DE10044521A1 - Opto-elektronisch integrierter Photoempfänger - Google Patents

Opto-elektronisch integrierter Photoempfänger

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung für einen opto-elektronisch integrierten Photoempfänger vorzuschlagen, der im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Leistungsmerkmale in bezug auf das High-Power-Verhalten zeigt, ohne die anderen wichtigen Empfängerparameter zu benachteiligen. Weiterhin soll die optische Kopplung zur Glasfaser einen unkritischen Justagebereich aufweisen, um eine kostengünstigste Modulmontage zu ermöglichen. Zudem soll sich die Herstellung der Anordnung in bereits bekannte technologische OEIC-Prozesse einpassen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Photoempfänger gelöst, bei dem eine wellenleiter-integrierte Photodiode (PD), ein dieser Photodiode (PD) zu einer Standard-Faser vorgeschalteter Spotsize-Konverter (SK) und ein elektrischer Wanderwellenverstärker (TWA) auf einem Chip monolithisch integriert sind, wobei der Spotsize-Konverter (SK) photodiodenseitig aus einem kurzen geraden Teil des Photodioden-Wellenleiters (WL) und faserseitig aus einem in Richtung Faser sich verjüngenden Teil des Photodioden-Wellenleiters (WL) und aus einem sich auf das gesamte Integrationsgebiet erstreckenden unter dem Photodioden-Wellenleiter (WL) angeordneten semi-isolierenden optisch wellenleitungsfähigen Schichtenpaket gebildet ist und zusätzliche Ätzstoppschichten (ÄS) auf dem Photodioden-Wellenleiter (WL) und auf der Photodiode (PD) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen opto-elektronisch integrierten Photoempfänger.
Dem Stand der Technik nach sind Lösungen bekannt, die zum einen eine Integration von Photodiode und Taper (optischer Feldtransformator) und zum anderen eine Integration von Photodiode und Verstärker beschreiben.
So ist in IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 2, NO. 2, JUNE 1996, pp. 418-423, die integrierte Anordnung eines Photoempfänger-OEIC beschrieben, der eine pin- Photodiode und einen koplanaren Wanderwellenverstärker, bestehend aus vier GaInAs-AIInAs-InP-HEMT's (high electron mobiltity transistor), enthält. Auch in Electronic Letters, Vol. 35, No. 19 (1999), pp. 1639-1640 ist ein vergleichbarer Breitband-Photoempfänger in monolithischer Form als Integration von seitlich beleuchteten Multimode-Wellenleiter-Photodioden mit Wanderwellenverstärkern dargestellt. Obwohl die Parameter dieses Photodiodentyps bezüglich Breitbandigkeit (50 bis 110 GHz) und hoher Responsivität (Ansprechempfindlichkeit) (0,9 A/W) bereits gut sind, zeigt dieser Photodiodentyp ein zu geringes High-Power-Verhalten, was sich in der Abgabe begrenzt hoher Photoströme im Bereich einiger mA bis eine Pulsverbreiterung bei 25 ps (z. B. bei 40 Gbit/s-RZ-Signalen) beobachtet wird, äußert. Dieses nachteilige Verhalten ist auf das kompakte Absorptionsvolumen einer solchen Multimode-Wellenleiter-Photodiode zurückzuführen, in der Raumladungseffekte begrenzend wirken (z. B. beschrieben in IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 6 (1994), pp. 719-721). Auch erfordert dieser Photodiodentyp trotz des Feldmoden-aufweitenden Multimodedesigns immer noch eine abbildende Optik zwischen der reinen Stirnflächenfaser und der hochpräzise zu spaltenden Chipfläche (modifizierter Fasertaper). Beide Aspekte gehen deutlich nachteilig in die Herstellungskostenbilanz ein.
