收对应的第二光端口传输的光波。

可选地，所述波导层凸设于所述光吸收层的一部分作为所述光接收部，所述光接收部与所述第一掺杂体和所述第二掺杂体位于同一膜层。

可选地，所述光吸收层的材料为锗层、锗硅或者III-V材料中的任意一种。

可选地，每个所述光电探测器还包括第一金属接触和第二金属接触，所述第一金属接触与所述第一掺杂体电连接，所述第二金属接触与所述第二掺杂体电连接。

可选地，所述光路调节装置是光路切换器，以将所述第一光端口中的光信号导入所述至少两个第二光端口中的其中一个光端口。

可选地，所述光路调节装置是分光器，以将所述第一光端口中的光信号按比例导入所述至少两个第二光端口。

另一方面，本实用新型实施例还提供了一种采用如本申请任意一实施例所述光电集成芯片。

本实用新型实施例提供了光探测结构及光电集成芯片，其旨在通过将至少两个光电探测器并联连接在一起，以及在所述至少两个光电探测器的光接收端口的前段增加一光路调节装置，实现控制至少两个光电探测器的一个或者多个输出光信号，不仅增加了该光路中的光电探测器的可被选择性，同时还避免了该光路中的光电探测器由于易受本身的制作工艺中外延的良率影响最终PIC的使用率的问题，从而能够提高该光探测结构的使用率以及器件的整体性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例提供的一种光探测结构的平面结构示意图；

图2是图1沿A-A’的剖面结构示意图；

图3-图4是本实用新型又一种光探测结构的平面结构示意图；

图5是本实用新型又一实施例提供的一种光探测结构的平面结构示意图；

图6是本实用新型又一实施例提供的一种光探测结构的平面结构示意图。

具体实施方式

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

实施例一

图1是本实用新型一实施例提供的一种光探测结构的平面结构示意图，图2是图1沿A-A’的剖面结构示意图。

参阅图1至图2，本实用新型一实施例提供了一种光探测结构1000，其包括光路调节装置600、至少两个光电探测器300。所述光路调节装置600包括第一光端口601、至少两个第二光端口602，所述至少两个第二光端口602与所述至少两个光电探测器300一一对应连接，所述第一光端口601用于接收输入的光信号，所述至少两个第二光端口602用于分别向对应的所述光电探测器300输出光信号；其中，所述至少两个光电探测器300并联连接，并且所述光路调节装置600控制所述至少两个第二光端口602的光传输，以向所述至少两个光电探测器300中的一个或多个输出光信号。

本实用新型实施例提供的一种光探测结构1000，将至少两个光电探测器300并联连接在一起，以及在所述至少两个光电探测器300的光接收端口的前段增加一光路调节装置600，一方面，可以控制至少两个光电探测器300同时工作，使得最终输出的光电流为所述至少两个光电探测器300的光电流之和；另一方面，在其中的一个光电探测器300发生故障或者稳定性不佳的情况下，能够人为的通过控制所述光路调节装置600的第二光端口602的光传输，以向剩余可被使用的光电探测器300中的一个或多个输出光信号。本实用新型提供的一种光探测结构1000不仅增加了该光路中的光电探测器300的可选择性，同时还避免了该光路中的光电探测器300由于易受本身的制作工艺中外延的良率影响最终PIC的使用率的问题，从而能够提高该光探测结构1000的使用率以及器件的整体性能。

在本实施例中，所示光路调节装置600是光路切换器，以将所述第一光端口601中的光信号导入所述至少两个第二光端口602中的其中一个光端口。

具体地，每个所述光电探测器300包括衬底100、设于所述衬底100上的波导层200以及设于所述波导层200上的光吸收层400，所述波导层200包括硅基部分201以及设置在所述硅基部分201内的第一掺杂体210和第二掺杂体220，所述第一掺杂体210和所述第二掺杂体220的掺杂类型不同，所述第一掺杂体210和所述第二掺杂体220相邻设置；示例性地，所述衬底100为硅衬底，例如硅wafer。

