201246736 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關光學組件。 【先前技術】 光學預放大被廣泛地使用來例如增加光學接收器的敏 感度，以改進數位通訊系統中透過光纖之資料傳輸的距離 。於此種系統中，成本通常是應該被考慮的重要問題。在 這方面，半導體光學放大器（後文亦稱爲SOA)與光偵測 器之單晶集成於一個InP單晶中變得特別重要，此乃因爲 其可能有助於減少接收器端的成本及其尺寸大小。 【發明內容】 在說明本發明之實施例之前，提供已知的解決方案之 簡短介紹。 已知有三個解決方案被使用於S Ο A與光偵測器之單 晶集成： 第一解決方案使用與藉由側向錐形部而被垂直耦接之 深脊式光二極體（PD )相耦接的淺脊式SOA，其分別允許 SO A與PD之垂直磊晶結構之單一步驟生長的製程。然而 ，於此種已知的解決方案中，S0A與光二極體之間的耦接 典型上誘發傳播損耗，其典型上造成放大增益的限制（通 常小於1 OdB )。除此之外，垂直耦接典型上需要低侷限 SO A主動區域，其典型上誘發非常大的TE/TM極化損耗 201246736 第二個已知的解決方案係有關對SOA與光偵測器兩 者運用類似之主動區域與半絕緣埋入式異質結構（亦稱爲 對頭耦接），以增加二光學組件之間的耦接效率。根據該 已知的解決方案，業已展現出約14dB的較大增益。然而 ，該已知解決方案的其中一個典型但重要的限制係有關由 於直接的光注入而造成之光二極體之功率飽和的降低，其 典型上誘發約3dB的光二極體頻寬衰減（r〇丨i_off)。又 一缺點爲難以（或者有時候是不可能）單獨使SOA和光 二極體之主動區域的.厚度最佳化，其典型上導致不良的 S Ο A性能與/或光二極體之頻寬限制。 第三個已知的解決方案係有關量子阱混合技術之使用 ’其典型上對於SOA區段及被動區段和逐漸消散地耦接 於被動波導之頂部上的光二極體使用相同的波導。在此種 解決方案中’ SOA、被動波導與光二極體典型上使用相同 的淺脊式結構。雖然該解決方案典型上允許逐漸消散地耦 接來增加光偵測器之功率飽和’且允許共同的淺脊式結構 能夠使組件之製程簡化，其典型上具有付出低耦接效率於 SOA輸入（光纖耦接區段）處之代價來提供此種功率飽和 之增加的缺點，其典型上增加SOA雜訊指數（n〇ise figure )’並因此典型上減少接收器之敏感度。光點尺寸 轉換器（SSC)可補救此種的耦接問題，但是，ssc典型 上會因主動區域中的高侷限而難以藉由達成具有脊式S〇A 結構。淺脊式結構之又一缺點爲光二極體之電容與電阻的 -6- 201246736 增加，其典型上導致低於36 GHz之估計頻寬，儘管其尺 寸小（約90 μιη2 )且具有25Ω的有效負載。 此外，發明人已知，此種解決方案到目前爲止僅提供 ΤΕ模式的操作裝置。 因此，本發明之某些實施例之特徵在於其爲一種單晶 集成結構，包括埋入之異質結構半導體光學放大器，該光 學放大器包括主動波導與深脊式光偵測器。 依據某些特定實施例，該結構包括第一低侷限光學被 動波導，其係組構成將進入的光射入該結構。 依據某些特定實施例，該結構包括第一光點尺寸轉換 器，其係組構成允許第一光學被動波導與半導體光學放大 器之主動波導間的耦接。 依據某些特定實施例，該結構包括光學被動轉接波導 ，其具有高侷限，並被組構成逐漸消散地將光耦接至光二 極體之主動區域。 依據某些特定實施例，該高被動轉接光學被動波導包 括 InGaAsP 層。 依據某些特定實施例，該半導體光學放大器之主動波 導與轉接光學被動波導係對頭耦接的。 依據某些特定實施例，該半導體光學放大器之主動波 導藉由第二光點尺寸轉換器而被耦接至第二光學被動波導 ，且該第二光學被動波導藉由第三光點尺寸轉換器而被耦 接至該被動轉接波導，藉以防止或實質上減少朝向該半導 體光學放大器之向後反射。