CN100470288C - 包括半导体光放大器和光电二极管的集成光电器件 - Google Patents

Abstract

本发明的领域是用于接收针对电信应用的高比特率数字光信号的光电器件的领域，该光电器件包括光放大器和光接收二极管。通常，将光放大和光电转换这两种功能集成在共同的部件中，使得生产成本更低、空间占用更小并且可靠性提高。为了从整体上优化该转换器件，已表明必须在放大器部分中具有厚度较小的有源区且在转换部分中具有厚度较大的有源区。本发明提出通过一种结构来实现该功能，该结构包括放大部分和接收部分共同的稀释多模波导，第一有源区和第二有源区布置成确保渐逝波与所述稀释多模波导的耦合。

Description

包括半导体光放大器和光电二极管的集成光电器件

技术领域

本发明的领域是用于接收针对电信应用的高比特率数字光信号的光电器件的领域。

背景技术

非常简单地说，数字光信号传输***包括三个主要的组件，即：

·用于将电信号变换为光信号的光电组件；

·传送数字光信号的光纤器件；

·用于将光信号变换和解码为电信号的光电组件。

本发明涉及后一种组件。作为通用的规则，主要有两类这种类型的器件。

图1示出了第一类器件的框图。在此情况下，该器件包括光电二极管100，其将光信号转换为电信号。这种二极管例如属于PIN(代表正-本-负)类型或APD(代表雪崩光电二极管)类型。然后，由例如TIA(代表转阻放大器)类型的第一放大器110对该信号进行预放大，然后由标为120的第二放大器对该信号进行预放大。然后，该适时地放大的信号具有足够高的幅度，以由一组电子电路130、140进行分析，该组电子电路130、140既处理逻辑信号的重同步又处理其二进制值的确认。然后，当比特率非常高时，该适时地处理过的数字信号能够通过解复用电路150。因此，例如，可以从具有40Gb/s的频率的一个数字信号转变为具有10Gb/s的频率的四个数字信号。该器件的一个缺点是，其只能利用具有适当的信噪比的光信号而工作。实际上，电子放大***(其必须包括大量电子部件)添加了足以限制***性能的大量噪声。

图2示出了第二类器件的框图。在此情况下，首先在半导体光放大器(又称SOA)160中，或者通过掺铒光纤放大器(又称EDFA)，对光信号进行预放大，然后，通过光电二极管100将该适时地放大的信号转换为电信号。该器件的其他部分与第一类器件的其他部分相同，并包括一组电子电路，该组电子电路既处理逻辑信号的重同步又处理其二进制值的确认。因此，可以分别对信噪比(受限于SOA)和速度(受限于光电二极管的带宽)进行优化。结果是更佳的信噪比使得可以以更高的比特率处理更弱的信号。

通常，以混合方式对光放大和光电转换这两种功能进行联合。然而，开始出现单片电路集成，使得生产成本和空间占用(footprint)减少并且可靠性提高。然而，这种集成带来了一些技术问题。实际上，光放大器的有源区和光电二极管的有源区必须是共同的，以便无损耗地耦合它们彼此之间传递的光束。现在，放大器的有源区必须薄，以便确保强有力的信噪比和良好的线性。相反，为了得到具有高灵敏度的光电二极管，该有源区需要足够厚。实际上，光电二极管的灵敏度依赖于其有源区的体积。如果该有源区具有小的横截面，则其必须具有长的长度。现在，具有拉长的形状的有源区具有高电容，这限制了光电二极管的带宽。因此，在其中SOA的有源区和光电二极管的有源区具有相同厚度的器件中，必须将光电二极管的有源区的长度扩展为80微米，以便保持灵敏度，其代价是带宽低于40GHz。为了得到期望的带宽，有源区的长度不能超过25微米。

为了从整体上优化该转换器件，因此必须在放大器部分中具有横截面较小的有源区且在转换部分中具有横截面较大的有源区。为了提供该功能，通常使用光模适配器或“接续器”(taper)。图3和图4分别示出了这种类型的器件的顶视图和侧视图。其依次包括：

