KR20110033286A - 모놀리식 코히런트 광 검출기 - Google Patents

모놀리식 코히런트 광 검출기 Download PDF

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영-카이 첸
크리스토퍼 리차드 도에르
빈센트 에티엔 호우츠마
팅-첸 후
안드레아스 베르톨드 레벤
데이비드 토마스 넬슨
닐스 귄터 웨이만
라이밍 장
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Abstract

광 수신기는 평탄면을 갖는 기판을 포함하는 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로를 갖는다. 그 평탄면을 따라, 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로는 광 하이브리드, 하나 이상의 가변 광 감쇠기들, 및 광검출기들을 갖는다. 광 하이브리드는 광 빔들을 수신하고, 복수의 상대적 위상을 갖는 상기 수신된 광 빔들의 광을 간섭하며, 상기 간섭된 광을 광 하이브리드의 광 출력부들을 통해 출력하도록 접속된다. 하나 이상의 가변 광 감쇠기들 각각은, 광 출력부들 중 대응하는 광 출력부와 광검출기들 중 대응하는 광검출기 사이에 접속한다.

Description

모놀리식 코히런트 광 검출기{MONOLITHIC COHERENT OPTICAL DETECTORS}
본 출원은 Young-Kai Chen, Christopher R. Doerr, Vincent Houtsma, Andreas Leven, Ting-Chen Hu, David T. Neilson, Nils G. Weimann, 및 Liming Zhang 에 의해 2008년 8월 19일자로 출원된 미국 가출원 제 61/189557 호 "MONOLITHIC COHERENT OPTICAL DETECTORS" 의 이익을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 광 데이터 통신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 수신기용 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분은 본 발명의 양호한 이해를 돕기 위한 측면들을 제공한다. 따라서, 이 부분은 이러한 취지에서 독해되어야 하며 무엇이 종래 기술이고 무엇이 종래 기술이 아닌지를 규정하기 위한 것이 아니다.
일부 대역폭-효율 광 변조 방식들이 단순한 온-오프 키잉 보다는 위상-시프트 키잉을 사용하여 광 캐리어에 대한 데이터를 변조한다. 이러한 방식들에서, 광 수신기는 수신된 변조 광 캐리어로부터의 데이터를 복조하기 위해 광 로컬 오실레이터를 사용한다. 이 로컬 오실레이터는 변조된 광 캐리어를 예를 들어, 기저대역으로 다운 믹싱(down mix)하기 위해 사용되는 레퍼런스 신호를 제공한다.
이러한 방식들에서, 광 수신기는 광 빔 스플리터(들), 90°광 하이브리드(들), 광 로컬 오실레이터, 및 광검출기들을 포함할 수도 있다. 광 빔 스플리터(들)는 독립적인 프로세싱에 대한 편광에 기초하여 입사 광 빔(들)의 상이한 편광 성분들을 분리할 수도 있다. 광 하이브리드(들)은 수신된 변조 광 캐리어를 광 로컬 오실레이터로부터의 코히런트 광과 광학적으로 믹싱하여 다운 믹싱된 광 신호들을 생성한다. 포토다이오드가, 이러한 다운 믹싱된 광 신호의 강도를 검출하여 수신된 변조 광 캐리어에 의해 반송된 데이터를 복구하는데 이용가능한 전기 신호들을 생성할 수 있다.
다양한 실시형태들이, 평탄 기판들상의 코히런트 광 수신기들, 이러한 광 수신기들을 제조하는 방법들, 및/또는 이러한 광 수신기들을 동작시키는 방법들을 제공한다. 코히런트 광 수신기들은 변조된 광 캐리어를 광 레퍼런스 캐리어와 광학적으로 믹싱하는 광 컴포넌트들 및 광 믹싱에 의해 생성된 신호들로부터 변조된 광 캐리어에 의해 반송된 동위상 및 직교 위상 데이터 스트림들을 검출하는 전자 컴포넌트들을 모놀리식으로 집적할 수도 있다.
제 1 실시형태에서, 광 수신기는 평탄면을 갖는 기판을 포함하는 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로를 갖는다. 이 평탄면을 따라, 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로는 적어도, 광 하이브리드, 하나 이상의 가변 광 감쇠기, 및 광검출기들을 갖는다. 광 하이브리드는 광 빔들을 수신하고, 복수의 상대적 위상을 갖는 상기 수신된 광 빔들의 광을 간섭하며, 상기 간섭된 광을 광 하이브리드의 광 출력부를 통해 출력하도록 접속된다. 하나 이상의 가변 광 감쇠기 각각은, 광 출력부들 중 대응하는 광 출력부와 광검출기들 중 대응하는 광검출기 사이에서 접속한다.
일부 특정한 제 1 실시형태에서, 집적된 전기 및 광 회로는 그 평탄면을 따라 위치된 편광 빔 스플리터 및 광 로컬 오실레이터를 포함한다. 집적된 전기 및 광 회로는, 편광 빔 스플리터가 상기 광을 2개의 광 빔으로 스플릿하도록 상기 광 로컬 오실레이터로부터 광을 수신하기 위해 접속된다. 집적된 전기 및 광 회로는, 트랜스버스(transverse) 전기 편광 모드와 트랜스버스 자기 편광 모드 사이에서 상기 수신된 광의 에너지를 교환하지 않고 상기 스플릿을 수행하도록 구성된다.
일부 특정한 제 1 실시형태에서, 광 수신기는 광 하이브리드의 광 출력부들 중 제 1 광 출력부에 의해 광검출기들 중 하나의 광검출기로 전달된 시간-평균된 광 강도와 광 하이브리드의 광 출력부들 중 제 2 광 출력부에 의해 광검출기들 중 다른 광검출기로 전달된 시간-평균된 광 강도 사이의 차이를 보상하기 위해 가변 광 감쇠기들을 동작시키도록 접속된 피드백 제어기를 포함한다.
일부 특정한 제 1 실시형태에서, 광 하이브리드는, 광 강도들이 광 수신기에 의해 수신된 변조 광 캐리어의 제 1 및 제 2 위상 성분들을 나타내도록 광 하이브리드의 상이한 광 출력부들에서 광 강도들을 출력하기 위해 구성된 평탄 멀티-모드 간섭 디바이스를 포함한다. 제 1 광 수신기는 또한, 광검출기들에 의해 동위상 및 직교 위상 성분들의 광 강도들의 시간-평균 측정치들 사이의 불균형을 감소시키는 방식으로 광 하이브리드에서 위상 시프터를 동작시키도록 접속된 피드백 제어기를 포함할 수도 있다.
일부 특정한 제 1 실시형태에서, 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로는 평탄면을 따라, 한 쌍의 편광 빔 스플리터들, 제 2 광 하이브리드, 하나 이상의 제 2 가변 광 감쇠기들, 및 제 2 광검출기들을 포함한다. 제 2 가변 광 감쇠기들 각각은, 제 2 광 하이브리드의 대응하는 광 출력부와 제 2 광검출기들 중 대응하는 광검출기 사이에 접속한다. 각 광 하이브리드는 편광 빔 스플리터 모두로부터 광을 수신하도록 접속된다. 각 광 하이브리드는 또한, 하나 이상의 광 빔들을 출력하도록 구성될 수도 있고, 하나 이상의 광 빔의 강도들은 광 수신기에 의해 수신된 변조 광 캐리어의 동위상 성분 및 변조 광 캐리어의 직교 위상 성분에 대해 변조된 데이터를 나타낸다.
제 2 실시형태에서, 광 수신기가 그것의 표면상에 위치된 반도체의 다중 층들을 갖는 평탄 기판을 포함한다. 이 층들은 표면상에, 2개의 광 하이브리드들, 복수의 가변 광 감쇠기들, 및 복수의 광검출기들을 형성하도록 패터닝된다. 광 하이브리드들의 광 출력부들 중 일부가 가변 광 감쇠기들을 통해 광검출기들 중 대응하는 광검출기들에 접속된다. 광 하이브리드 및 가변 광 감쇠기들은 수직 p-n, n-p, n-i-p, 또는 p-i-n 도핑된 반도체 층 구조를 그 내부에 포함한다.