根據某些特定實施例，該被動 201246736 轉接波導在光偵測器附近，至少一部分爲平面的。 本發明之某些實施例之特徵在於其爲一種接收器，包 括在本文所提出之單晶集成結構。 爲了解說且非限制地，在以下說明及申請專利範圍中 ，藉助於附圖，更詳細說明本發明之此等與進一步特徵與 優點。 【實施方式】 本發明之實施例係有關與光二極體單晶集成之埋入式 異質結構SOA的使用。 埋入式異質結構（BH )組態係已知於相關技藝中。扼 要言之，此種組態包括具有不同晶體結構之半導體材料層 或區域，其最終造成結構內的不同帶隙。 埋入之異質結構較佳被使用於SOA，因爲其可允許比 淺脊式與深脊式結構更佳的熱消散與更低的光學損失。此 外’當使用埋入之異質結構而非淺脊式與深脊式結構時， 可相當容易地獲得與光纖間之低的極化依存性與低的親接 損失。 某些用來製造BH-SOA之較佳材料爲InGaAsP與 InGaAs。 該光一極體結構被提供於涂脊式組態中，該深脊式組 態能夠與高速操作（低接面電容與低電阻）共容。 某些用來製造光偵測器之較佳材料爲InGaAsP、 InGaAs 與 InP。 -8 - 201246736 爲了確保S Ο A與光偵測器間之高的耦合效率與電絕 緣’可將高侷限被動轉接光學波導插入於SOA輸出被動 光學波導與光偵測器之間。 在本說明的上下文中，「高」侷限波導被理解成係指 有關一種光學波導，其能夠攜載帶有典型上具有約1.5 μιη 或更小之1/e2寬度之區域和波導層中之高的光學侷限（例 如，約60% ) 之光學模式。同樣地，低侷限光學波導爲 一種波導’其能夠攜載帶有典型上具有約i . 5 μιη與6 μιη 間之1 /e2寬度之區域與波導層中之低光學侷限（例如，約 15%) 之光學模式。藉由舉例說明但非限制性的例子， 須知’低偈限波導可由具有約0.15 μηι之厚度及約3 μηι 之寬度的InGaAsP材料（約1.17 μιη之光致發光）所製成 ;同樣地，高侷限波導可由具有約0.52 μπι之厚度、約 0.13 μιη至3μηα及約1 . 1 μιη之寬度的InGaAsP材料（約 1 · 3 μιη之光致發光），而以對頭耦接組態所製成。 此種被動波導可提供電絕緣，且波導之高侷限特點可 大大地改善耦接效率，並減少Β Η結構與平坦區段區域中 的反射。 此解決方案亦具有減少Β Η結構與平坦區段間之反射 的優點，如同以下將更詳細說明者，於該平坦區段中設有 光偵測器。 用來製造被動轉接波導之較佳材料爲InGaAsP。 第1圖爲依據某些實施例，包括單晶集成BH-SOA 2 與光偵測器3之裝置1之例示性示意俯視圖。裝置1被，袓 -9 - 201246736 構成透過第一光點尺寸轉換器（SSC) 4而接收輸 ，以允許進入之光纖（圖中未顯示出）與BH-SOA 有效率與低損耗的光耦合。較佳使用第一低侷限光 波導5而將進入的光注射入SSC4中。 某些用來製造SSC之較佳材料爲InGaAsP與 〇 因此，SSC 4將進入的光耦接入BH-SOA 2中 ，進入的光被放大並接著從BH-SOA 2之主動波導 至BH-SOA之輸出，在BH-SOA之輸出處，其被 第二SSC 6中。第二SSC 6亦允許光有效率與低損 接至裝置1之可爲第二光學被動波導7之次一階段 SSC 6可具有與第一SSC 4相同之結構，並可由與 之材料所製成。而且，第一低侷限光學被動波導5 光學被動波導7可爲與第2圖所示者相同之一個結 部分。 光接著可從光學被動S0A波導7被輸入進 InGaAsP層（材料之光致發光Q約爲1.3 μιη)所製 學被動轉接波導8中。光學被動轉接波導8可被使 漸消散地耦接光至光偵測器3之主動區域。 