·具有三角形横截面的第一“接续器”20；

·SOA类型的光放大器1；

·第二组“接续器”21和22；

·最后，接收光电二极管2。

在这些图中，未示出用于光放大和将光信号转换为电信号的电极。

在图4中可以看出，接收光电二极管2的有源区4比光放大器1的有源区3厚，以便优化该器件的性能。第二组“接续器”21和22完全适合光模的大小，以便保持从光放大器到光电二极管的适当传输效率。

然而，从技术上说，生产这样一种组件是困难的。当然，不可能生产无损耗地传送光模的完美的接续器。干法蚀刻生产方法不能用于生产完全平坦的表面。现在，残留的粗糙度会损及光束的传播。通过该方法生产的组件显示出，在给定由接续器引入的损耗的情况下，SOA的最终增益不超过10dB。

发明内容

本发明的目的是通过用包括稀释多模波导(diluted multimodewaveguide)的独特结构替代这些结构而克服因使用“接续器”而带来的缺点。

更具体地说，本发明的主题是一种用于光信号的光电光接收器件，包括至少一个具有以下部分的结构：光放大部分，包括第一有源区；以及光接收部分，包括第二有源区，该光电光接收器件的特征在于，所述结构包括两个部分共同的稀释多模波导，布置第一有源区和第二有源区使得确保渐逝波(evanescent wave)与所述稀释多模波导的耦合。

有利地，第一有源区具有小于第二有源区的厚度的厚度，并且光放大器部分属于SOA类型。

更具体地说，该稀释多模波导包括至少一个2N层的堆叠，这些层是薄的、平坦的且彼此平行，规则地交替并具有索引号Ci，这些层优选地由四元类型的材料InGaAsP制成。更具体地说，具有偶数索引号的层由InP制成，具有奇数索引号的层由InGaAsP制成。优选地，数字N为5，由InGaAsP制成的层全部具有约0.16微米的厚度，并且由InP制成的层具有在0.36微米与0.66微米之间的厚度。

此外，稀释多模波导可以包括部分地位于有源区下方的折射率调整层，所述层由InGaAsP制成。

有利地，放大部分的第一有源区包括GaInAs层，该GaInAs层例如在-0.32％可以为活性，并且光接收部分的第二有源区包括GaInAs层。

此外，SOA的结构包括至少两个相同的分别限制异质结构SCH，该分别限制异质结构位于第一有源区之上或之下。每个分别限制异质结构可以由InGaAsP制成并具有30纳米的厚度。

附图说明

通过阅读以下通过非限制性示例给出的描述并通过附图，可以更好地理解本发明，并且其他的优点将变得明显，其中：

·图1示出了用于将光信号变换和解码为电信号的第一光电组件的框图；

·图2示出了用于将光信号变换和解码为电信号的第二光电组件的框图；

·图3和图4示出了根据现有技术的光电光接收组件的顶视图和侧视图；

·图5示出了在垂直于稀释多模波导层的平面中的横截面视图；

·图6示出了光模在稀释多模波导中的传播；

·图7和图8示出了根据本发明的光电光接收组件的顶视图和侧视图；

·图9示出了光模在根据本发明的光电光接收组件中的传播。

具体实施方式

如图5中所示，稀释多模波导5包括薄层51、52的堆叠，这些层是平坦的且彼此平行。通常，稀释多模波导5包括置于衬底30上的至少一个2N层的堆叠，这些层规则地交替并具有索引号Ci。堆叠的厚度为几微米。

作为一个示例，具有偶数索引号的层由InP制成，具有奇数索引号的层由InGaAsP制成，该堆叠包括10层。由InGaAsP制成的层全部具有约0.16微米的厚度，并且由InP制成的层具有在0.36微米与0.66微米之间的厚度。