일부 특정한 제 2 실시형태에서, 가변 광 감쇠기들은 광 하이브리드들의 반도체 합금들의 수직 시퀀스를 포함한다.
일부 특정한 제 2 실시형태에서, 광 하이브리드 및 가변 광 감쇠기들의 도핑된 반도체 층 구조들은 바이어싱의 부재시에 C-대역 전기통신 파장들에서 광에 대해 투과성이다.
일부 특정한 제 2 실시형태에서, 광검출기들은 광 하이브리드들에서의 반도체 층 구조에서 복수의 반도체 층들을 포함하는 포토다이오드들이다.
일부 특정한 제 2 실시형태에서, 광 수신기는 그 평탄면을 따라 그리고 평탄면상에 위치된 제 1 및 제 2 편광 빔 스플리터들을 포함한다. 각 편광 빔 스플리터는 그 내부에 수신된 광의 하나의 편광 성분을 광 하이브리드들 중 제 1 광 하이브리드로 송신하도록 구성되고, 그 내부에 수신된 광의 다른 편광 성분을 광 하이브리드들 중 제 2 광 하이브리드로 송신하도록 구성된다.
제 3 실시형태에서, 광 수신기가 평탄면을 갖는 기판을 가지는 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로를 포함한다. 이 회로는 그 평탄면을 따라 위치된 2개의 편광 빔 스플리터들, 2개의 광 하이브리드들, 및 광검출기들을 포함한다. 각 광 하이브리드는 편광 빔 스플리터들 모두로부터 광 빔들을 수신하고, 상기 수신된 광 빔들의 광을 간섭하며, 상기 간섭된 광을 광 하이브리드의 광 출력부들을 통해 광 검출기들 중 일부로 출력하도록 접속된다. 각 편광 빔 스플리터는 간섭계를 포함한다. 이 간섭계는 입력 광 커플러(coupler), 출력 광 커플러, 및 입력 광 커플러의 광 출력부들을 출력 광 커플러의 대응하는 광 입력부들에 접속하는 2개의 내부 광 도파관들을 포함한다. 2개의 광 도파관들은 상이한 가로폭을 갖는다.
일부 특정한 제 3 실시형태에서, 이 간섭계는 그 간섭계의 하나의 광 출력부에서 하나의 편광 모드를 발광하고, 그 간섭계의 다른 출력부에서 상이한 편광 모드를 발광하도록 구성된다.
일부 특정한 제 3 실시형태에서, 광 하이브리드들 중 하나의 광 하이브리드는, 그 광 하이브리드의 상이한 광 출력부들에서 광 강도들을 출력하도록 구성된 평탄 멀티-모드 간섭 디바이스를 포함한다. 광 강도들은, 광 수신기에 의해 수신된 변조 광 캐리어의 상이한 제 1 및 제 2 위상 성분들을 나타낸다.
일부 특정한 제 3 실시형태에서, 광 하이브리드들은 수직 p-n, n-p, n-i-p, 또는 p-i-n 도핑된 반도체 층 구조를 그 내부에 포함한다.
제 4 실시형태에서, 광 수신기는 평탄면을 갖는 기판을 가지는 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로를 포함한다. 그 평탄면을 따라, 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로는 2개의 편광 빔 스플리터들, 2개의 광 하이브리드들, 및 광검출기들을 포함한다. 광 수신기는 광 로컬 오실레이터를 포함한다. 이 회로는 레퍼런스 광 캐리어를 수신하기 위해 접속되는 편광 빔 스플리터들 중 하나의 편광 빔 스플리터의 편광 스플리팅 축과 정렬되지 않은 편광 모드에서 광 로컬 오실레이터로부터 레퍼런스 광 캐리어를 수신하기 위해 접속된다.
일부 특정한 제 4 실시형태에서, 광 로컬 오실레이터로부터 레퍼런스 광 캐리어를 수신하고, 그것의 상이한 편광 모드들을 분리하는 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로의 일부는, 트랜스버스 자기 모드와 트랜스버스 전기 모드 사이에서 그것의 광 에너지를 실질적으로 전송하지 않도록 구성된다.
일부 특정한 제 4 실시형태에서, 각 광 하이브리드는 편광 빔 스플리터들 모두로부터 광 빔들을 수신하고, 상기 수신된 광 빔들의 광을 간섭하며, 상기 간섭된 광을 광 하이브리드의 광 출력부들을 통해 출력하도록 접속된다.
일부 특정한 제 4 실시형태에서, 광 하이브리드들 중 하나의 광 하이브리드는, 광 하이브리드의 상이한 광 출력부들에서 광 강도들을 출력하도록 구성된 평탄 멀티-모드 간섭 디바이스를 포함한다. 광 강도들은 광 수신기에 의해 수신된 변조 광 캐리어의 상이한 제 1 및 제 2 위상 성분들을 나타낸다.
다양한 실시형태들이 예시적인 실시형태들의 도면과 상세한 설명에 설명된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 다양한 형태들로 구현될 수도 있으며, 예시적인 실시형태들의 도면과 상세한 설명에 설명된 실시형태들에 제한되지는 않는다.
도 1a는 코히런트 광 검출을 위해 구성되는 광 수신기의 일 실시형태를 개략적으로 예시하는 평면도이다.
도 1b는 예를 들어, 도 1a의 편광 빔 스플리터(PBS)에 적합한 PBS의 간섭계 실시형태를 개략적으로 예시하는 평면도이다.
도 1c는 예를 들어, 도 1a의 광 하이브리드들과의 사용을 위해 광 하이브리드의 광 출력부로부터 광 강도들을 차등 검출하는 한 쌍의 포토다이오드에 대한 동작 회로의 일 실시형태를 예시하는 회로도이다.
도 2a는 예를 들어, 도 1에서의 라인들 O--O, A--A, B--B, 및/또는 C--C 를 따라 도 1의 패시브 광 도파관들의 일 실시형태의 부분들을 예시하는 단면도이다.
도 2b는 예를 들어, 도 1에서의 라인 D--D 를 따라 도 1의 가변 광 감쇠기의 일 실시형태를 예시하는 단면도이다.
도 2c는 예를 들어, 도 1에서의 라인 E--E 및/또는 F--F 를 따라 도 1의 광검출기들의 일 실시형태를 예시하는 단면도이다.
도 3a는 광 하이브리드, 예를 들어, 도 1a의 광 하이브리드의 일 실시형태를 예시하는 평면도이다.
도 3b는 광 하이브리드, 예를 들어, 도 1a의 광 하이브리드의 다른 실시형태를 예시하는 평면도이다.
도 4a는 도 1a 및 도 2a의 패시브 광 도파관들의 특정한 실시형태를 예시하는 단면도이다.
도 4b는 도 1a 및 도 2c의 광검출기들의 일 실시형태를 예시하는 단면도이다.
도 5는 도 1의 광 수신기의 일 실시형태의 부분을 예시하는 일부의 평면도이다.
다양한 도면들에서, 동일한 참조 번호들과 부호들은 유사하거나 동일한 기능을 갖는 엘리먼트들을 나타낸다.
일부 도면들에서, 일부 피처들의 상대적 사이즈는 당업자에게 이 실시형태들을 더 양호하게 예시하기 위해 확대될 수도 있다.
여기에 설명된 평탄 구조들에서 광의 일부 평탄 전파 모드들을 논의하는 것이 유용할 것이다. 따라서, TE(transverse electric) 광은, 광의 전계가 전파 방향에 수직이고, 또한 통상적으로 기판의 인접한 평탄면에 실질적으로 평행한 최저의 전파 모드를 지칭할 것이다. TM(transverse magnetic) 광은, 광의 자계가 전파 방향에 수직이고, 또한 통상적으로 기판의 인접한 평탄면에 실질적으로 평행한 최저의 전파 모드를 지칭할 것이다. 통상적으로, TE 광 및 TM 광은 평탄 도파관 구조들에서 직교 전파 모드를 형성한다.