所述第一掺杂体210为P型掺杂体，所述第二掺杂体210为N型掺杂体，也可以是，所述第一掺杂体210为N型掺杂体，所述第二掺杂体210为P型掺杂体。本实用新型实施例在此不做限制，只要所述第一掺杂体210和所述第二掺杂体210的掺杂类型不同即可。

示例性地，如图1所示，相邻两个所述光电探测器300共用同一所述第二掺杂体220，或者，在其它实施例中，相邻两个所述光电探测器300共用同一所述第一掺杂体210。以上均在本实用新型的实施范围内。应理解，所述第一掺杂体210和所述第二掺杂体220相邻设置，所述第一掺杂体210和所述第二掺杂体220位于波导层200的两侧，光吸收层40设置于第一掺杂体210、第二掺杂体220以及波导层200背离衬底100的一侧表面之上，并且，在垂直于波导层200所在的平面方向上，光吸收层层400的投影与第一掺杂体210、第二掺杂体220的投影部分交叠。

在本实施例提供的光电探测器(PD)中，由于P型掺杂体和N型掺杂体之间形成的侧向电场用于提取光吸收层400内部的光电流，所以必须严格控制P型掺杂体和N型掺杂体的掺杂浓度以及控制光吸收层400与P型掺杂体、N型掺杂体之间的交叠面积，以确保P型掺杂体与N型掺杂体之间形成的强电场效应能够尽可能多的用于提取光吸收层400内部的光电流，以提高光电探测器的输出效率。因此，在此情形下，光吸收层400的宽度需要被严格控制在数百纳米以上。也即，光吸收层400的外延生长容易影响光电探测器的输出效率。

为了降低器件的暗电流，通常除了光吸收层400的外延生长以及保证光探测结构1000的制造工艺的准确性以外，材料的能隙(bandgap)一直是主导暗电流的主因，因此，将上述光吸收层400与波导层200中的硅基部分201直接接触，即将光吸收层400与硅接触(Si-contact)，利用硅的能隙比锗的能隙要高的缘故，以降低器件的暗电流，并增加器件的响应度。

光吸收层400的材料为锗层、锗硅或者III-V材料中的任意一种。

基于所述两个光电探测器300并联连接，故可将上述至少两个光电探测器共用同一衬底100和/或波导层200的硅基部分，也即在同一衬底100上分别制作对应每个光电探测器300的波导层200、以及设于波导层200之上的光吸收层400，并且上述至少两个光电探测器300可以共用同一膜层制作工艺，能够节省制造工艺，降低制造成本，并有利于光探测结构的集成。

应理解，本实施例中示意了在同一衬底100上方形成两个并联连接的光电探测器300，在实际使用中，可以是多于两个的所述光电探测器300并联连接，例如3个、4个或者更多，可以根据实际需要灵活选择。

进一步地，在所述光吸收层400的一侧边缘设置有光接收部301，所述光接收部301用于与外部的光导体进行光耦合对位以接收对应的第二光端口602传输的光波。例如，所述光接收部301具有一个模板转换器，以方便光波信号的导入。

可将所述波导层200凸设于所述光吸收层400的一部分作为光接收部301，用于光耦合对位，以优化耦合效率。此外，采用将所述波导层200凸设于所述光吸收层400的一部分作为光接收部301，所述光接收部301与所述第一掺杂体210和所述第二掺杂体220位于同一膜层，也能够节省制造工艺，降低制造成本。

