KR102262796B1 - 순차적인 비대칭-폭 도파관들을 가진 광검출기 - Google Patents

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Abstract

비대칭-폭 도파관들을 가진 광학 구조체들의 다양한 구성들이 설명된다. 광검출기는 수동 도파관을 통해 연결될 수 있는 상이한 폭들을 가진 병렬 도파관들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 광 흡수 구역은 병렬 도파관들 중 하나 이상을 통해 전파되는 광을 흡수하기 위해 도파관들에 근접할 수 있다. 비대칭 폭 도파관들을 가진 다수의 광검출기는 편광 다이버시티 광학 수신기에서 상이한 모드들로 광을 변환하도록 동작할 수 있다.

Description

순차적인 비대칭-폭 도파관들을 가진 광검출기{PHOTODETECTOR WITH SEQUENTIAL ASYMMETRIC-WIDTH WAVEGUIDES}
본 개시내용은 일반적으로 광학 디바이스들, 및 보다 구체적으로 도파관들을 포함하는 광학 디바이스들에 관한 것이다.
일부 광학 디바이스들은 편광 종속 효과들, 이를테면 편광 종속 손실(PDL) 또는 이득으로 인해 신호 왜곡을 나타낸다. 일부 종래의 접근법들은 상이한 편광 상태에 대해 디바이스 내에의 별개의 광학 컴포넌트들 및 광학 경로들을 활용함으로써 PDL을 완화시키도록 시도한다. 그러나, 그런 해결책들은 디바이스의 대역폭 성능들에 불리하게 영향을 주고 디바이스 크기를 증가시킨다.
다음 설명은 본 개시내용의 실시예들의 구현들의 예로써 주어진 예시들을 가진 도면들의 논의를 포함한다. 도면들은 제한이 아닌 예로써 이해되어야 한다. 본원에 사용된 바와 같이, 하나 이상의 "실시예"에 대한 참조들은 본 발명의 적어도 하나의 구현에 포함된 특정 피처(feature), 구조 또는 특징을 설명하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본원에 나타나는 "일 실시예에서" 또는 "대체 실시예에서" 같은 어구들은 본 발명의 다양한 실시예들 및 구현들을 설명하고, 반드시 모두 동일한 실시예를 참조하지 않는다. 그러나, 이들 어구들은 또한 반드시 상호 배타적이지 않다. 임의의 특정 엘리먼트 또는 동작의 논의를 쉽게 식별하기 위해, 참조 번호의 최상위 숫자 또는 숫자들은, 그 엘리먼트 또는 동작이 처음 도입된 도면("FIG.") 번호를 지칭한다.
도 1은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 순차적인 도파관들을 가진 광검출기를 도시한다.
도 2는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 광검출기의 단면도를 도시한다.
도 3은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 병렬 구성의 광학 수신기를 도시한다.
도 4는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 공동-전파 광검출기를 도시한다.
도 5는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 광학 엘리먼트 순서들을 가진 광검출기들을 가진 예시적인 광학 수신기를 도시한다.
도 6은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 그룹 구성의 예시적인 광학 수신기를 도시한다.
도 7은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 탠덤 구성의 예시적인 고속 광학 수신기를 도시한다.
도 8은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 광검출기들을 전기적으로 연결하기 위한 예시적인 전기 아키텍처를 도시한다.
도 9는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 폭들의 순차적인 도파관들을 사용하여 광을 변환하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 하나 이상의 광학 디바이스를 포함하는 시스템의 예시이다.
아래에 설명된 실시예들의 일부 또는 모두를 묘사할 수 있는 도면들의 설명뿐 아니라, 본원에 제시된 본 발명의 개념들의 다른 잠재적인 실시예들 또는 구현들의 논의를 포함하는 소정 세부사항들 및 구현들의 설명들이 뒤따른다. 본 개시내용의 실시예들의 개요가 아래에 제공되고, 이어서 도면들을 참조하여 더 상세한 설명이 이어진다.
다음 설명에서, 설명의 목적들을 위해, 다수의 특정 세부사항은 본 발명의 청구 대상의 다양한 실시예들의 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 본 발명의 청구 대상의 실시예들이 이들 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것은 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 일반적으로, 잘-알려진 명령 인스턴스(instance)들, 구조들 및 기법들은 반드시 상세히 도시되지 않는다.
편광 다이버시티 광 집적 회로(PIC) 수신기들에서, 단일-모드 섬유로부터 수신된 광의 편광은 알려지지 않고 상이한 원인들, 이를테면 단일-모드 섬유의 온도 변화들 또는 진동들로 인해 가변 편광을 나타낼 수 있다. 일부 구성들에서, 편광 다이버시티 PIC 수신기는 직교 입력 편광들에 대해 2 개의 분리된 경로로 광을 분리시킨다. 2 개의 분리된 경로에서 광은 동일한 광학 기능들을 겪고, 예컨대 광은 실질적으로 동일한 응답성을 가진 각각의 경로에서 광검출기(예컨대, 흡수 반도체 메사(mesa))에 의해 변환된다. 응답성은 광검출기에 의해 흡수된 수신된 광이 광검출기에 진입하는 총 광학 전력으로 나뉘어짐으로 인한 광전류의 비율이다.