도 1a는 수신된 변조 광 캐리어의 2개의 상이한 편광 성분들, 예를 들어, 직교 TE 광 및 TM 광의 코히런트 광 검출을 수행하도록 구성되는 광 수신기(10)의 예를 도시한다. 일부 실시형태들에서, 광 수신기(10)는 수신된 변조 광 캐리어의 실질적인 평면 편광과 실질적으로 독립적인 방식으로 수신된 변조 광 캐리어를 디코딩하는 편광-다이버스(polarization-diverse) 디바이스로서 동작하도록 구성될 수도 있다. 일부 다른 실시형태들에서, 광 수신기(10)는 광 캐리어의 2개의 직교 평면 편광 성분들에 대해 개별적으로 변조되는 제 1 및 제 2 데이터 스트림들을 독립적으로 디코딩하도록 구성될 수도 있다.
또 다른 실시형태들에서, 광 수신기(10)는 예를 들어, 수신된 변조 광 캐리어의 단일 편광 성분만을 디코딩하고, 편광 빔 스플리터들(PBS;18a,18b)을 포함하지 않도록 구성될 수도 있다.
광 수신기(10)는 제 1 광 도파관(12)으로부터 변조 광 캐리어를 수신하고, 제 2 광 도파관(14)으로부터 레퍼런스 광 캐리어를 수신한다. 변조 광 캐리어는 제 1 광 도파관(12)에 의해 광 통신 라인으로부터 전달될 수도 있다. 레퍼런스 광 캐리어는 제 2 광 도파관(14)에 의해 광 로컬 오실레이터(16)로부터 전달될 수도 있다. 광 로컬 오실레이터(16)는 예를 들어, 제 1 광 도파관(12)으로부터 수신된 변조 광 캐리어의 파장 부근에서 레퍼런스 광 캐리어에 대한 코히런트 연속파 광을 생성하는 레이저를 포함할 수도 있다. 실제로, 광 로컬 오실레이터(16)는 변조 광 캐리이에 대해 위상 및/또는 주파수 락(lock)될 수도 있거나 락되지 않을 수도 있다.
제 1 광 도파관(12)은 예를 들어, C-대역 및/또는 L-대역 전기통신 파장에서 단일 모드 동작을 지원하는 표준 송신 광섬유일 수도 있다. 제 1 광 도파관(12)은 예를 들어, 조준 렌즈를 통해 광 수신기(10)에 종단-커플링될 수도 있다.
제 2 광 도파관(14)은 선택된 평면 편광 상태, 예를 들어, TM 광 및 TE 광의 회전에서 광 수신기(10)로 레퍼런스 광 캐리어를 전달할 수도 있다. 예를 들어, 제 2 광 도파관(14)은 예를 들어, 편광 유지 광섬유 또는 접착된 편광 유지 광섬유의 시퀀스일 수도 있다. 제 2 광 도파관(12)은 또한 조준 렌즈를 통해 광 수신기(10)에 종단-커플링될 수도 있다. 제 2 광 도파관(14)은 예를 들어, 제 2 광 도파관(14)의 제 2 종단에서 광 로컬 오실레이터(16)로부터 광을 수신한다.
광 수신기(10)는 기판의 평탄면을 따라 위치된 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로를 포함한다. 집적된 전기 및 광 회로는 편광 빔 스플리터들(PBS;18a,18b); 광 하이브리드(들)(20a,20b); 가변 광 감쇠기들(22a,22b,22c,22d); 및 광검출기들(24a,24b)을 포함할 수도 있으며, 예를 들어, 전자 트랜스임피던스 증폭기들을 포함할 수도 있다.
PBS(18a,18b)를 갖는 실시형태들에서, 제 1 PBS(18a)는 제 1 광 도파관(12)으로부터 변조 광 캐리어를 수신하기 위해 예를 들어, 편광 유지 광 도파관(PMOW)을 통해 접속하며, 제 2 PBS(18b)는 제 2 광 도파관(14)을 통해 광 로컬 오실레이터(16)의 광을 수신하기 위해 유사하게 접속한다.
제 2 광 도파관(14)은 특정한 평면 편광 상태에서 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로로 광을 전달하도록 구성될 수도 있다. 특히, 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로의 광 컴포넌트는 통상적으로, 이러한 수신된 광의 편광 상태를 회전시키지 않을 것이다. 예를 들어, 편광 유지 광 도파관들(PMOW); 편광 빔 스플리터들(PBS;18a,18b); 광 하이브리드(들)(20a,20b); 및 가변 광 감쇠기들(22a,22b,22c,22d)은 통상적으로 이러한 회전을 수행하지 않는다. 즉, 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로와 제 2 PBS(18b)는 트랜스버스 자기 모드와 트랜스버스 전기 모드 사이에서 제 2 광 도파관(14)으로 내부적으로 전달된 광 에너지를 실질적으로 전송하지 않도록 구성된다. 이러한 이유로, 특수한 편광 상태에서 레퍼런스 광 캐리어를 전달하는 것은, 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로에 의해 변조 광 캐리어의 프로세싱에 바람직하고 예측가능하게 영향을 미칠 수도 있다.
하나의 바람직한 전달 모드가 제 2 PBS(18b)의 편광축들에 관하여 약 45도의 각도에서 전달된 레퍼런스 광 캐리어의 편광을 정렬한다. 예를 들어, 제 2 광 도파관(14)은 PBS(18b)의 편광축들에 관하여 약 45도, 예를 들어, 약 40 내지 50도 만큼 경사진 편광으로 레퍼런스 광 캐리어를 PBS(18b)로 전달할 수도 있다. 이러한 전달 구성에 대해, PBS(18b)는 통상적으로 거의 동일한 광 강도들을 광 출력부들 각각으로 전송할 것이다.
상기 구성을 제조하기 위해, 광 로컬 오실레이터(16)는 제 2 광 도파관내의 하나의 편광축을 따라 정렬되는 편광으로 광을 제 2 광 도파관(14)으로 송신하도록 정렬될 수도 있으며, 제 2 광 도파관(14)의 그 편광축은 더 낮은 PBS(18b)의 편광축들에 관하여 약 45도 만큼 경사질 수도 있다. 다르게는, 제 2 광 도파관(14)의 제 1 세그먼트는 PBS(18b)의 편광축들과 정렬된 편광축들을 가질 수도 있지만, 제 2 광 도파관(18b)의 편광축들에 관하여 약 45도에서 편광되는 레퍼런스 광 캐리어의 광을 반송하도록 여기될 수도 있다. 이러한 여기는, 편광 유지 섬유의 제 2 세그먼트의 편광축을 따라 편광되는 광을 송신하도록 광 로컬 오실레이터(16)를 정렬함으로써 발생될 수도 있고, 여기서, 제 2 세그먼트는 2개의 세그먼트들의 편광축들이 약 45도, 예를 들어, 40도 내지 50도 만큼 상대적으로 경사지도록 제 1 세그먼트에 대해 접착된다.
평탄 광 회로의 광 성분들이 편광에 의존하는 삽입 손실들을 가지면, PBS(18b)의 순(pure)편광축들에 관한 전달된 레퍼런스 광 캐리어의 편광의 경사는 45도를 벗어나도록 조절될 수도 있다. 특히, 경사는 평탄 광 회로에서 가장 높은 손실을 경험하는 편광 컴포넌트로 더 많은 광을 커플링하도록 설정될 수도 있다. 이러한 경사는 평탄 광 회로에서 변조 광 캐리어와 믹싱될 때, 레퍼런스 광 캐리어의 2개의 편광들의 강도들을 밸런싱하는 것을 도울 수 있다.
도 1b는 도 1a의 PBS(18a,18b)에 적합할 수도 있는 평탄 PBS(18)의 예를 예시한다. 평탄 PBS(18)는 1×2 입력 광 커플러(IOC), 2×2 출력 광 커플러(OOC), 및 입력 광 커플러(IOC)의 광 출력부들을 출력 광 커플러(OOC)의 광 입력부들에 개별적으로 접속하는 제 1 및 제 2 패시브 내부 광 도파관들(PIOW)을 포함한다. 입력 및 출력 광 커플러들은, 예를 들어, 통상 50/50 전력 광 커플러의 형태를 가질 수도 있다. 제 1 및 제 2 패시브 내부 광 도파관들(PIOW)은 상이한 가로 폭들을 갖는 긴 제 1 및 제 2 세그먼트들(1,2)을 갖는다. 패시브 내부 광 도파관들(PIOW)은 또한, 상이한 가로 폭들을 갖는 세그먼트들을 광 커플러들(IOC,OOC)에 단열적으로 접속하는 광 전이(optical transition) 영역들(5)을 포함한다.