如图2所示，所述光探测结构1000还包括第一金属接触51以及第二金属接触52。所述第一金属接触51与所述第一掺杂体210电连接，所述第二金属接触52与所述第二掺杂体220电连接，所述第一金属接触51以及所述第二金属接触52用于收集由所述光吸收层400的光吸收产生的电子以导出产生的光电流。上述第一金属接触51设置在第一掺杂体210之上，上述第二金属接触52设置在第二掺杂体220之上，由于所述第一掺杂体210和所述第二主电极221分别为重掺杂的P区和N区，因此，上述第一金属接触51可与所述第一掺杂体210之间形成较佳的欧姆接触，上述第二金属接触52可与所述第二掺杂体220之间形成较佳的欧姆接触，以应用所需要的偏置并且注入和提取所产生的电流，并能够克服硅层的存在对器件的电气特性的不利影响。

图3-图4是本实用新型又一种光探测结构的平面结构示意图。

如图3和图4所示，本实用新型又一种光探测结构1000，其包括光路调节装置600、至少两个光电探测器300，在图3中，利用光路调节装置600可以将光传输通道切换至PD1(300)导通；或者，在图4中，利用光路调节装置600可以将光传输通道切换至PD2(300)导通。PD1(300)上或者PD2(300)上的第一金属接触51和第二金属接触52可以分别通过电连接引线引出至各自的焊盘(Pad)端，然后通过打线工艺或者其它电连接工艺将电信号引出。

应理解，本实施例中示意了利用光路调节装置600将光传输通道切换至PD1(300)导通或者将光传输通道切换至PD2(300)导通，在实际使用中，可以根据光电探测器300的数量进行任意的切换，在此不再赘述。

实施例二

图5是本实用新型又一实施例提供的一种光探测结构的平面结构示意图。

如图5所示，本实用新型又一实施例提供了一种光探测结构2000，其包括光路调节装置600、至少两个光电探测器300，其中，所述光路调节装置600包括两个第一光端口601、至少两个第二光端口602，与实施例一不同的是，在本实施例中，两个第一光端口601分别将外部的光信号导入所述至少两个第二光端口602中的其中一个光端口。示例性地，第一个第一光端口601按照图示的黑色箭头方向将光信号导入与PD1(300)对应的第二光端口602中，第二个第一光端口601按照图示的黑色箭头方向将光信号导入与PD3(300)对应的第二光端口602中。位于PD1(300)与PD3(300)之间的PD2(300)可作为一个备用的光电探测器300，当存在其中一个通道内的光电探测器300发生故障或者稳定性不佳的情况下，例如，若经由第一个第一光端口601导入的光信号在PD1(300)中无法正常工作时，则可以利用所示光路调节装置600将第一个第一光端口601中的光信号导入至备用的光电探测器PD2(300)中，从而仍能够继续正常工作。同样地，若经由第二个第一光端口601导入的光信号在PD3(300)中无法正常工作时，则可以利用所示光路调节装置600将第二个第一光端口601中的光信号导入至备用的光电探测器PD2(300)中，从而仍能够继续正常工作。

应理解，在实际应用中，也可以是制作两个以上备用的光电探测器300。

通过上述光探测结构的设置方式，在存在其中一个通道内的光电探测器300发生故障或者稳定性不佳的情况下，能够人为的通过控制所述光路调节装置600的第二光端口602的光传输，以切换至另一个备用通道(光传输通道)内的光电探测器300上，从而能够提高该光探测结构1000的使用率以及器件的整体性能。

实施例三

图6是本实用新型又一实施例提供的一种光探测结构的平面结构示意图。

如图6所示，本实用新型又一实施例提供了一种光探测结构2000，其包括光路调节装置700、至少两个光电探测器800，与实施例一不同的是，在本实施例中，所述光路调节装置700是分光器，以将所述第一光端口中的光信号按比例导入所述至少两个第二光端口。所述光电探测器800是监控用光电探测器(monitor PD，MPD)，其通常在发射端(TX)使用，以将监控到的光信号转换成电信号反馈至光芯片(光子集成电路芯片，PIC)中。