Wellenleiter-integrierte Photodioden mit hoher Pulsstromabgabe (< 20 mA), wie sie beispielsweise in Proc. 24th Europ. Conf. on Optical Communication (ECOC 98); Madrid; Spain, Sept. 20-24,1998, ISBN 84-89900-15-9, Vol. 1, pp. 67-68 beschrieben sind, weisen eine zu geringe Responsität im Verbund mit der Faser-Chip-Kopplung auf, da beim Ankoppeln der Einmodenfaser etwa 3 dB unnötige Verluste durch optische Modenfehlanpassung zu verzeichnen waren. In Technical Digest, OFC'2000, Mar 7-10, 2000, Baltimore, Maryland, paper FG2, pp. 117-119 wird eine Lösung beschrieben, bei der ein Spotsize-Konverter (Taper) mit einer wellenleiter-integrierten Photodiode integriert ist und nunmehr eine Responsivität dieser Anordnung von 0,7 A/W erreicht wurde.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung für einen opto-elektronisch integrierten Photoempfänger vorzuschlagen, der im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Leistungsmerkmale in bezug auf das High-Power- Verhalten zeigt, ohne die anderen wichtigen Empfängerparameter, wie opto- elektrischen Konversionswirkungsgrad (conversion gain), Verstärkerbreitbandigkeit bei kleiner Welligkeit der Übertragungsfunktion (gain flatness) sowie beste Empfangsempfindlichkeit, zu benachteiligen. Weiterhin soll die optische Kopplung zur Glasfaser einen maximal weiten (unkritischen) Justagebereich mehrerer Mikrometer aufweisen, um eine kostengünstigste Modulmontage zu ermöglichen. Zudem soll sich die Herstellung der Anordnung in bereits bekannte technologische OEIC-Prozesse einpassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen opto-elektronisch integrierten Photoempfänger gelöst, bei dem eine wellenleiter-integrierte Photodiode, ein dieser Photodiode zu einer Standard-Faser vorgeschalteter Spotsize-Konverter und ein elektrischer Wanderwellenverstärker (distributed amplifier, traveling wave amplifier) auf einem Chip monolithisch integriert sind, wobei der Spotsize-Konverter photodiodenseitig aus einem kurzen geraden Teil des Photodioden-Wellenleiters und faserseitig aus einem in Richtung Faser sich verjüngenden Teil des Photodioden-Wellenleiters und aus einem sich auf das gesamte Integrationsgebiet erstreckenden unter dem Photodioden-Wellenleiter angeordneten semi-isolierenden optisch wellenleitungsfähigen Schichtenpaket gebildet ist und zusätzliche Ätzstoppschichten auf dem Photodioden-Wellenleiter und auf der Photodiode angeordnet sind.
In Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das semi-isolierende Schichtenpaket aus mehreren nacheinander angeordneten Schichtpaaren, aufweisend eine GaInAsP:Fe-Leitschicht und eine InP:Fe-Zwischenschicht, besteht und auf einem InP:Fe-Substrat angeordnet ist. Die Eisen(Fe)- Dotierung ist so sorgsam einzustellen, dass das gesamte Wellenleiterpaket inklusive des Spot-Size-Konverters in der Qualität zu einem quasi­ nichtleitenden InP-Substrat:Fe vergleichbar semi-isolierend wird, um störende substratseitige Streukapazitäten der Empfänger- und Verstärkerschaltung, die bandbreitenbegrenzend wirken würden, auszuschließen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Ätzstoppschicht vorzugsweise eine InP- Schicht ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht durch komplette Integration einer wellenleiter-integrierten Photodiode, der ein Spotsize-Konverter (Taper, optischer Feldtransformator) zur Standard-Einmodenfaser vorgeschaltet ist, und eines elektrischen Wanderwellenverstärkers (TWA, distributed amplifier), der das optische Empfangssignal nach der optoelektrischen Konversion breitbandig elektrisch nachverstärkt, durch die bessere optische Modenanpassung des Chip-Wellenleiters der Photodiode zur Glasfaser sowohl eine verbesserte Konversionsverstärkung und Responsivität als auch eine verbesserte Empfangsempfindlichkeit insgesamt des Breitband- Empfänger-OEIC's.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht nun auch, eine kostengünstig zu montierende Stirnflächenfaser ohne zusätzliche Abbildungsoptiken direkt vor der getaperten Wellenleiter-Chipfacette anzuordnen.
Durch das Einfügen von Ätzstoppschichten wird eine Prozesskompatibilität mit dem Herstellungsprozess des Wanderwellenverstärkers erreicht und gewährleistet, dass beim Integrationsprozess für ein erfolgreiches Überwachsen mittels MBE (Molekularstrahlepitaxie) mittels eines nasschemischen Verfahrens die HEMT-Schichten des Wanderwellenverstärkers, z. B. im Bereich der Photodiode, und der zusätzlich für die Ausbildung des Tapers eingefügte Wellenleiter freigelegt werden. Diese Ätzstoppschicht ist beispielsweise eine 50 nm dicke InP-Schicht, die den Herstellungsprozess des Tapers nicht beeinträchtigt.