제 1 및 제 2 세그먼트들(1,2)의 가로 폭들에서의 차이는, 제 1 및 제 2 패시브 내부 광 도파관들(PIOW)에서 TE 광 및 TM 광에 대한 상이한 상대적 광 경로 길이들을 발생시킨다. 이들 2개의 광 도파관들 사이에서, TE 광에 대한 상대적 광 경로 길이 차이와 TM 광에 대한 상대적 광 경로 차이의 차는 L[(nTE-nTM)1 - (nTE-nTM)2] 와 거의 동일하다. 여기서, L은 패시브 내부 광 도파관들(PIOW)의 제 1 및 제 2 세그먼트들(1,2)의 길이이고, nTE 및 nTM은 그 안의 각각의 TE 및 TM 광의 굴절률이며, nTE1, nTE2, nTM1, 및 nTM2에서의 아래첨자 "1" 및 "2"는 제 1 및 제 2 패시브 내부 광 도파관들(PIOW)을 각각 지칭한다.
PBS(18)에서, 제 1 및 제 2 세그먼트들(1,2)의 길이(L) 및 폭들은, 출력 광 커플러(OOC)에서 간섭하는 광 사이에서 원하는 상대적 위상차들을 생성하도록 선택된다. 특히, 상대적 위상차들은, 선택된 파장 대역에서, PBS(18)의 제 1 광 출력부(3)가 오직 TE 광만을 실질적으로 발광하고, PBS(18)의 제 2 광 출력부(4)가 오직 TM 광만을 발광하도록 선택된다. 전기통신의 C 대역에서의 광에 대해, TE 광과 TM 광의 이러한 원하는 분리는, 제 1 세그먼트(1)의 리지(ridge)가 약 1.5 내지 2.5 미크론, 예를 들어, 2 미크론의 가로 폭을 갖고, 제 2 세그먼트(2)의 리지가 약 3.5 내지 4.5 미크론, 예를 들어, 4 미크론의 가로 폭을 갖는 경우에 달성될 수 있다. 이러한 코어 폭들은 약 2.5×10- 3 인 세그먼트들(1,2) 사이의 TE 광 및 TM 광에 대한 굴절률 차이를 생성할 수 있다. 그 후, 세그먼트(1,2)의 길이(L)는, TM 광이 출력 광 커플러(OOC)의 제 1 광 출력부(3)에서 상쇄적으로 간섭하고, TE 광이 출력 광 커플러(OOC)의 제 2 광 출력부(4)에서 상쇄 간섭하도록 선택된다. 따라서, 세그먼트들(1,2)의 길이(L) 및 폭들은 PBS(18)로 하여금 편광 모드 분리기로서 기능하게 하도록 선택된다.
PBS에 대한 일부 유사하거나 동일한 구조들 및/또는 이러한 PBS를 제조하고/하거나 사용하는 방법들이 Christopher Doerr에 의해 2008년 8월 19일 출원된 "PLANAR POLARIZATION SPLITTER"라는 명칭의 미국 특허 출원 제12/194,352호에 기재되어 있다. 이러한 특허 출원은 전체적으로 참조로서 여기에 통합된다.
다른 실시형태들에서, 당업자에게 공지되어 있는 다른 평탄 구조가 도 1a의 편광 빔 스플리터들(18a,18b)을 제조하기 위해 사용될 수도 있다.
PBS(18a,18b)의 광 출력부들은 예를 들어, 편광 유지 광 도파관들(PMOW)을 통해 광 하이브리드들(20a,20b)의 광 입력부들에 접속한다.
각 광 하이브리드(20a,20b)는 2개의 광 입력부들 및 2개 쌍의 광 출력부들을 갖고, 하나의 광 입력부에 수신되는 레퍼런스 광 캐리어의 광의 편광 모드를 다른 광 입력부에 수신되는 변조 광 캐리어의 광의 동일한 편광 모드와 믹싱하도록 구성된다. 즉, 각 광 하이브리드(20a,20b)는 2개의 PBS(18a,18b)의 대응하는 출력부들로부터 광의 실질적으로 동일한 편광 모드를 수신하고 간섭하도록 접속된다. 이러한 이유로, 각 PBS(18a,18b)는 그것의 하나의 광 출력부상에 고순도의 편광 모드를 제공하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, PBS(18a)는 제 1 광 하이브리드(20a)에 커플링된 광 출력부상에 고순도의 TE 광을 생성하도록 구성될 수도 있고, PBS(18b)는 제 2 광 하이브리드(20b)에 커플링된 광 출력부상에 고순도의 TM 광을 생성하도록 구성될 수도 있다. PBS(18a,18b)에 대한 이러한 설계는, 각 광 하이브리드(20a,20b)에 의해 출력된 광이 단일 편광 모드의 측정을 제공한다는 것을 보장하는데 유용할 수도 있다. 도 1b의 PBS(18)에서, 이러한 선택적인 고출력 편광 순도는, 패시브 내부 광 도파관(PIOW)의 2개의 세그먼트(1,2)의 상대적 길이를 약간 조절함으로써 생성될 수도 있다.
각 광 하이브리드(20a,20b)는, 그 차이가 변조 광 캐리어의 관련 편광 모드의 동위상 성분의 강도에 거의 비례하는 광 강도들을 제 1 쌍의 광 출력부에서 발광하고, 그 차이가 변조 광 캐리어의 동일한 편광 모드의 직교 위상 성분의 강도에 거의 비례하는 광 강도들을 별개의 제 2 쌍의 광 출력부들에서 발광하도록 구성된다. 즉, 수신된 변조 광 캐리어에 매칭된 광 로컬 오실레이터 주파수 및 위상에 대해, 하나의 쌍의 광 출력부들은 변조 광 캐리어의 동위상 성분의 차동 검출을 가능하게 하며, 다른 쌍의 광 출력부들은 상대적으로 90 또는 270도 지연된 위상 성분, 즉, 변조 광 캐리어의 직교 위상 성분의 차동 검출을 제공한다.
일부 다른 실시형태들에서, 광 하이브리드들(20a,20b)은 단일-엔드형(single-ended) 검출(미도시)에 적합한 방식으로 구성될 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 각 광 하이브리드(20a,20b)의 제 1 광 출력부로부터의 광 강도는 수신된 변조 광 캐리어의 하나의 편광 모드의 동위상 성분의 강도에 거의 비례한다. 이러한 실시형태에서, 각 하이브리드(20a,20b)의 제 2 광 출력부에 의해 출력된 광 강도는 변조 광 캐리어의 동일한 편광 모드의 직교 위상 성분의 강도에 거의 비례한다.
각 광 하이브리드(20a,20b)는, 수신된 변조 광 캐리어와 레퍼런스 광 캐리어의 광이 간섭하는 광 출력부들을 갖는다. 예를 들어, 다른 단일-엔드형 실시형태들의 한 쌍의 광 출력부들 또는 단일 광 출력부에서, 간섭은 그 강도가 변조 광 캐리어의 하나의 위상 성분의 측정치인 광을 생성한다. 다른 쌍의 광 출력부들 또는 단일 광 출력부(미도시)에서, 간섭은 광 강도가 변조 광 캐리어의 다른 위상 성분의 측정치를 제공하도록 상이한 상대적 위상차, 예를 들어, 약 90도의 상대적 위상으로 수행된다. 예를 들어, 2개의 측정된 위상 성분들은 변조 광 캐리어의 동위상 및 직교 위상 성분들일 수도 있다.