示例性地，该光路调节装置(例如，多模干涉分光器)700包括一个第一光端口701和两个第二光端口702，两个第二光端口702分别与对应的两个监控用光电探测器800一一对应连接，其中，例如可将该多模干涉分光器700的两个第二光端口702的分光比例设置为：50％/50％，例如，可以选择两个监控用光电探测器800的光传输通道同时导通，使该两个监控用光电探测器800同时进行侦测工作；或者，可以选择其中一个监控用光电探测器800的光传输通道导通，使该该两个监控用光电探测器800择一进行侦测工作；以提升PIC的使用率。

本实用新型另一实施例提供了一种光电集成芯片，其包括前述实施例所述的光探测结构。

本实用新型实施例提供了光探测结构及光电集成芯片，旨在通过将至少两个光电探测器并联连接在一起，以及在所述至少两个光电探测器的光接收端口的前段增加一光路调节装置，实现控制至少两个光电探测器的一个或者多个输出光信号，不仅增加了该光路中的光电探测器的可选择性，同时还避免了该光路中的光电探测器由于易受本身的制作工艺中外延的良率影响最终PIC的使用率的问题，从而能够提高该光探测结构的使用率以及器件的整体性能。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例所提供的一种光探测结构及光电集成芯片进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种光探测结构，其特征在于，包括：光路调节装置、至少两个光电探测器；

所述光路调节装置包括第一光端口、至少两个第二光端口，所述至少两个第二光端口与所述至少两个光电探测器一一对应连接，所述第一光端口用于接收输入的光信号，所述至少两个第二光端口用于分别向对应的所述光电探测器输出光信号；

其中，所述至少两个光电探测器并联连接，并且所述光路调节装置控制所述至少两个第二光端口的光传输，以向所述至少两个光电探测器中的一个或多个输出光信号。

2.如权利要求1所述的光探测结构，其特征在于，

每个所述光电探测器包括衬底、设于所述衬底上的波导层以及设于所述波导层上的光吸收层，所述波导层包括硅基部分以及设置在所述硅基部分内的第一掺杂体和第二掺杂体，所述第一掺杂体和所述第二掺杂体的掺杂类型不同，所述第一掺杂体和所述第二掺杂体相邻设置；

相邻两个所述光电探测器共用同一所述第一掺杂体；或者，

相邻两个所述光电探测器共用同一所述第二掺杂体。

3.如权利要求2所述的光探测结构，其特征在于，

所述第一掺杂体是N型掺杂体，所述第二掺杂体是P型掺杂体；或者，

所述第一掺杂体是P型掺杂体，所述第二掺杂体是N型掺杂体。

4.如权利要求2所述的光探测结构，其特征在于，

所述至少两个光电探测器共用同一衬底和/或波导层的硅基部分。

5.如权利要求2所述的光探测结构，其特征在于，

所述光吸收层的一侧边缘设置有光接收部，所述光接收部用于与外部的光导体进行光耦合对位以接收对应的第二光端口传输的光波。

6.如权利要求5所述的光探测结构，其特征在于，

所述波导层凸设于所述光吸收层的一部分作为所述光接收部，所述光接收部与所述第一掺杂体和所述第二掺杂体位于同一膜层。

7.如权利要求2所述的光探测结构，其特征在于，

所述光吸收层的材料为锗层、锗硅或者III-V材料中的任意一种。

8.如权利要求3所述的光探测结构，其特征在于，

每个所述光电探测器还包括第一金属接触和第二金属接触，所述第一金属接触与所述第一掺杂体电连接，所述第二金属接触与所述第二掺杂体电连接。

9.如权利要求1所述的光探测结构，其特征在于，

所述光路调节装置是光路切换器，以将所述第一光端口中的光信号导入所述至少两个第二光端口中的其中一个光端口。

10.如权利要求1所述的光探测结构，其特征在于，

所述光路调节装置是分光器，以将所述第一光端口中的光信号按比例导入所述至少两个第二光端口。

11.一种光电集成芯片，其特征在于，所述光电集成芯片包括如权利要求1-10中任一项所述的光探测结构。

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