실리콘 도파관들이 광 라우팅 및 필터링 기능들에 사용되고, 다른 재료들, 이를테면 III-V 에피택셜로 성장된 결정들이 광검출기 메사들로 사용된 이종 실리콘 광자 플랫폼에 대해, 프로세스 설계 구성은, 실리콘 도파관의 최소 폭이 III-V 광검출기 메사의 최소 폭보다 훨씬 더 좁도록 할 수 있다. 포토다이오드 메사의 설계에서, 증가된 응답성과 디바이스 속도 사이에 절충이 있고; 이들 2 개의 파라미터의 최적화는 III-V 광검출기 메사의 최소 폭에 의해 제한된다. 광검출기의 광 흡수 영역을 증가시키는 것이 응답성을 증가시킬 수 있지만(예컨대, 인근 도파관들로부터 광검출기에 의해 흡수된 광의 분율을 증가시킴), 증가된 영역은 또한 디바이스의 캐패시턴스를 증가시키고, 이는 광검출기의 저항기-캐패시터(RC) 시간 상수를 저하시킨다. III-V 광검출기 메사를 실리콘 도파관만큼 좁게 만드는 것이 가능하면, 응답성 및 디바이스 속도의 더 나은 동시 최적화가 가능할 것이다.
이 목적을 위해, 고속 광검출기는 동일한 광 흡수 층(예컨대, III-V 광검출기 메사) 속에 배치된 2 개의 병렬 도파관을 구현하고, 단일 III-V 광검출기 메사와 상호작용하는 광의 흡수 길이를 효과적으로 2 배화하고, 그리고 III-V 광검출기 메사 및 실리콘 도파관의 최소 폭들의 차이로 인한 응답성 및 디바이스 속도의 최적화에서의 패널티를 최소화 또는 제거하면서 응답성을 증가시킬 수 있다. 2 개의 병렬 도파관은 2 개의 도파관 사이의 광 커플링을 회피시키기 위해 상이한 폭들을 가진다. 일 예시적인 실시예에서, 2 개의 병렬 도파관은 수동 도파관을 통해 연결된다. 이런 예시적인 실시예에서, 광 흡수 층은, 광 빔이 제1 도파관을 따라 전파될 때 광 빔을 부분적으로 흡수하고 광 빔이 수동 도파관을 통해 제2 도파관을 따라 전파될 때 동일한 광 빔을 추가로 부분적으로 흡수한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 편광 다이버시티 PIC 수신기는 상이한 편광 상태들에서 다수의 광 빔을 프로세싱하기 위해 병렬로 동작하는 제1 고속 광검출기 및 제2 고속 광검출기를 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 편광 다이버시티 PIC 수신기는 상이한 편광 상태들의 다수의 광 빔을 프로세싱하기 위해 탠덤 배열로 동작하는 제1 고속 광검출기 및 제2 고속 광검출기를 포함한다. 광검출기에 의해 생성된 전기 신호들은 공통 전기 접촉부들을 통해 결합될 수 있다.
도 1은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 위에서 본 광검출기(100)(예컨대, 포토다이오드)를 도시한다. 광검출기(100)는 2 개의 도파관(105 및 110)(예컨대, 실리콘 도파관들, 다이아몬드 도파관들) 위에 배치된 광 흡수 층(115)(예컨대, 반도체 메사, III-V 에피택시, II-VI 에피택시)을 포함한다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 2 개의 도파관(105 및 110)은 수동 도파관 루프(120)(예컨대, 라우팅, 지연)에 의해 시퀀스로 연결된다. 광검출기(100)에 입력되는 광은, 광이 제1 도파관(105)("W1")을 따라 전파될 때 광 흡수 층(115)에 의해 부분적으로 흡수되고 광이 도파관 루프(120)를 통해 제2 도파관(110)("W2")을 따라 이동할 때 광 흡수 층(115)에 의해 추가로 부분적으로 흡수된다. 이러한 방식으로, 동일한 광은 광 흡수 층(115) 속에서 2 회 통과하여, 광 흡수 층(115)의 영역 및 캐패시턴스를 증가시키지 않고 광과 광 흡수 층(115) 사이의 상호작용 길이(L)를 2 배화한다.
본원에 사용된 바와 같이, 도파관들은, 광 빔이 2 개의 연속적인 흡수 이벤트(예컨대, W1을 통한 제1 흡수 이벤트 및 W2를 통한 제2 흡수 이벤트)를 겪는다는 점에서 순차적(즉, 시퀀스적)이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 순차적인 도파관들은 탠덤으로 기능하는 2 개의 광검출기들로 나뉘어질 수 있다. 예컨대, W1의 제1 흡수 이벤트는 제1 광검출기에서 발생할 수 있고 W2의 제2 흡수 이벤트는 제2 광검출기에서 발생할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 광검출기들은 아래의 도 7을 참조하여 더 상세히 논의된 바와 같이 탠덤 배열이다.
광 흡수 층(115)의 상단은 광 흡수 층(115)에서 전방 대각선 음영에 의해 표시된 바와 같이 제1 타입의 도핑된 반도체(예컨대, P-타입, N-타입)에 대한 전기 접촉부이다. 광검출기(100)는 전기 접촉부들(125)에서 후방 대각선 음영에 의해 표시된 바와 같이, 제1 타입(예컨대, P-타입, N-타입)과 반대인 제2 타입의 도핑된 반도체에 대한 전기 접촉부들(125)인 반도체 영역들을 더 포함한다. 광 흡수 층은 상단에서 하단으로 제1 타입의 도핑된 반도체, 진성(도핑되지 않은) 반도체 및 제2 타입의 반도체를 포함하는 반도체 재료들의 수직 적층부를 포함할 수 있다. 제2 타입의 도핑된 반도체는 수평으로 걸쳐 이어지는 흡수 층(115) 및 전기 접촉부들(125)을 연장시킬 수 있다. 광 흡수 층(115) 및 전기 접촉부들(125)은 도파관들(105 및 110)에서 전파되는 광을 전기 흐름(예컨대, 하나 이상의 전기 신호)으로 변환하기 위해 협력하여 기능한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 2 개의 도파관 경로들(105 및 110)은 경로(105)로부터 경로(110)로 그리고 그 반대로의 광 커플링을 회피시키기 위해 상이한 폭들을 가진다. 일부 예시적인 실시예들에서, 상이한 예시적인 실시예들의 설계 파라미터들에 따라, 도파관 경로들(105 및 110)은 적어도 메사 속의 길이(예컨대, 상호작용 길이(L))에 대해 상이한 폭들을 가지며 광 흡수 층(115)(예컨대, 메사) 속이 아닌 부분들에 대해 동일한 폭을 가질 수 있다. 도파관 경로들(105 및 110) 및 루프(120)는 리브(rib) 타입, 와이어 타입 또는 다른 타입들로 구현될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 실리콘 경로 길이를 짧게 유지하기 위해, 도파관 경로들(105 및 110)은 리브 타입이고, 루프(120)는, 루프의 굽힘 반경이 더 급격하도록 와이어 타입 도파관이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 도파관 루프(120)는 2 개의 실리콘 도파관(105 및 110) 사이의 폭 차이들을 조정하기 위해 테이퍼링(taper)된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 도파관들(105 및 110)의 굽힘 영역들(127)은 폭 차이들을 조정하기 위해 테이퍼링된다(예컨대, 도파관 루프의 각각의 단부는 동일한 폭이고 굽힘 영역들(127)은 폭 차이들을 조정하도록 보상함).