광 하이브리드들(20a,20b)의 광 출력부들의 일부 또는 전부는 대응하는 가변 광 감쇠기들(VOA;22a,22b,22c,22d)에 직렬로 접속될 수도 있다. VOA(22a 내지 22d)는 광 출력부들 중 개별의 광 출력부들에서 생성된 광 강도들의 조절을 가능하게 한다. 예를 들어, 광 하이브리드들(20a,20b)의 각 광 출력부는 도 1a에 예시된 바와 같이 별개의 VOA(22a 내지 22d)에 접속할 수도 있어서, 광 출력부들의 세트로부터의 광 강도들은 예를 들어, VOA(22a 내지 22d)로 광을 송신하는 개별 광 도파관들에서 임의의 세트의 시간 평균된 광 강도들에 응답하여 실질적으로 동일하도록 개별적으로 조절될 수도 있다. VOA(22a 내지 22d)의 이러한 구성은 광 하이브리드들(20a,20b)의 광 출력부에 의해 발광된 상대적 광 강도들에서의 변동들을 정정하도록 구성될 수 있고, 여기서, 이 변동들은 광 수신기(10)의 제조 에러들 및/또는 사용 관련 노화에 의해 초래된다.
VOA(22a 내지 22d)의 예들은, 광 감쇠의 변화하는 양을 제공하기 위해 전기적으로 동작될 수 있는 광검출기들에 대한 수직 구조를 포함한다. 이러한 수직 구조에서, 도파관 리지의 층의 대역 에지를 시프트시키기 위해 전압이 도파관 리지 양단에 인가될 수 있어서, 대역갭이 광 수신기(10)에 의해 프로세싱된 광의 단일 광자의 에너지 보다 작아짐으로써 층에서의 광 흡수를 초래한다.
각 광검출기(24a,24b)는 광 하이브리드들(20a,20b) 중 하나의 광 하이브리드의 대응하는 광 출력부에 의해 발광되는 광 강도를 검출하기 위해 위치되고 구성된다. 개별 광검출기들(24a,24b)은 예를 들어, 포토트랜지스터들 또는 포토다이오드들일 수도 있다. 광검출기들(24a, 24b)은 예를 들어, 광 하이브리드들(20a,20b)의 대응하는 광 출력부들의 각 쌍으로부터 광 강도의 차동 검출을 제공하기 위해, 쌍들로 접속될 수도 있고, 예를 들어, 순차적으로 접속된 포토다이오드일 수도 있다. 다르게는, 광검출기들(24a,24b)은 또한, 광 하이브리드들(20a,20b)(미도시)의 광 출력부들 중 개별적 광 출력부에 의해 발광된 광 강도들의 직접 측정을 가능하게 하기 위해 접속되는 단일 엔드형 포토다이오드들 또는 포토트랜지스터들일 수도 있다.
다양한 실시형태들에서, 광검출기들(24a,24b)은 수신된 변조 광 캐리어의 상이한 위상 성분들, 예를 들어, 동위상 및 직교 위상 성분들에 대해 변조되는 데이터의 검출을 가능하게 하는 광 강도들을 측정한다. 상이한 광 하이브리드들(20a, 20b)의 광 출력부들에 접속된 광 검출기들(24a,24b)은, 수신된 변조 광 캐리어의 상이한 편광 모드들, 예를 들어, TE 모드 및 직교 TM 모드에 대해 변조된 데이터에 대응하는 광 강도들을 측정한다.
광검출기들(24a,24b)은 그것의 측정치들을 프로세싱하기 위한 회로, 예를 들어, 아날로그-디지털 컨버터들(미도시) 및 디지털 신호 프로세서(들)(DSP;26) 에 다양한 방식으로 접속할 수 있다. 먼저, 이 회로는 수신된 변조 광 캐리어에 의해 반송된 데이터 스트림의 편광 다이버스 검출 및 디코딩을 제공할 수도 있다. 다음으로, 이 회로는 수신된 변조 광 캐리어의 상이한 편광 모드, 예를 들어, TM 모드 및 TE 모드에 대해 변조되는 독립적인 데이터 스트림들의 검출 및 디코딩을 교호로 제공할 수도 있다.
도 1c는 도 1a의 광검출기들(24a,24b)의 일 실시형태에 대한 동작 회로의 일 실시형태를 도시한다. 이러한 실시형태에서, 각 광검출기(24a,24b)는 포토다이오드이고, 이 포토다이오드들은 광 하이브리드들(20a,20b)의 광 출력부로부터의 광의 차동 검출을 제공하는 직렬로 접속된 쌍들로 접속된다. 각 직렬로 접속된 쌍에서, 외부 단자들이 ±V 단자들로서 예시된 DC 전압 드라이버 양단에 접속된다. 각 직렬로 접속된 쌍의 외부 단자들은 또한, DC 아이솔레이션 커패시터(C1)를 통해 접지(G)에 접속된다. DC 아이솔레이션 커패시터(C1)는 직렬로 접속된 포토다이오드들(24a,24b)의 상이한 쌍들 사이에서 공유될 수도 있다. 외부 단자들은 또한, 고주파수 신호들의 검출을 컷오프(cut off)하는 커패시터(C2) 양단의 직렬로 접속된 포토다이오드(24a,24b) 의 각 쌍에 접속할 수도 있다. 커패시터(C2)는 또한, 직렬로 접속된 포토다이오드(24a,24b)의 상이한 이러한 쌍들 사이에서 공유될 수도 있다. 각 쌍의 직렬로 접속된 포토다이오드들(24a, 24b) 사이의 단자(S)는 그 쌍의 포토다이오드들(24a,24b)에 의해 검출된 광 강도들 사이의 차이를 나타내는 전류를 반송한다. 이러한 단자는 전기적 출력 신호를 제공하기 위해 전기적 증폭기(AMP), 예를 들어, 트랜스임피던스 전기적 증폭기에 접속할 수도 있다. 전기적 증폭기(AMP)는 예를 들어, 디지털화된 상태 신호로부터의 데이터 스트림을 디코딩하기 위해 DSP(26)에 의한 프로세싱 이전에 디지털화용 아날로그-디지털 컨버터(A/D)로 상기 전기적 출력 신호를 송신할 수도 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 레퍼런스 광 캐리어와 수신된 변조 광 캐리어 사이의 완벽한 주파수, 위상, 및/또는 편광 매칭의 부족으로 인해, 디지털 신호 프로세서(들)(DSP(들);26)는 또한, 이러한 완벽한 주파수, 위상, 및/또는 편광 매칭의 부족을 보상하도록 구성될 수도 있다. 이러한 이유로, DSP(들)(26)은 광검출기들(24a,24b)의 대응하는 세트들로부터 증폭되고 디지털화된 전기적 출력 신호들을 수신하고, 상기 디지털 전기적 출력 신호에 대한 이러한 보상을 수행할 수도 있다. 이러한 DSP(26)에 대한 설계들의 예를, Ut-Va Koc에 의해 2006년 12월 22일 출원된 미국 특허 출원 제11/644,555호; Young-Kai Chen 등에 의해 2005년 8월 15일 출원된 미국 특허 출원 제11/204,607호; 및 Young-Kai Chen 등에 의해 2006년 12월 22일 출원된 미국 특허 출원 제11/644,536 호 중 하나 이상에서 찾을 수도 있다. 이들 3개의 특허 출원들은 참조로서 여기에 전체적으로 통합된다.
광 수신기(10)는 도 2a, 도 2b, 및 도 2c에 의해 예시된 바와 같이 단일 반도체 또는 유전체 평탄 기판(30)상에 계층화된 구조로 PBS들(18a,18b), 광 하이브리드들(20a,20b), VOA들(22a 내지 22d), 및 광검출기들(24a,24b)을 모놀리식으로 집적하는 평판 광 및 전기 집적 회로를 포함할 수도 있다. 다른 관련 전기 회로, 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c에 예시된 바와 같은 전기 증폭기들(AMP), 아날로그-디지털 컨버터들(A/D) 및 DSP(들)가 동일한 기판(30)상에 모놀리식으로 집적될 수도 있거나 집적되지 않을 수도 있다. 모놀리식 집적 형태의 이러한 믹싱된 전기 및 광 회로들의 제조는 코히런트 광 검출기(10)의 생산 수율을 개선시킬 수도 있고/있거나 제조 비용을 감소시킬 수도 있다.