本發明內之逐漸消散之耦合可被產生於吸收層 在進入光的前面，而是例如位移在導引光之波導的 時。結果，光的吸收係分佈遍及較廣的吸收區域， 光被光二極體所逐漸消散地吸收。此效應可避免或 想要的光產生載體之集中。 入光L 2間之 學被動 I n G a A s ，其中 被供應 輸入於 耗地耦 Λ·^τ* — 。第一 其相同 與第二 構的一 較佳由 成之光 用來逐 並不位 頂部上 因此， 減少不 -10- 201246736 第2圖爲第1圖之裝置之例示性示意剖視圖。於此圖 中’除非另外提供，否則相同元件係標以與第1圖之元件 符號相同的元件符號。 如同於第2圖中所示，依據某些實施例，裝置1包括 單晶集成之BH-SOA 2與光偵測器3。此光偵測器較佳爲 深脊式》 進入之輸入光L較佳被輸入於光學被動SOA波導5 中，該光學被動SO A波導5被使用以便將輸入光L注射 入第一 SSC4中。第一 SSC4將光耦接至BH-SOA2。 如同以上業已述及者，BH-S0A 2將所接收到之光放 大，且接著提供光於其輸出，在此，其被輸入於第二SSC 6中。行進於、通過及從BH-SO A出去之光業已以參考符 號L1而被顯示於第2圖中。第二SSC 6允許以L2標示之 光有效率且低損耗地耦合至第二光學被動SOA波導7。如 L3所示’光接著可從光學被動SOA波導7被輸入於光學 被動轉接波導8中。如箭號L3所示，光學被動轉接波導 8可被用來將光逐漸消散地耦合至光偵測器3之主動區域 〇 如同於第1圖中更清楚地顯示者，半導體光學放大器 21之主動波導經由第二光點尺寸轉換器6而被耦接至第二 光學被動波導7，且第二光學被動波導經由第三光點尺寸 轉換器9而被耦接至光學被動轉接波導8。此組態具有防 止或實質上減少從被動轉接波導8向後反射朝向半導體光 學放大器2之優點。 -11 - 201246736 較佳地，被動轉接波導8在光偵測器區域的附近具有 平面形狀。此區域係以參考符號8a示意顯示於第1及2 圖中。被動轉接波導之平面形狀因其簡化製程而係有利的 〇 第3圖爲有關低侷限被動波導與光偵測器（於此情況 下爲光二極體）間之模擬結果之例示性圖表，其顯示光二 極體量子效率對用於特定二極體寬度與用於特定BH-SOA 光二極體光轉接波導長度之二極體長度。須知，提供此圖 表之目的僅在於解說與對在此所說明之實施例的更佳瞭解 。因此，雖然此圖顯示模擬結果，但是其並非被建構爲對 此等實施例強加任何限制。第3圖之圖表爲有關約4 μιη 之光二極體寬度與具有大於零（>〇)之値之BH-SOA光 二極體光轉接波導8長度（亦即，自BH-SOA之輸出至光 二極體之輸入）。該長度於第2圖中係以參考符號D來予 以標示，對此參考符號D，某些較佳値爲約0. 1 μιη與約 10 μιη。就4x15 μιη2之光二極體（其可爲使用於100 Gb/s 應用之典型的二極體面積）而言，在具有小於約0.5 dB之 TE/TM極化依存損耗之約1 .55 μιη的波長處實現約42%的 量子效率，其被認爲是高的量子效率。當使用SOA光學 預放大時，預期有允許有高的敏感度之高的增益（例如， 20 dB以上）》 以上的實施例被提供給一種裝置結構，其中，BH-SOA與光二極體彼此之間係設有一定的分隔。依據替代實 施例，BH-SOA與PD可位在大約或實質上彼此係相鄰的 -12- 201246736 。此組態亦可稱爲對頭耦接組態。 第4圖爲依據一些實施例，此種BH-SOA 2和深脊式 光二極體3被整合成對頭耦接組態之代表性頂視圖。在此 圖形中，相同的元件係標以與第1圖和第2圖之元件符號 相同的元件符號。 對頭耦接爲對許多應用提供某些優點之已知技術，特 別是在除了光偵測外，想要設計能夠整合各種功能，例如 多工/解多工之裝置的情況下。 