도 2는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 광검출기(200)의 단면을 도시한다. 도 2의 단면도는 도 1의 양측 점선 화살표 단면에 대응한다. 비록 도 2의 예의 광검출기(200)가 P-I-N 아키텍처이지만, 순차적인 도파관들이 다른 광검출기들 및 기하구조들(예컨대, UTC-PD(uni-travelling carrier photodiode), 애벌란시(avalanche) 다이오드 또는 광전도성 디바이스)에 통합될 수 있음이 인식된다. 예시된 바와 같이, 광검출기(200)는 흡수 반도체(215) 상에 배치된 상단 도핑된 반도체(210) 상에 배치된 금속 접촉부(205) 및 금속 접촉부들(225)에 연결된 하단 도핑된 반도체(230)를 포함할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따라, 광 흡수 층(115)(도 1에서 전방 대각선 음영을 가짐)은 금속 접촉부(205), 상단 도핑된 반도체(210) 및 흡수 반도체(215)를 포함하는 메사 구조(도 1 및 도 2에서 "메사 폭" 괄호를 참조)에 대응한다. 금속 접촉부들(225)은 도 1의 후방 대각선 음영을 가진 전기 접촉부들(125)로서 디스플레이된다. 상단 도핑된 반도체(210) 및 하단 도핑된 반도체(230)는 반대 타입들이다(예컨대, 상단 도핑된 반도체(210)는 P-타입이고 하단 도핑된 반도체(230)는 N-타입이거나, 또는 반대도 가능함). 광은 상이한 폭들을 가진 비대칭-폭 도파관들(W1 및 W2)을 포함하는 실리콘 층(240)에서 전파된다. 실리콘 층(240)은 분리 층(235)(예컨대, 유전체 클래딩(cladding), 공극)을 통해 하단 도핑된 반도체로부터 분리된다. 실리콘 층(240)은 실리콘 웨이퍼 핸들(handle)(250) 상에 배치된 매립된 산화물 층(245)(BOX) 상에 위치된다. 일부 예시적인 실시예들에 따라, 실리콘 층(240), 매립된 산화물 층(245) 및 실리콘 웨이퍼 핸들은 절연체 상 실리콘(SOI) 웨이퍼(255)의 부분이다.
도 3은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 병렬 구성의 광학 수신기(300)를 도시한다. 광학 수신기(300)는, 2 개의 광검출기들, 즉 광검출기(305) 및 광검출기(310)가 상이한 편광 상태들의 2 개의 입력 빔들로부터 광전류를 생성하기 위해 병렬로 기능하는 편광 다이버시티 수신기(PDR)의 예이다.
광검출기들(305 및 310) 각각은 도 1에 논의된 바와 같이, 도파관 루프들에 의해 연결된 2 개의 순차적인 비대칭-폭 도파관들을 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, W1 및 W1'은 동일한 폭(예컨대, 1.5 미크론)을 가지며 W2 및 W2'은 동일한 더 작은 폭(예컨대, 1 미크론)을 가진다. 이들 예시적인 실시예들에서, 개별 광검출기들을 통해 전파되는 광은 이질의 흡수 구역들(예컨대, 메사(309 및 315)) 속에 동일한 도파관들의 시퀀스를 유지한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 광검출기(305) 및 광검출기(310)는 상이하게 배향된 검출기들 사이의 응답성 차이를 유발할 수 있는, 제조 프로세스에서 잠재적인 비대칭을 회피시키기 위해 PIC 상에 동일한 기하구조 및 동일한 배향(예컨대, 플립(flip) 없음, 회전 없음)을 공유한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 분할기(301)(예컨대, 편광-분할 격자 커플러)는 인입 광(303)(예컨대, 단일-모드 섬유로부터의 광)을 직교로 편광된 빔들(광검출기(305)에 입력되는 제1 빔 및 검출기(310)에 입력되는 제2 빔)로 분할한다. 특히, 제1 빔은 광검출기(305)의 초기 도파관 경로(W1)를 따라, 루프(307)를 빙 둘러, 다시 광검출기(305)의 리턴 도파관 경로(W2)를 통해 전파된다. 제1 빔이 초기 및 리턴 도파관 경로들(W1 및 W2)을 통해 전파됨에 따라, 광검출기(305)의 광 흡수 층(309)은 위에서 논의된 바와 같이 하나 이상의 전기 신호를 생성한다. 유사하게, 제2 빔은 광검출기(310)의 다른 초기 도파관(W1')을 따라, 루프(313)를 빙 둘러, 다시 리턴 도파관(W2')을 통해 전파된다. 제2 빔이 초기 및 리턴 도파관들(W1' 및 W2)을 통해 전파됨에 따라, 광검출기(310)의 광 흡수 층(315)은 부가적인 광전류를 생성한다. 제1 및 제2 빔들의 2 개의 직교 모드는 광 흡수 층들에 대해 동일한 제한 인자를 가지며, 따라서 동일한 모달(modal) 흡수를 가진다. 이어서, 2 개의 광검출기(305 및 310)에 의해 생성된 광전류는 도 8을 참조하여 아래에 더 상세히 논의된 바와 같이, 공통 전기 접촉부들을 통해 결합될 수 있다. 이전의 접근법들과 대조적으로, 수신기(300)의 광 빔들은 흡수 층들 속에서 동일한 순서로 개별 수신기들을 통해 전파되고, 이에 의해 모달 흡수들 및 응답성을 유지한다.