도 2a는 예를 들어, 도 1a에서의 단면들(O--O, A--A, B--B, 및 C--C)을 따라, 도 1a의 광 수신기(10)의 패시브 및 편광 유지 평탄 광 도파관 부분들에 대한 수직 층 구조의 예를 예시한다. 각 평탄 광 도파관은 기판(30)상에 위치되는 리지(32) 형태를 가질 수도 있다. 각 리지(32)는 광 코어 층(34) 및 상부 및 하부 클래딩 층들(36,37)을 포함한다. 리지(32)는 예를 들어, 광 수신기(10)에 대한 편평한 상부 표면을 제조하기 위해 평탄화되는 외부 광 클래딩 층(38)에 의해 커버될 수도 있다.
리지(32)는 그것의 다양한 층들(34,36,37)에서 복수의 화합물 반도체 합금들을 포함한다. 리지(32)는 예를 들어, 적절한 도핑으로 인한 전기적 다이오드의 수직 구조를 갖는다. 상부-하부 수직 도핑 구조를 p-형(p)/진성(intrinsic)(i)/n-형(n)으로서 도 2a에 예시하였지만, 다른 실시형태들이 다른 상부-하부 수직 도핑 구조, 예를 들어, p-n, n-i-p, 또는 n-p를 가질 수도 있다. 또한, 기판(34)의 상위 반도체 부분(39)은 적절하게는 p-형 또는 n-형 층일 수도 있다. 외부 광 클래딩 층(38)은 리지(32)의 반도체 보다 낮은 굴절률의 임의의 광학적으로 투과적인 재료, 예를 들어, BCB(benzocylcobutene) 폴리머, 도핑되거나 도핑되지 않은 실리카 유리, 또는 규소 질화물일 수도 있다. 외부 광 클래딩 층(38)은 그 상부에 편평한 노출된 표면을 제조하기 위해 화학적-기계적 연마(CMP)와 같은 종래의 프로세스에 의해 평탄화될 수도 있다.
도 2b는 예를 들어, 단면(D--D)을 따라 도 1a의 가변 광 감쇠기들(VOA; 22a 내지 22d) 중 하나의 수직 층 구조의 단면을 예시한다. 또한, 각 VOA(22a 내지 22d)는 리지(32)의 상부상에 상부 도전 전극(40) 및 기판(30)의 상위 반도체 부분(39)을 따라 하나 이상의 하부 도전 전극(42)을 포함한다. 하나 이상의 하부 도전 전극(42)은 반도체 리지들(32) 중 대응하는 하나의 리지의 하나 또는 모든 가로 경계들을 따라 또는 그 근처에 위치된다. 상부 및 하부 전극들(40,42)은 동작 동안 반도체 리지(32)와 관련된 전기적 다이오드 구조 양단에 전압의 인가를 가능하게 하기 위해 배치된다. 그 결과적인 전계가 예를 들어, Franz-Keldysh 효과를 통해 VOA의 리지(32)를 따라 전파하는 광 신호의 감쇠를 초래한다.
VOA들(22a 내지 22d)이 Franz-Keldesh 효과를 통해 광을 감쇠시키도록 구성되기 때문에, 도 2a 내지 도 2b의 VOA들(22a 내지 22d) 및 패시브 광 도파관들의 예시된 수직 도핑 프로파일은 다른 수직 도핑 프로파일로 대체될 수도 있다. 특히, 대안의 실시형태에서, 도 2a 내지 도 2b의 p-i-n 수직 도핑 프로파일은 n-i-n 수직 도핑 프로파일 또는 p-i-p 수직 도핑 프로파일 중 하나로 대체될 수도 있다.
도 2c는 예를 들어, 도 1a에서의 단면들(E--E 및 F--F)에 따른 도 1a의 광검출기들(24a 내지 24b)의 실시형태에서의 층 구조의 단면을 예시한다. 이러한 실시형태에서, 각 광검출기(24a 내지 24b)는 도 2a의 반도체 층 뿐만 아니라 추가의 반도체 층(들)(43,44)을 포함하는 전기적 다이오드의 수직 층 구조를 갖는다. 추가의 층(들)(43,44)은, 전하 캐리어 쌍들의 광-여기(photo-excitation)가 포토다이오드들(24a 내지 24b)에서 전파하는 광을 검출하기 위한 전류 또는 전압을 생성할 수 있게 한다. 예를 들어, 추가의 반도체 층들(43,44) 중 하나 이상은 도 2a에 의해 예시된 패시브 광 도파관들에서의 리지(32) 보다 낮은 대역 갭 에너지를 갖는 반도체 합금으로 형성될 수도 있다. 이러한 상이한 반도체 합금들 중 하나 이상은 예를 들어, 전기 통신 C-대역 및/또는 L-대역에서 광자의 에너지 보다 작은 대역 갭을 가질 수도 있어서, 이들 전기통신 대역들 중 하나에서 광검출기로서의 동작을 가능하게 한다.
도 2c에서, 포토다이오드들(24a 내지 24b)의 수직 층 구조는 또한 통상적으로, 평탄화/외부-광 클래딩 층(38)과 상부 및 하부 도전 전극들(40,42)을 포함한다. 평탄화/외부-광 클래딩 층(38)은 광 코어 보다 낮은 굴절률을 갖고, 도 2a 내지 도 2b의 외부 클래딩 층(38)과 동일한 조성을 갖거나 갖지 않을 수도 있다. 상부 도전 전극(40)은 대응하는 반도체 리지(32)의 상부상에 위치된다. 하나 이상의 하부 도전 전극(42)이 대응하는 반도체 리지(32)의 하나 또는 모두의 가로 경계들을 따라 또는 그 근처의 상부 반도체 층(39)상에 위치된다.
도 3a는 도 1a의 광 하이브리드들(20a,20b)에 적합할 수도 있는 90도 광 하이브리드(20)의 평탄 구조의 예를 예시한다. 광 하이브리드(20)는 2개의 1×2 또는 2×2 입력 광 커플러들(52), 2개의 2×2 출력 광 커플러들(54), 4개의 패시브 내부 광 도파관들(PIOW), 및 위상 시프터(56)를 포함한다. 4개의 패시브 내부 광 도파관들(PIOW)은 입력 광 커플러들(52)의 광 출력부들을 출력 광 커플러들(54)의 광 입력부들에 개별적으로 접속한다. 위상 시프터(56)는 제 1 출력 광 커플러(52) 및 제 2 출력 광 커플링(54)에 전달되는 레퍼런스 광 캐리어의 광 사이에서 약 90도의 상대적 위상 시프트를 초래하도록 구성되고, 후술하는 바와 같이 일부 실시형태들에서 조절가능할 수도 있다. 상대적 위상 시프트로 인해, 제 1 및 제 2 출력 광 커플러들(54)의 광 출력부들로부터의 광의 강도들은 수신된 변조 광 캐리어의 상이한 위상 성분들, 예를 들어, 90도 상대적 위상 시프트에 대한 동위상 및 직교 위상 성분들에 대해 변조된 데이터의 측정치들을 제공한다. 다양한 광 커플러들(52,54)은 광 커플러의 각 광 입력부로부터 각 광 출력부로 수신된 광 강도의 약 50%를 향하게 하는 종래의 50/50 광 커플러들일 수도 있다. 각 출력 광 커플러(54)는 그 내부에 입력된 2개의 광 신호들의 합을 광 커플러의 광 출력부로 송신하고, 그 내부에 입력된 2개의 광 신호의 차이를 광 커플러의 다른 광 출력부로 전송한다. 이러한 광 커플러들(52, 54)의 제조가 당업자에게 널리 공지되어 있다.