Da die elektrische Leitfähigkeit des Wellenleiters und des zusätzlichen Schichtenpakets die elektrische Feldverteilung der (elektrischen) Koplanar- Wellenleiter, die das Hochfrequenzsignal innerhalb des Verstärkers und zu dessen Ausgang "transportieren" (Wanderwellen), beeinflusst, wird eine frequenzabhängige Dämpfung des Hochfrequenzsignals hervorgerufen, die gegen die Verstärkung des Wanderwellenverstärkers wirkt. Die erfindungsgemäße Ausbildung eines semi-isolierenden Schichtenpakets und semi-isolierender Wellenleiter für den Spotsize-Konverter verhindert eine derartige Wirkung. Die Schichten besitzen nun keine oder nur eine vernachlässigbar geringe elektrische Leitfähigkeit und beeinflussen somit nicht mehr das Hochfrequenzübertragungsverhalten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden Ausführungsbeispiel, das anhand einer Figur näher erläutert wird.
Die Figur zeigt schematisch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen opto-elektronisch integrierten Photoempfängers.
Auf einem semi-isolierenden InP:Fe-Substrat S einer Dicke von ca. 500 µm ist eine semi-isolierende Schichtenfolge aus drei Paaren GaInAsP:Fe- Leitschichten LS und InP:Fe-Zwischenschichten ZS mit einer Dicke von ca. 1,9 µm angeordnet, die gemeinsam mit der darauf angeordneten GaInAsP:Fe-Wellenleiterschicht WL einen Spotsize-Konverter SK bilden. Die Wellenleiterschicht WL weist eine Rampe R auf, die beispielsweise mittels Verschiebemaskentechnik hergestellt wurde. Neben dem Spotsize-Konverter SK ist auch eine wellenleiter-integrierte Photodiode PD und ein Wanderwellenverstärker TWA auf HEMT-Basis mit Koplanar-Wellenleiter kWL auf einem Chip integriert. Auf dem Spotsize-Konverter SK und auf der Photodiode PD sind Ätzstoppschichten ÄS angeordnet.
Der Herstellungsprozess des Wanderwellenverstärkers wird im Anschluss an die Vorstrukturierungs- und Überwachstumsprozesse unter Ausnutzung der speziellen Ätzstoppschichten mit bekannten Prozessschritten durchgeführt, wie beispielsweise in IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 2, NO. 2, JUNE 1996, pp. 418-423 beschrieben.
Ein erfindungsgemäß realisierter InP-basierter pinTWA-Photoempfänger, aufweisend vier HEMT's, mit integriertem Spotsize-Konverter zeigt eine flache Transimpedanzkurve, wobei nur Abweichungen von ±0,7 dB beobachtet wurden, eine Bandbreite von 47 GHz und einen optoelektrischen Konversionswirkungsgrad von < 55 V/W (bzw. < 1,1 A/W). Durch Optimierung der Rampe des Spotsize-Konverters kann erfahrungsgemäß die Responsivität der integrierten Photodiode auf 0,7 bis 0,8 A/W erhöht werden und damit die Responsivität des Gesamt-Empfänger-OEICs auf < 1,5 A/W.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine unabhängige Optimierung jeder der drei Teilkomponenten und profitiert nun vom guten High-Power- Verhalten einer wellenleiter-integrierten Photodiode.

Claims (3)

1. Opto-elektronisch integrierter Photoempfänger, bei dem eine wellenleiter-integrierte Photodiode (PD), ein dieser Photodiode (PD) zu einer Standard-Faser vorgeschalteter Spotsize-Konverter (SK) und ein elektrischer Wanderwellenverstärker (TWA) auf einem Chip monolithisch integriert sind, wobei der Spotsize-Konverter (SK) photodiodenseitig aus einem kurzen geraden Teil des Photodioden-Wellenleiters (WL) und faserseitig aus einem in Richtung Faser sich verjüngenden Teil des Photodioden-Wellenleiters (WL) und aus einem sich auf das gesamte Integrationsgebiet erstreckenden unter dem Photodioden-Wellenleiter (WL) angeordneten semi-isolierenden optisch wellenleitungsfähigen Schichtenpaket gebildet ist und zusätzliche Ätzstoppschichten (ÄS) auf dem Photodioden-Wellenleiter (WL) und auf der Photodiode (PD) angeordnet sind.
2. Opto-elektronisch integrierter Photoempfänger nach Anspruch 1, bei dem das semi-isolierende Schichtenpaket aus mehreren nacheinander angeordneten Schichtpaaren, aufweisend eine GaInAsP:Fe-Leitschicht (LS) und eine InP:Fe-Zwischenschicht (ZS), besteht und auf einem InP:Fe- Substrat (S) angeordnet ist.
3. Opto-elektronisch integrierter Photoempfänger nach Anspruch 1, bei dem die Ätzstoppschicht (ÄS) eine InP-Schicht ist.
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