게다가, 일부 예시적인 실시예들에 따라, 제1 빔 및 제2 빔은 부가적인 엘리먼트들, 이를테면 파장 분할기들 및 반도체 광학 증폭기(SOA)들에 의해 추가로 프로세싱된다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 빔들은 최종 결과 전기 신호의 응답성 및 결합성을 유지하기 위해 동일한 순서로 부가적인 엘리먼트들을 만난다.
일부 예시적인 실시예들에서, 도파관들(W1 및 W2)이 커플링 및 손실을 방지하기 위해 상이한 폭들을 가지지만, 광의 부분들은 도파관들 사이에서 커플링할 수 있다. 예컨대, 도 1의 광검출기(100)를 참조하면, 도파관(W2)에서 전파되는 광이 도파관(W1)에 커플링될 때 리턴 손실이 발생할 수 있다. 리턴 손실은, 광이 동일한 방향으로 이동하도록 도파관들 내에서 광을 공동-전파시킴으로써 완화될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, (예컨대, 도 1의 광검출기(100)에서와 같이) 제1 도파관 및 제2 도파관의 광이 반대 방향들로 전파될 때 역방향-전파 광이 발생하는 발생하는 반면, 제1 및 제2 도파관들의 광이 동일한 방향(예컨대, 둘 모두 좌측에서 우측으로 전파됨)으로 전파될 때 공동-전파 광이 발생한다. 제1 도파관과 평행한 인근 제2 도파관에서 전파되는 광에 대한 방향으로 전파됨. 도 4는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 공동-전파 광검출기(400)를 도시한다. 공동-전파 광검출기(400)에서, 광은 제1 도파관(W1)에 입력되고 루프(405)를 빙 둘러 공동-전파 광검출기(400)의 동일측 상에서 제2 도파관(W2)으로 전파된다. 비록 도 4가 단일 광검출기(400)를 디스플레이하지만, 공동-전파 구성이 다른 도면들의 다른 실시예들과 결합될 수 있다는 것이 인식된다. 예컨대, 2 개의 공동-전파 광검출기는 편광 다이버시티 수신기(예컨대, 도 3의 광학 수신기(300))에서 구현될 수 있다.
도 5는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 광학 엘리먼트 순서들을 가진 광검출기들을 가진 예시적인 광학 수신기(500)를 도시한다. 일반적으로, 순차적인 도파관들을 연결하는 도파관들은, 이들이 동일한 손실을 겪고 동일한 응답성을 유지하는 것을 보장하기 위해 길이가 유사하다. 그러나, 형상들은, 전체 광학 경로들이 실질적으로 동일한 손실을 가지는 한, 상이한 고려 사항들(예컨대, 주어진 PIC의 설계 레이아웃 및 요건들)에 따라 가변할 수 있다. 예시된 예에서, 광학 수신기(500)는 상이한 PIC 레이아웃들에 통합될 수 있는 상이한 굽힘 차수들을 가진 광검출기들을 포함한다. 제1 광검출기(505)에서, 제1 빔은 광검출기(505)의 초기 도파관(W1)으로부터, 직선 섹션(510), 원형 섹션(515), 직각 섹션(520)으로, 그리고 다시 리턴 경로 도파관(W2)으로 나온다. 제2 광검출기(525)는 광검출기(505)의 거울 대칭으로 상이한 굽힘 차수를 가지며; 제2 빔은 광검출기(525)의 초기 도파관(W1')으로부터 직각 섹션(530), 원형 섹션(535), 직선 섹션(540)으로, 그리고 다시 리턴 경로 도파관(W2')으로 나온다. 일부 예시적인 실시예들에서, 도파관들(W1 및 W1')의 폭들은 동일하고, W2 및 W2'의 폭들은 동일하다.
도 6은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 그룹 구성의 예시적인 광학 수신기(600)를 도시한다. 광학 수신기(500)는 제1 쌍(W1 및 W2) 및 제2 쌍(W1' 및 W2')을 포함하는 2 개의 순차적인 도파관들의 쌍 위에 배치된 단일 메사(605)를 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, W1 및 W1'은 동일한 제1 폭(예컨대, 4 미크론)을 가지며 W2 및 W2'은 제1 폭과 상이한 동일한 제2 폭(예컨대, 2 미크론)을 공유한다. 이런 방식으로, 각각의 도파관은 자신의 이웃 도파관들과 상이한 폭을 가진다(예컨대, W1은 W2 및 W2' 둘 모두와 상이한 폭을 가지며, 이에 의해 W1과 W2 또는 W2' 사이의 커플링을 회피한다).