일부 실시형태들에서, 위상 지연(56)은 가변일 수도 있으며, 위상 지연에 전기적으로 또는 광학적으로 커플링된 외부 제어기(미도시)에 의해 제어될 수도 있다. 예를 들어, 외부 제어기는 예를 들어, 포토다이오드들(24a,24b)의 쌍에 의해 측정된 광 강도들에 기초하여, 직렬로 접속된 포토다이오드들(24a,24b)의 2개의 상이한 쌍들에 의해 샘플링된 변조 광 캐리어의 부분들의 상대적 위상의 시간-평균된 측정을 수행할 수도 있다. 이러한 측정은 동작 동안 광 하이브리드(20)의 위상 지연(56)을 조절하기 위해 이러한 외부 제어기에 의해 피드백될 수도 있다. 위상 지연(56)의 이러한 피드백 조절은 90도의 상대적 위상을 갖는 변조 광 캐리어의 위상 성분들, 예를 들어, 동위상 및 직교 위상 성분들을 더 양호하게 구별하는 광 하이브리드들(20a,20b)을 생성할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 2a 및 도 2c의 광 및 전기 컴포넌트들의 일 실시형태를 도시한다. 이들 실시형태들은 전기적으로 절연 또는 반-절연인 결정성 화합물 반도체 기판(30)상에서 제조될 수도 있다. 여기서, 기판(30)은 종래의 인듐 인화물(InP) 기판일 수도 있다.
도 4a는 도 2a의 패시브 광 도파관 구조에 대한 수직 반도체 층 구조의 예를 예시한다. 예시적인 Fe-도핑된 절연 또는 반-절연 InP(Fe-InP) 기판(30)상에서, 리지(32)의 하부-상부 층 구조는 n-형 InP(n-InP)의 하부 층(37), i-InGaAsP(indium gallium arsenide phosphate)의 중간 진성 층(34), i-InP(indium phosphide)의 중간 진성 층(36a), 및 p-InP(p-type indium phosphide)의 상부 층(36a)을 포함할 수도 있다. n-InP의 결합된 하부 층(39,37)은 예를 들어, 리지(32)의 내부 및 아래의 영역에서 약 1.5마이크로미터(㎛)의 두께를 갖고, 세제곱 센티미터 당 약 1×1018 규소(Si) 원자의 n-형 도펀트 농도를 갖는다. i-InGaAsP의 중간 층(34)은 예를 들어, 0.1 내지 0.3㎛, 예를 들어, 약 0.17㎛의 두께를 갖는다. i-InGaAsP(34)의 중간 층(34)은 전기통신의 C-대역에서의 임의의 단일 광자의 에너지 보다 큰 대역갭을 생성하는 합금 조성을 갖고, 예를 들어, 대역갭은 그 파장이 1.4㎛인 광자의 에너지일 수도 있다. i-InGaAsP 층(34)의 대역갭 파장은, i-InGaAsP 층(34)이 도파관의 코어로서 작용하기 때문에, InP의 대역갭 파장 보다 크다. i-InP의 중간 층(36a)은 예를 들어, 약 0.450㎛ 내지 0.500㎛의 두께를 갖는다. p-InP의 상부 층(36b)은 예를 들어, 약 1.3㎛의 두께 및 세제곱 센티미터 당 약 1×1018 내지 2×1018 아연(Zn) 원자의 p-형 도펀트 농도를 갖는다.
수직 반도체 층 구조의 이러한 예에서, InP 층 및 InGaAsP 층 양자는, 광 수신기(10)가 동작하도록 구성되는 전기통신 파장에서 단일 광자의 에너지 보다 큰 대역갭을 갖도록 구성된다. 이러한 이유로, 이러한 실시형태의 패시브 광 도파관들은 관련된 광 통신 파장들에서 광학적으로 투과성이다.
이러한 동일한 실시형태에서, 도 2a에 예시된 바와 같은 패시브 광 도파관들은 BCB, 도핑된 규소 이산화물, 규소 질화물, 또는 폴리이미드의 패시브화(passifying) 층(38)에 의해 커버된다.
이러한 동일한 실시형태에서, 도 1a의 광 하이브리드들(20a,20b)은 도 4a와 동일하거나 유사한 수직 반도체 층 구조를 가질 수도 있다. 이러한 수직 반도체 층 구조에 대해, 도 3b는 광 멀티-모드 간섭 디바이스에 기초하는 광 하이브리드들(20a,20b)에 대한 일 실시형태(20')를 예시한다.
광 하이브리드(20')는 그것의 제 1 단부에서 편광 유지 광 도파관들(PMOW)에 대한 개별 광 입력부들 및 그것의 제 2 단부에서 편광 유지 광 도파관들(OW)에 대한 4개의 광 출력부들을 갖는 직사각형 자유 공간 광 영역(58)을 포함한다. 광 전기통신의 C-대역에서의 동작 파장들에 대해, 직사각형 자유 공간 광 영역(58)은 약 1.1밀리미터의 길이(L), 및 약 24㎛의 폭(W)을 가질 수도 있다. 이러한 선택된 동작 파장에 대해, 직사각형 자유 공간 광 영역(58)은 약 4.0㎛의 가로 폭들을 갖는 광 입력부들 및 출력부들을 갖는다. 광 입력부들 및 출력부들은 직사각형 자유 공간 광 영역(58)의 각 단부에서 동일한 사이즈 및 배치를 가지며, 직사각형 자유 공간 광 영역(58)의 중심라인(CL) 주위에 대칭으로 배치된다. 특히, 직사각형 자유 공간 광 영역(58)의 2개의 단부에서, 광 입력부들 및 출력부들 중 2개의 중심은 중심라인(CL)으로부터 약 2.7㎛ 이격되어 있고, 광 입력부들 및 출력부들 중 다른 2의 중심은 중심라인(CL)으로부터 약 9.3㎛ 이격되어 있다.
광 하이브리드(20')는 많은 모드들이 직사각형 자유 공간 광 영역(58)에서 전파하는 것을 가능하게 하도록 구성된다. 동작 파장 범위에서, 광 하이브리드들(20a,20b)의 이러한 실시형태의 지오메트리는, 데이터 변조 광 캐리어의 광 빔 및 레퍼런스 광 캐리어의 광 빔이 좌측으로부터 광 입력부들(A 및 B)로 각각 주입되도록 되어 있다. 이러한 배열에 대해, 우측 광 출력부들(A' 및 D')로부터의 광 강도들에서의 차이는 변조 광 캐리어의 동위상 성분의 측정치를 제공할 수 있고, 우측 광 출력부들(B' 및 C')로부터의 광 강도들에서의 차이는 변조 광 캐리어의 직교 위상 성분의 측정치를 제공할 수 있다.
당업자는 다른 선택된 파장 대역, 예를 들어, 광 전기통신의 L-대역에서 동작하기 위해 도 3b의 광 하이브리드(20')의 설계를 변형할 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 변형은 동작을 위해 선택된 파장을 갖는 광 하이브리드(20)의 광 피처의 가로 치수를 스케일링하는 것을 수반할 수 있다.
동일한 실시형태에서, 도 2b의 VOA들(22a 내지 22d)은 또한, 도 4a에 도시된 수직 반도체 층 구조를 가질 수도 있다. VOA들(22a 내지 22d)은 또한 상부 및 하부 도전 전극들(40,42)을 갖는다. 상부 및 하부 도전 전극들(40,42)은 예를 들어, 세제곱 센티미터 당 약 1×1018 내지 2×1019 아연(Zn) 원자의 농도에서, 예를 들어, Si 및 Zn 으로 각각 도핑된 고도핑(heavily doped) InGaAs로 형성될 수도 있다.
도 4b는 도 4a의 동일한 실시형태에 있어서 도 2c의 포토다이오드들(24a 내지 24b)에 대한 수직 반도체 층 구조의 예를 예시한다. 예시적인 Fe-도핑된 InP 기판(30)상에서, 포토다이오드들(24a 내지 24b)에 대한 리지(32)는 도 3a의 하부 n-InP 층(들)(37,39), 및 중간 i-InGaAsP 층(34), 즉, 패시브 광 도파관들의 i-형 및 n-형 반도체 층들을 포함하는 수직 반도체 층 구조를 갖는다. 하부로부터 상부로, 포토다이오드들(24a 내지 24b)의 수직 반도체 층 구조는 다음으로, i-InP의 얇은 스페이서 또는 배리어 층(34a), InGaAs의 층(44), p-형 InP의 층(43), 및 고 p-도핑된 InGaAs의 상부 층(40)을 포함한다. i-InP의 스페이서 또는 배리어 층(34a)은 예를 들어, 약 0.010㎛의 두께를 갖는다. InGaAs의 층(44)은 예를 들어, 0.300㎛의 두께를 갖는다. InGaAs의 층(44)에서, 하위의 2/3는 진성으로 도핑되며, 상위의 1/3은 예를 들어, 세제곱 센티미터 당 약 1×1017 Zn 원자로 p-형 도핑된다. p-형 InP 층(43)은 예를 들어, 세제곱 센티미터 당 약 1×1018 Zn 원자로 도핑되는 하위 0.100㎛ 두께 부분, 및 세제곱 센티미터 당 약 1×1018 내지 2×1018 Zn 원자로 도핑되는 상위 1.3㎛ 두께 InP 층을 갖는다. 고 p-도핑된 InGaAs의 상부 도전 층(40)은 세제곱 센티미터 당 약 1×1019 Zn 원자로 도핑될 수도 있다.