回頭參考第4圖，裝置1係組構成透過第一光點尺寸 轉換器（SSC) 4來接收輸入光L，以便允許在進入之光 纖（未圖示出）上與BH-SOA 2間之有效率與低損耗的光 耦合。較佳使用光學被動波導5以將光注射入光點尺寸轉 換器（SSC ) 4。 SSC 4因而將進入之光耦合入BH-SOA 2中，在此， 其被放大，並接著被提供於BH-SOA 2之輸出，在此，其 被輸入於較佳由InG a AsP所製成之被動轉接波導8中。如 同業已就第1與2圖所說明者，光學被動轉接波導8可被 用來逐漸消散地耦合光至光二極體之主動區域。 第5圖爲第4 .圖之裝置之例示性示意剖視圖。 如同於第5圖中所示，依據某些實施例，該裝置包括 單晶集成之BH-SOA 2與深脊式光二極體。 進入之輸入光L較佳被輸入於光學被動波導5中，如 同箭頭L1所示，其被用來將進入之輸入光L注射入第一 SSC4中。第一SSC4將光耦合入BH-SOA2中。 -13- 201246736 如同以上業已述及者，BH-SOA 2將所接收到之光放 大，並接著提供光於其輸出，在此，其被輸入於被動轉接 波導8中。行進於且通過BH-SO A之光業已以參考符號 L2而被顯示於第5圖中，且進入被動轉接波導中之光已 被顯示爲L3。光學被動轉接波導8可被使用來將如L4所 示之光逐漸消散地耦合至光二極體3之主動區域。 於第4與5圖之對頭耦接組態中，光學轉接波導8之 長度D (亦即，自BH-SOA之輸出至光二極體之輸入）亦 可具有大於零（>〇)之任何値，自該等値中，某些較佳 値係低於約1 〇 〇 μ m或約1 0 μ m。 在此所提出之解決方案爲有關於提供光學預放大，其 對於被開發來用於具有廣大傳輸範圍的高速應用（1〇〇 Gb/s與以外）之接收器而言爲重要的特徵。光二極體（可 與高速操作相容的深脊式）與埋入之異質SOA (提供高光 學增益、低雜訊因子與低極化依存性）之最佳化結構的集 成（其較佳利用經由SSC和埋入之波導的逐漸消散光耦合 )提供此等所想要的功能性。此種集成方案不同於已知的 解決方案，且可解決該二組件間之光學反射的限制，其可 允許蝕刻介於S Ο A主動波導與高侷限被動波導之間的再 生長介面，否則，若該二波導並未實質上或完美地對齊， 即可能造成反射。 因此，在此文中所提出之解決方案提供允許實現高光 學增益、低插入損耗與低雜訊指數的優點。此外，相較於 已知的解決方案’所提出之解決方案可提供低的te/tm -14 - 201246736 極化損耗與高速操作。 此外，須知，對應於所主張機構之一系列的結構並非 沒有遺漏，熟於本技藝人士當知，均等結構可替代所載結 構而不悖離本發明之範疇。 熟於本技藝人士當知，本文中任一方塊圖顯示實施本 發明之原理之解說性電路之槪念性圖式。 【圖式簡單說明】 第1圖係依據某些實施例，單晶集成埋入異質結構 SOA與深脊式光偵測器之例示性示意俯視圖。 第2圖係第1圖之單晶集成埋入之異質結構SOA與 光偵測器之例示性示意剖視圖。 第3圖係有關二極體與SOA間之耦接效率之模擬結 果之例示性圖表，其中，光二極體量子效率如圖示對用於 特定二極體寬度與用於特定BH-SOA光二極體光轉接波導 長度。 第4圖係依據某些實施例，對頭耦接組態中之單晶集 成BH-S0A與深脊式光偵測器之例示性示意俯視圖》 第5圖係第4圖之單晶集成埋入之異質結構SOA與 光偵測器之例示性示意剖視圖。 【主要元件符號說明】 1 :裝置
2 : BH-S0A -15- 201246736 3 :光偵測器 4:第一光點尺寸轉換器（SSC) 5 :第一低侷限光學被動波導
6 :第二 SSC 7:第二光學被動波導 8:光學被動轉接波導 8a :光偵測器區域 9:第三光點尺寸轉換器 21:半導體光學放大器 L :輸入光 -16-