일반적으로, 고속 동작에 대해, 임의의 수동 실리콘 섹션들을 포함하는, 흡수가 발생하는 총 광학 경로 길이는 최소화될 필요가 있을 수 있다. 50G 심볼 레이트(5E10 심볼들/초)에 대해, 심볼 지속기간은 20ps이다. 만약 도파관의 모달 인덱스가 ~3.5이면, 심볼 지속기간은 1.7 mm의 경로 길이에 대응한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 신호의 품질을 저하시키지 않기 위해, 경로 길이는 심볼 지속기간의 ~10%보다 크지 않아야 하고, 따라서 170 미크론이다. 이 목적을 위해, 도 7은 일부 예시적인 실시예들에 따라, 180-도 회전 대칭을 가진 탠덤 구성의 예시적인 고속 광학 수신기(700)를 도시한다. 본원에 사용된 바와 같이, 탠덤은, 광검출기들이 (예컨대, 광검출기들을 분할하는 순차적인 도파관들의 2 개의 세트들을 사용하여 2 개의 분리된 빔들의 부분들을 흡수함으로써) 전류를 생성하기 위해 협력하여 기능한다.
광학 수신기(700)의 하나의 장점은, 흡수될 수 있는 광의 광학 경로 길이가 수동 도파관 루프들(예컨대, 도 1의 루프(120))을 회피함으로써 짧아진다는 것이다. 예시된 예에서, 광학 수신기(700)는 상이한 빔들의 광학 경로들을 분리시키는 기능하는 수동 도파관들(715)(예컨대, 수동 도파관(715A) 및 수동 도파관(715B))에 의해 연결된 제1 광검출기(705) 및 제2 광검출기(710)를 포함한다. 도 7의 예시적인 실시예에서, 제1 순차적인 도파관 쌍은 상이한 폭들을 가진 W1 및 W2를 포함한다. 제1 빔은 W1으로부터 전파되고 메사(707)에 의해 부분적으로 흡수된다. 이어서 제1 빔은 수동 도파관(715A)을 통해 검출기(710)의 W1으로부터 W2로 전파되고, 수동형 도파관(715A)은 일부 예시적인 실시예들에 따라, 도파관들(W1 및 W2)의 폭 차이들을 수용하도록 테이퍼링된다. 제1 빔은 검출기(710)의 메사(713)에 의해 추가 흡수를 겪는다.
수신기(700)는 상이한 폭들을 가진 W1' 및 W2'를 포함하는 제2 순차적인 도파관 쌍을 더 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 이웃 도파관들 사이의 커플링 및 손실을 방지하기 위해(예컨대, W1'과 W2 사이의 커플링을 방지하기 위해), W1 및 W1'은 제1 폭(예컨대, 1.5 미크론)을 가지며 W2 및 W2'은 제1 폭과 상이한 제2 폭(예컨대, 1 미크론)을 가진다. 제2 빔은 W1'으로부터 전파되고 메사(713)에 의해 부분적으로 흡수된다. 이어서 제2 빔은 수동 도파관(715B)을 통해 검출기(710)의 W1'으로부터 W2'로 전파되고, 수동형 도파관(715B)은 도파관들(W1' 및 W2')의 폭 차이들을 수용하도록 테이퍼링된다. 이어서, 제2 빔은 검출기(705)의 메사(707)에 의해 추가 흡수를 겪는다.
도 8은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 광검출기들을 전기적으로 연결하기 위한 예시적인 전기 아키텍처(800)를 도시한다. 예시된 예에서, 제1 광검출기(805)는 제1 편광 상태의 광을 변환하고 제2 광검출기(810)는 제1 편광 상태와 직교하는 제2 편광 상태의 광을 변환한다. 광검출기들(805 및 810)의 상이한 도파관들을 연결하는 수동 도파관들은, 제1 광검출기(800) 및 제2 광검출기(810)가 자신의 개별 도파관 경로들 또는 비-루프 도파관들(예컨대, 도 7의 수동 도파관들(715))을 연결하는 루프 도파관들을 가질 수 있다는 것이 인식되지만, 명확성을 위해 도 8에서 생략된다. 2 개의 광검출기들(805 및 810)은 제1 노드(815), 제2 노드(825) 및 제3 노드(820)를 포함하는 공통 노드들을 사용하여 전기적으로 연결된다. 제1 노드(815) 및 제3 노드(820)는 동일한 타입의 도핑된 반도체(예컨대, N-타입)에 대한 전기 접촉부를 만들 수 있고 제2 노드(825)는 반대 타입의 도핑된 반도체(예컨대, P-타입)에 대한 접촉부를 만든다. 제1 광검출기(805)에서, 둘 모두가 동일한 반도체 재료 타입(예컨대, N-타입)인 반도체 영역들(840)(예컨대, 반도체 영역들 상에 배치된 전기 접촉부들)은 제1 노드(815) 및 제2 노드(820)에 전기적으로 연결된다. 게다가, 제1 광검출기(805)의 메사(845)는 제2 노드(825)에 전기적으로 연결된다.
마찬가지로, 제2 광검출기(810)에서, 둘 모두가 동일한 반도체 타입(예컨대, N-타입)인 반도체 영역들(830)은 제1 노드(815) 및 제2 노드(820)에 전기적으로 연결된다. 게다가, 제2 광검출기(810)의 메사(835)는 제2 노드(825)에 전기적으로 연결된다. 양쪽 반도체 메사들(835 및 845)(825에 연결됨)은 공통 반도체 재료 타입을 공유하고, 모든 반도체 영역들(830 및 840)(제1 노드(815) 및 제2 노드(820)에 연결됨)은 일부 예시적인 실시예들에서 반대 극성일 공통 반도체 재료 타입을 공유한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 노드들(815, 825 및 820)은 출력을 위한 송신 라인(예컨대, 접지-신호-접지(GSG) 송신 라인)에 연결된다.