도 3b 및 도 4a 내지 도 4b에 관하여, 다양한 구조들은 마이크로 전자 제조 기술의 당업자에게 공지되어 있는 종래의 증착, 화합물 반도체 성장, 도핑, 어닐링, 및 마스크-제어된 에칭 프로세스로 형성될 수도 있다. 다양한 프로세스들에서, 층 성장 및 도핑의 순서 및 에칭의 프로세스는 예시된 반도체 구조들을 생성하기 위해 상이한 순서로 수행될 수도 있다.
도 5는 도 1a 및 도 2a 내지 2c의 광 수신기(10)의 전기적으로 절연된 측면으로 인접한 포토다이오드들(24a,24b)에 대한 예시적인 구조를 예시한다. 이 구조는 각 포토다이오드(24a,24b) 및 거기에 커플링된 인접 편광 유지 광 도파관(PMOW) 주위의 긴 U-형 트렌치(60)를 에칭하는 것을 포함한다. U-형 트렌치들(60) 각각은 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c의 절연 또는 반-절연 기판(30)을 향해 아래로 중간 반도체 층들을 통과한다. 이러한 이유로, U-형 트렌치(60)는 상이한 포토다이오드들(24) 사이의 누설 전류에 대한 전기적 경로들을 실질적으로 차단한다.
도 5의 실시형태에서, 편광 유지 광 도파관들(PMOW)의 경로를 따라 일부 누설이 여전히 존재한다. 이러한 누설은, 트렌치들(60)이 편광 유지 광 도파관들(PMOW)의 충분한 세그먼트들을 따라, 예를 들어, 1mm 보다 크게 연장하는 경우, 및 트렌치 벽이 도파관에 충분하게, 예를 들어, 7 미크론 보다 작게 인접한 경우에 작다. 이러한 상황에서, 이러한 누설 경로들의 저항은, 상이한 포토다이오드들(24) 사이의 전기적 크로스토크(electrical crosstalk)를 무시할 수 있는 레벨로 감소시키기에 충분히 크다(예를 들어, 1 킬로옴 보다 크다).
도 5에 관하여, U-형 트렌치들(60)은 종래의 마스크-제어된 습식 에칭 프로세스를 통해 제조될 수도 있다. 예를 들어, 습식 에칭은 HBr 및/또는 HCl, H2O2 및 아세트산의 수용액으로 수행될 수도 있다.
본 개시물, 도면들, 및 청구범위로부터, 본 발명의 다른 실시형태들이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 평탄면을 갖는 기판을 포함하고, 상기 평탄면을 따라, 적어도 광 하이브리드, 하나 이상의 가변 광 감쇠기들, 및 광검출기들을 갖는 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로를 포함하고,
    상기 광 하이브리드는 광 빔들을 수신하고, 복수의 상대적 위상을 갖는 상기 수신된 광 빔들의 광을 간섭하며, 상기 광 하이브리드의 광 출력부들을 통해 상기 간섭된 광을 출력하도록 접속되고, 상기 하나 이상의 가변 광 감쇠기들 각각은 상기 광 출력부들 중 대응하는 광 출력부와 상기 광검출기들 중 대응하는 광검출기 사이에 접속하는
    광 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 하이브리드의 상기 광 출력부들 중 제 1 광 출력부에 의해 상기 광검출기들 중 하나의 광검출기로 전달된 시간-평균된 광 강도와 상기 광 하이브리드의 상기 광 출력부들 중 제 2 광 출력부에 의해 상기 광검출기들 중 다른 광 검출기로 전달된 시간-평균된 광 강도 사이의 차이를 보상하기 위해 상기 가변 광 감쇠기들을 동작시키도록 접속된 피드백 제어기를 더 포함하는
    광 수신기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광 하이브리드는, 상기 광 하이브리드의 상이한 광 출력부들에서 광 강도들을 출력하도록 구성된 평탄 멀티-모드 간섭 디바이스를 포함하고, 상기 광 강도들은 상기 광 수신기에 의해 수신된 변조 광 캐리어의 상이한 제 1 위상 성분 및 제 2 위상 성분을 나타내는
    광 수신기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광검출기들에 의해 상기 변조 광 캐리어의 동위상 성분 및 직교 위상 성분의 광 강도들의 측정치의 시간-평균들 사이의 불균형을 감소시키는 방식으로 상기 광 하이브리드에서 위상 시프터를 동작시키도록 접속된 피드백 제어기를 더 포함하는
    광 수신기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로는 상기 평탄면을 따라, 한 쌍의 편광 빔 스플리터들, 제 2 광 하이브리드, 하나 이상의 제 2 가변 광 감쇠기들, 및 제 2 광검출기들을 더 포함하고,
    상기 제 2 가변 광 감쇠기들 각각은 상기 제 2 광 하이브리드의 대응하는 광 출력부와 상기 제 2 광검출기들 중 대응하는 제 2 광검출기 사이에 접속되며,
    각 광 하이브리드는 편광 빔 스플리터들 양자로부터 광을 수신하도록 접속되는
    광 수신기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로는 2개의 편광 빔 스플리터들을 포함하고,
    각 광 하이브리드는 편광 빔 스플리터들 양자로부터 광 빔들을 수신하도록 접속되며,
    각 편광 빔 스플리터는 간섭계를 포함하고, 상기 간섭계는 입력 광 커플러, 출력 광 커플러, 및 상기 입력 광 커플러의 광 출력부들을 상기 출력 광 커플러의 대응하는 광 입력부들에 접속하는 2개의 내부 광 도파관들을 포함하며, 상기 2개의 내부 광 도파관들은 상이한 가로 폭들을 갖는
    광 수신기.

  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 간섭계는, 상기 간섭계의 하나의 광 출력부에서 하나의 편광 모드를 발광하고, 상기 간섭계의 다른 광 출력부에서 상이한 편광 모드를 발광하도록 구성되는
    광 수신기.
  8. 평탄면을 갖는 기판을 갖고, 상기 평탄면을 따라, 2개의 편광 빔 스플리터들, 2개의 광 하이브리드들, 및 광검출기들을 포함하는 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로와,
    레퍼런스 광 캐리어를 수신하도록 접속된 상기 편광 빔 스플리터들 중 하나의 편광 빔 스플리터의 편광 스플리팅 축과 정렬되지 않은 편광 모드에서 광 로컬 오실레이터로부터 상기 레퍼런스 광 캐리어를 수신하도록 접속된 상기 광 로컬 오실레이터를 포함하는
    광 수신기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 로컬 오실레이터로부터 상기 레퍼런스 광 캐리어를 수신하고, 상기 레퍼런스 광 캐리어의 상이한 편광 모드들을 분리하는 상기 모놀리식으로 집적된 전기 및 광 회로의 일부가, 트랜스버스(transverse) 자기 모드와 트랜스버스 전기 모드 사이에서 상기 레퍼런스 광 캐리어의 광 에너지를 실질적으로 전송하지 않도록 구성되는
    광 수신기.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    각 광 하이브리드는, 편광 빔 스플리터들 모두로부터 광 빔들을 수신하고, 상기 수신된 광 빔들을 간섭하며, 상기 광 하이브리드의 광 출력부들을 통해 상기 간섭된 광을 출력하도록 접속되는
    광 수신기.
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