稀释多模波导可以包括部分地位于有源区下方的折射率调整层53。该层可以由InGaAsP制成。

不能容易地计算光在这种类型的波导中的传播，这种类型的波导包括尺寸小于光的波长的尺寸的多个层。此外，使用波束传播方法BPM类型的仿真软件，并且可以在二维或在三维中进行仿真。这种软件使得可以对光在稀释多模波导中的传播进行仿真。仿真显示出，模态间差拍(intermodal beating)使得光传播成为周期性的现象，该周期的幅度测为几十微米。图6高度示例性地示出了光在垂直于这些层的平均平面且平行于传播方向的平面中的幅度变化。波导内的光能量密度60由图6中的点的大致密度分布来代表。通过这些层的适当分布，光能量可以周期性地集中于界面附近，如图6中所示。

因此，通过使在这些能量集中区域上具有有源区，可以以高效的耦合在有源区中对渐逝波进行耦合。

该性质用于生产根据本发明的光电光接收器件。

图7和图8代表性地示出了根据本发明的器件的顶视图和侧视图。其依次包括：

·SOA类型的光放大器1；

·接收光电二极管2；

·置于衬底30上的稀释多模波导5。

光放大器1主要包括厚度较小的有源区3。光电二极管2还包括厚度较大的有源区4。因此，分别对有源区的厚度进行优化。于是，在光放大部分中得到良好的线性、高增益、低噪声和关于光偏振的良好独立性。并且，在光接收部分中，得到良好的灵敏度、高带宽和具有优化的饱和度的光功率。

稀释多模波导5对于两个部分是共同的。选择这两个有源区3和4的布局(placement)，使得优化渐逝波在有源区中的耦合。如上所述，优选的是使用BPM类型的仿真软件来实现这种优化。光在波导中的传播的周期性使得在选择光放大器和光电二极管的布局时具有自由度。实际上，等同于一个传播周期的布局的改变不会显著地改变耦合效率。

作为一个示例，根据本发明的光电光接收器件包括：稀释多模波导，其具有约50微米的模传播周期；光放大部分，约100微米长；以及光接收部分，约30微米长，这两个部分隔开60微米的距离，选择这些不同的值，使得确保在波导中循环的渐逝波与放大部分和光接收部分二者的最优耦合。光电二极管属于PIN类型，优化为以40Gb/s的带宽工作。光电二极管具有0.4微米厚的有源区。因此，得到80％的转换量子效率。在此情况下，意图用于透镜端面(lensed-end)光纤的稀释多模波导的垂直定位容限为1微米，以得到小于1dB的耦合损耗。

Claims (13)

1.一种用于光信号的光电光接收器件，至少包括具有以下部分的结构：

·光放大部分(1)，包括第一有源区(3)；以及

·光接收部分(2)，包括第二有源区(4)，

所述光电光接收器件的特征在于，所述结构包括两个部分共同的稀释多模波导(5)，所述光放大部分和光接收部分是分离的，所述光放大部分的第一有源区的一侧和所述光接收部分的第二有源区的一侧直接与所述稀释多模波导接触，所述第一有源区和所述第二有源区布置成使得确保渐逝波与所述稀释多模波导的耦合。

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一有源区具有小于所述第二有源区的厚度的厚度。

3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述光放大部分属于SOA类型。

4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述稀释多模波导包括至少一个2N层的堆叠(51、52)，所述层平坦的且彼此平行，规则地交替并具有索引号C_i，具有偶数索引号的层由InP制成，具有奇数索引号的层由InGaAsP制成。

5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于，所述数字N为5。

6.根据权利要求4所述的器件，其特征在于，所述由InGaAsP制成的层全部具有约0.16微米的厚度。

7.根据权利要求4所述的器件，其特征在于，所述由InP制成的层具有在0.36微米与0.66微米之间的厚度。

8.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述稀释多模波导包括部分地位于所述第一有源区和所述第二有源区下方的折射率调整层(53)。

9.根据权利要求8所述的器件，其特征在于，所述折射率调整层由InGaAsP制成。

10.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述光放大部分的所述第一有源区包括GaInAs层。

11.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述光接收部分的所述第二有源区包括GaInAs层。

12.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，所述SOA的结构包括至少两个以首字母缩写为SCH的分别限制异质结构，所述分别限制异质结构是相同的并位于所述第一有源区之上或之下。

13.根据权利要求12所述的器件，其特征在于，所述分别限制异质结构由InGaAsP制成并具有30纳米的厚度。

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