도 9는 일부 예시적인 실시예들에 따라, 상이한 폭들의 순차적인 도파관들을 사용하여 광을 변환하기 위한 방법(900)의 흐름도를 도시한다. 동작(905)에서, 광은 상이한 편광 상태들을 가진 다수의 빔으로 분할된다. 예컨대, 도 3을 참조하여, 입력 광(303)은 단일 광섬유로부터 수신되고 광(303)을 제1 편광 상태의 제1 빔 및 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태의 제2 빔으로 분할하는 분할기(301)에 입력된다. 일부 예시적인 실시예에서, 입력 광(303)은 하나 이상의 신호를 포함하고 제1 빔 및 제2 빔은 입력 광(303)의 가변 편광으로 인해 상이한 전력 레벨들일지라도 동일한 하나 이상의 신호를 포함한다.
동작(910)에서, 전기 흐름들(예컨대, 전류)은 광 흡수 층들을 사용하여 생성된다. 예컨대, 도 3을 참조하여, 광검출기(305)는 제1 빔을 제1 전기 흐름으로 변환하고 광검출기(310)는 제2 빔을 제2 전기 흐름으로 변환한다.
동작(915)에서, 전기 흐름들은 결합된다. 예컨대, 도 8을 참조하며, 제1 광검출기(805)로부터 생성된 제1 전기 흐름 및 제2 광검출기(810)에 의해 생성된 제2 전기 흐름은 공통 전기 노드들, 예컨대 제1 노드(815), 제2 노드(825) 및 제3 노드(820)을 통해 함께 부가된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 제1 전기 흐름은 전기 신호들의 세트(예컨대, 입력 광에 의해 운반되는 동일한 신호들)를 가진 제1 광전류이고 제2 전기 흐름은 전기 신호들의 동일한 세트를 가진 제2 광전류이다. 따라서, 제1 및 제2 광전류들이 결합될 때, 최종 광 전류는 개별 광검출기들로부터의 제1 및 제2 광전류들의 합이다.
동작(920)에서, 결합된 전기 흐름들은 공통 노드들을 통해 출력된다. 예컨대, 결합된 전기 흐름들은 도 10을 참조하여 아래에서 더 상세히 논의된 바와 같이 상이한 집적 회로들(예컨대, 추가 프로세싱을 위해 주문형 집적 회로(ASIC)에 송신됨)에 출력될 수 있다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 하나 이상의 광학 디바이스를 포함하는 시스템(1000)의 예시이다. 이 실시예에서, 시스템(1000)은 인쇄 회로 기판(PCB) 기판(1005), 유기 기판(1010), ASIC(1015) 및 광자 집적 회로(PIC)(1020)를 포함하는 것으로 도시된다. 이 실시예에서, 1020)은 위에서 설명된 하나 이상의 광학 디바이스(예컨대, 광검출기(100), 광학 수신기(700))를 포함할 수 있다. PIC(1020)는 프리즘(1025)을 통해 광을 섬유(1030)와 교환하고; 상기 프리즘은 일부 예시적인 실시예들에 따라, 광학 모드를 단일 모드 광섬유에 커플링하는 데 사용되는 오정렬-허용 디바이스이다. PIC(1020)의 광학 디바이스들은 적어도 부분적으로 ASIC(1015)에 포함된 제어 회로에 의해 제어된다. ASIC(1015) 및 PIC(1020) 둘 모두는 유기 기판(1010)을 통해 IC들을 통신가능하게 커플링하는 데 사용된 구리 기둥들(1014) 상에 배치되는 것으로 도시된다. PCB(1005)는 볼 그리드 어레이(BGA) 상호연결부(1016)를 통해 유기 기판(1010)에 커플링되고, 유기 기판(및 따라서, ASIC(1015) 및 PIC(1020))를 도시되지 않은 시스템(1000)의 다른 컴포넌트들 -- 예컨대, 상호연결 모듈들, 전원들 등에 상호연결하는 데 사용될 수 있다.
다음은 실시예들의 예들이다:
1. 광을 변환하기 위한 방법으로서, 방법은 제1 도파관 및 제2 도파관을 포함하는 상이한 폭들의 순차적인 도파관들을 포함하는 광학 구조체를 사용하여 광 빔을 수신하는 단계 - 수신된 광 빔은 제1 도파관으로부터 제1 도파관과 상이한 폭을 가진 제2 도파관으로 전파됨 -; 및 순차적인 도파관들 중 하나 이상에 근접한 광 흡수 층을 사용하여 광을 변환함으로써 전류를 생성하는 단계를 포함한다.
2. 예 1의 방법에 있어서, 광 흡수 층은 제1 및 제2 도파관들에 근접하고, 광 흡수 층은 제1 및 제2 도파관들의 광을 변환한다.
3. 예 1 또는 예 2의 방법에 있어서, 광학 구조체는 병렬 구성이고, 광학 구조체는 상이한 폭들을 가진 제3 도파관 및 제4 도파관, 및 광 흡수 층과 평행한 부가적인 광 흡수 층을 더 포함하고, 부가적인 광 흡수 층은 제3 및 제4 도파관들에 근접한다.
4. 예 1 내지 예 3의 방법에 있어서, 광학 구조체를 사용하여 부가적인 광을 수신하는 단계 - 부가적인 광은 제3 도파관으로부터 제4 도파관으로 전파됨 -; 및 부가적인 광 흡수 층을 사용하여, 제3 및 제4 도파관들의 부가적인 광을 변환함으로써 부가적인 전류를 생성하는 단계를 더 포함한다.
5. 예 1 내지 예 4의 방법에 있어서, 초기 광을 광 및 부가적인 광으로 분할하는 단계 - 광 및 부가적인 광은 상이한 편광 상태들을 가짐 -; 및 전류 및 부가적인 전류를 결합함으로써 결합된 전류를 생성하는 단계를 더 포함한다.
6. 예 1 내지 예 5의 방법에 있어서, 광학 구조체는 탠덤 구성이고, 광학 구조체는 상이한 폭들을 가진 제3 도파관 및 제4 도파관, 및 광 흡수 층에 근접한 부가적인 광 흡수 층을 더 포함하고; 광 흡수 층은 제1 및 제4 도파관들에 근접하고 부가적인 광 흡수 층은 제2 및 제3 도파관들에 근접하고; 그리고 전류는 광 흡수 층을 사용하여 제1 및 제4 도파관들의 광을 변환함으로써 생성된다.
7. 예 1 내지 예 6의 방법에 있어서, 부가적인 광 빔을 수신하는 단계 - 부가적인 광 빔은 제3 도파관으로부터 제4 도파관으로 전파됨 -; 및 부가적인 광 흡수 층을 사용하여, 제3 및 제4 도파관들의 광을 변환함으로써 부가적인 전류를 생성하는 단계를 더 포함한다.
8. 예 1 내지 예 7의 방법에 있어서, 제1 도파관 및 제3 도파관은 동일한 폭을 공유하고 제2 도파관 및 제4 도파관은 동일한 폭을 공유한다.
9. 예 1 내지 예 8의 방법에 있어서, 광학 구조체는 그룹 구성이고, 광학 구조체는 제3 도파관 및 제3 도파관과 상이한 폭을 가진 제4 도파관을 더 포함하고, 제3 도파관은 제4 도파관에 커플링되고; 광 흡수 층은 제1, 제2, 제3 및 제4 도파관들을 포함하는 그룹에 근접하고; 그리고 광 흡수 층은 제1, 제2, 제3 및 제4 도파관들의 광을 변환한다.
10. 예 1 내지 예 9의 방법에 있어서, 제1 도파관은 수동 도파관에 의해 제2 도파관에 연결된다.
11. 예 1 내지 예 10의 방법에 있어서, 수동 도파관은 폭 차이들을 보상하도록 테이퍼링된다.
12. 예 1 내지 예 11의 방법에 있어서, 수동 도파관은 루프이다.
13. 예 1 내지 예 12의 방법에 있어서, 광 흡수 층은 흡수 반도체이고 순차적인 도파관들은 실리콘 도파관들이다.
14. 예 1 내지 예 13의 방법에 있어서, 광학 구조체는 편광 다이버시티 광학 수신기이다.
15. 광학 구조체로서, 상이한 폭들의 순차적인 도파관들 - 순차적인 도파관들은 제1 도파관과 상이한 폭을 가진 제2 도파관에 연결된 제1 도파관을 포함함 -; 및 순차적인 도파관들 중 하나 이상의 도파관의 광을 변환함으로써 전류를 생성하기 위해 순차적인 도파관들 중 하나 이상의 도파관에 근접한 광 흡수 층을 포함한다.
16. 예 15의 광학 구조체에 있어서, 광 흡수 층은 제1 및 제2 도파관들에 근접하고, 광 흡수 층은 제1 및 제2 도파관들의 광을 변환한다.
17. 예 15 또는 예 16의 광학 구조체에 있어서, 광학 구조체는 탠덤 구성이고, 광학 구조체는 상이한 폭들을 가진 제3 도파관 및 제4 도파관, 및 광 흡수 층에 근접한 부가적인 광 흡수 층을 더 포함하고; 광 흡수 층은 제1 및 제4 도파관들에 근접하고 부가적인 광 흡수 층은 2 및 제3 도파관들에 근접하고; 그리고 광 흡수 층은 제1 및 제4 도파관들의 광을 변환하고 부가적인 광 흡수 층은 제2 및 제3 도파관들의 광을 변환한다.
18. 예 15 내지 예 17의 광학 구조체에 있어서, 제1 도파관은 수동 도파관에 의해 제2 도파관에 연결된다.
19. 예 15 내지 예 18의 광학 구조체에 있어서, 수동 도파관은 폭 차이들을 보상하도록 테이퍼링된다.
20. 예 15 내지 예 19의 광학 구조체에 있어서, 광학 구조체는 입력 광을 상이한 편광 상태들을 가진 다수의 빔으로 분할하기 위한 광학 분할기를 더 포함하고, 광 흡수 층은 제1 도파관 또는 제2 도파관 중 적어도 하나에서 전파되는 다수의 빔 중 하나를 변환한다.
다음 상세한 설명에서, 본 발명의 방법 및 장치는 그 특정 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 다양한 수정들 및 변화들이 본 발명의 더 넓은 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 이에 대해 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면들은 제한이 아닌 예시로 간주되어야 한다.

Claims (20)

  1. 광을 변환하기 위한 방법으로서,
    도파관 루프(waveguide loop)를 통해 제2 도파관으로 출력하는 제1 도파관을 포함하는 상이한 폭들의 순차적인 도파관들을 포함하는 광학 구조체를 사용하여 광 빔을 수신하는 단계 - 상기 수신된 광 빔은 상기 제1 도파관으로부터 상기 제1 도파관과 상이한 폭을 가진 상기 제2 도파관으로 전파됨 -; 및
    상기 순차적인 도파관들에 근접한 광 흡수 층을 사용하여 상기 광 빔을 변환함으로써 전류를 생성하는 단계 - 상기 광 흡수 층은 상기 광 빔이 상기 제1 도파관을 통해 전파될 때 상기 광 빔을 변환하고, 상기 광 빔이 상기 제2 도파관을 통해 전파될 때 상기 광 빔을 더 변환함 -
    를 포함하는, 광을 변환하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 빔은 상기 제1 도파관 및 제2 도파관을 통해 반대 방향들로 역방향 전파되는, 광을 변환하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광학 구조체는 병렬 구성이고, 상기 광학 구조체는 상이한 폭들을 가진 제3 도파관 및 제4 도파관, 및 상기 광 흡수 층과 평행한 부가적인 광 흡수 층을 더 포함하고, 상기 부가적인 광 흡수 층은 상기 제3 및 제4 도파관들에 근접한, 광을 변환하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학 구조체를 사용하여 부가적인 광을 수신하는 단계 - 상기 부가적인 광은 상기 제3 도파관으로부터 상기 제4 도파관으로 전파됨 -; 및
    상기 부가적인 광 흡수 층을 사용하여, 상기 제3 및 제4 도파관들의 부가적인 광을 변환함으로써 부가적인 전류를 생성하는 단계를 더 포함하는, 광을 변환하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    초기 광을 상기 광 및 상기 부가적인 광으로 분할하는 단계 - 상기 광 및 부가적인 광은 상이한 편광 상태들을 가짐 -; 및
    상기 전류 및 상기 부가적인 전류를 결합함으로써 결합된 전류를 생성하는 단계를 더 포함하는, 광을 변환하기 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광학 구조체는 탠덤 구성이고, 상기 광학 구조체는 상이한 폭들을 가진 제3 도파관 및 제4 도파관, 및 상기 광 흡수 층에 근접한 부가적인 광 흡수 층을 더 포함하고;
    상기 광 흡수 층은 상기 제1 및 제4 도파관들에 근접하고 상기 부가적인 광 흡수 층은 상기 제2 및 제3 도파관들에 근접하고;
    상기 전류는 상기 광 흡수 층을 사용하여 상기 제1 및 제4 도파관들의 광을 변환함으로써 생성되는, 광을 변환하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    부가적인 광 빔을 수신하는 단계 - 상기 부가적인 광 빔은 상기 제3 도파관으로부터 상기 제4 도파관으로 전파됨 -; 및
    상기 부가적인 광 흡수 층을 사용하여, 상기 제3 및 제4 도파관들의 광을 변환함으로써 부가적인 전류를 생성하는 단계를 더 포함하는, 광을 변환하기 위한 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 도파관 및 상기 제3 도파관은 동일한 폭을 공유하고 상기 제2 도파관 및 상기 제4 도파관은 동일한 폭을 공유하는, 광을 변환하기 위한 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광학 구조체는 그룹 구성이고, 상기 광학 구조체는 제3 도파관 및 상기 제3 도파관과 상이한 폭을 가진 제4 도파관을 더 포함하고, 상기 제3 도파관은 상기 제4 도파관에 커플링되고;
    상기 광 흡수 층은 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 도파관들을 포함하는 그룹에 근접하고;
    상기 광 흡수 층은 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 도파관들의 광을 변환하는, 광을 변환하기 위한 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 도파관 루프는 수동 도파관인, 광을 변환하기 위한 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 도파관 루프는 상기 제1 도파관과 상기 제2 도파관 사이의 폭들의 차이를 보상하도록 테이퍼링(taper)되는, 광을 변환하기 위한 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광 흡수 층은 상기 광 빔이 상기 도파관 루프를 통해 전파될 때 상기 광 빔을 변환하지 않는, 광을 변환하기 위한 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 광 흡수 층은 흡수 반도체이고 상기 순차적인 도파관들은 실리콘 도파관들인, 광을 변환하기 위한 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 광학 구조체는 편광 다이버시티 광학 수신기인, 광을 변환하기 위한 방법.
  15. 광학 구조체로서,
    광 빔을 수신하기 위한 상이한 폭들의 순차적인 도파관들 - 상기 순차적인 도파관들은 도파관 루프를 통해 제2 도파관으로 출력하는 제1 도파관을 포함하고, 상기 제2 도파관은 상기 제1 도파관과 상이한 폭을 가짐 -; 및
    상기 순차적인 도파관들 중 하나 이상의 도파관에서 상기 광 빔을 변환함으로써 전류를 생성하기 위해 상기 순차적인 도파관들 중 상기 하나 이상의 도파관에 근접한 광 흡수 층 - 상기 광 흡수 층은 상기 광 빔이 상기 제1 도파관을 통해 전파될 때 상기 광 빔을 변환하고, 상기 광 빔이 상기 제2 도파관을 통해 전파될 때 상기 광 빔을 더 변환하도록 구성됨 -
    을 포함하는, 광학 구조체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 순차적인 도파관들은 상기 광 빔을 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관을 통해 반대 방향들로 역방향 전파하는, 광학 구조체.
  17. 제15항에 있어서, 상기 광학 구조체는 탠덤 구성이고, 상기 광학 구조체는 상이한 폭들을 가진 제3 도파관 및 제4 도파관, 및 상기 광 흡수 층에 근접한 부가적인 광 흡수 층을 더 포함하고;
    상기 광 흡수 층은 상기 제1 및 제4 도파관들에 근접하고 상기 부가적인 광 흡수 층은 상기 제2 및 제3 도파관들에 근접하고;
    상기 광 흡수 층은 상기 제1 및 제4 도파관들의 광을 변환하고 상기 부가적인 광 흡수 층은 상기 제2 및 제3 도파관들의 광을 변환하는, 광학 구조체.
  18. 제15항에 있어서, 상기 도파관 루프는 수동 도파관인, 광학 구조체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 도파관 루프는 상기 제1 도파관과 상기 제2 도파관 사이의 폭들의 차이를 보상하도록 테이퍼링되는, 광학 구조체.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 광학 구조체는 편광 다이버시티 광학 수신기인, 광학 구조체.
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