CN102914834A

CN102914834A - 光学装置

Info

Publication number: CN102914834A
Application number: CN2012101679561A
Authority: CN
Inventors: 文锋; 曹均凯; 管和松; 魏巍
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2013-02-06

Abstract

本发明提供一种光学装置，包括光纤接头和光电转换器件，其中，光电转换器件包括光电二极管和波导层，波导层用于接收光纤接头发射的光信号，并将光信号传输至光电二极管中，光电二极管用于将接收到的光信号转换为电信号，波导层上设有入射面和出射面，其中，光纤接头发射的光信号通过入射面进入波导层，并通过出射面离开波导层射向光电二极管，波导层的出射面与光电二极管的入射面平行，波导层的入射面与光电二极管的入射面间的夹角小于90度，以缩短光信号通过波导层射入光电二极管所需要的路径长度。本发明实施例提供的光学装置中，在满足光吸收效率情况下，可具有更短尺寸的波导层，使得整个光学装置尺寸小、制作成本低。

Description

光学装置

技术领域

本发明实施例涉及光通信技术，尤其涉及一种波导型光学装置。

背景技术

光探测器是光通信中，用于将光信号转换为电信号的关键光学装置，其中，带宽和效率是光探测器的基本参数，直接决定着光通信的速率和响应度，而带宽和效率均与光探测器中的光吸收层的厚度有关，光吸收层的厚度越厚，效率就越高，但带宽就越小，因此，在高速光通信中，例如超过40GHz的光通信中，在满足光探测器带宽的同时，如何提高光探测器的光吸收效率则变得非常关键。

对于传统采用正照或背照的PIN类型的光探测器中，光直接从PIN结构的光电二极管中的P型掺杂半导体层（以下简称P型层）或N型掺杂半导体层（以下简称N型层）射入，若要提高光探测器的效率，就需要增加光吸收层，即I型本征半导体层（以下简称I型层）的厚度，而光吸收层厚度的增加则会降低光探测器的带宽，在高速光通信中，将无法同时满足带宽和效率的需要。为此现有技术提出了波导光探测器，即边入射光探测器，通过增加波导层，使得入射光可波导层的传播过程中而逐渐进入到光吸收层，以在光吸收层具有较薄尺寸情况下也可具有较好的光吸收效率。

图1为现有技术提供的波导光探测器的结构示意图。如图1所示，现有波导光探测器包括衬底101，以及在衬底101上依次设置的波导层102、N型层103、I型层104和P型层105，光信号A从波导层102的侧面沿波导层的光轴水平入射进入波导层102，在波导层102传播过程中，光信号A会逐渐通过N型层103进入到I型层104，其中，N型层103为N型欧姆接触层，P型层105为P型欧姆接触层，N型层103和P型层105的作用是实现电注入，而I型层104就是光吸收层，可以对进入的光信号进行光电转换；同时，N型层103还起到光学匹配作用，使得在波导层102中传播的光可从N型层表面逐渐进入到I型层104。该种结构中，光在波导层103传播过程中，使得光信号A可通过N型层103逐渐被I型层104吸收，从而可在不增加光I型层104厚度的前提下，提高光吸收层的吸收效率，但是，该种光学探测器中，为提高光吸收层的光吸收效率，确保光在波导层传播中被光吸收层吸收，波导层通常做的很薄，且波导层的长度也很长，使得光探测器整体尺寸较大，且与光纤耦合时，还需要在探测器的输入端集成模斑转换器。

综上，现有波导光探测器中，为提高光吸收效率，波导层长度的较长，使得整个探测器芯片的尺寸较大。

发明内容

本发明实施例提供一种光探测器和光学装置，可克服现有波导光探测器中波导层较长而导致探测器体积较大的问题。

本发明实施例提供一种光学装置，包括光纤接头和光电转换器件，所述光纤接头用于接收光信号并向所述光电转换器件发射所述光信号，所述光电转换器件用于接收所述光信号，并且将所述光信号转换为电信号，其中，

所述光电转换器件包括光电二极管和波导层，所述波导层用于接收所述光纤接头发射的光信号，并将所述光信号传输至所述光电二极管中，所述光电二极管用于将接收到的光信号转换为电信号，所述波导层上设有入射面和出射面，其中，所述光纤接头发射的光信号通过所述入射面进入所述波导层，并通过所述出射面离开所述波导层射向所述光电二极管，所述波导层的出射面与所述光电二极管的入射面平行，所述波导层的入射面与所述光电二极管的入射面间的夹角小于90度，以缩短所述光信号通过所述波导层射入所述光电二极管所需要的路径长度。

本发明实施例提供的光学装置，通过将光波导层的光入射面设置成倾斜面，使得光垂直波导层的光入射面进入波导层后，一部分光不依靠波导层的传播就直接进入到光电二极管，一部分光则依靠在波导层中的传播逐步进入到光电二极管，从而使得入射光在波导层中具有较短的传播路径就可以被光电二极管的光吸收层吸收，相对于现有光直接沿波导层光轴进入波导层的光电二极管而言，可有效减少波导层的长度，进而可减少光学装置的尺寸，降低光学装置的制作工艺和制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的波导光探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种光电转换器件的结构示意图；

图3A是图1所示光电转换器件中波导层厚度为2um时光电转换器件的光吸收效率示意图；

图3B为本发明实施例中波导层厚度为2um时光电转换器件的光吸收效率示意图；

图4为本发明实施例中提供的另一种光电转换器件的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的再一种光电转换器件的结构示意图；

图6为本发明实施例中提供的又一种光电转换器件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种光学装置的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种光学装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

鉴于现有进行波导传输的光探测器中，波导层薄且较长的问题，本发明实施例提供一种光学装置，包括光纤接头和光电转换器件，光纤接头用于接收光信号并向光电转换器件发射光信号，光电转换器件用于接收光信号，并将光信号转换为电信号。其中，光电转换器件包括光电二极管和波导层，波导层用于接收光纤接头发射的光信号，并将光信号传输至光电二极管中；光电二极管可将接收到的光信号转换为电信号；波导层上设置有入射面和出射面，光纤接头发射的光信号通过入射面进入波导层，并通过出射面离开波导层而射向光电二极管，波导层的出射面与光电二极管的入射面平行，波导层的入射面与光电二极管的入射面之间的夹角小于90度，即波导层的入射面为倾斜面，从而可缩短光信号通过波导层射入光电二极管所需的路径长度，减少光信号在波导层中的传输距离，减少波导层的长度。本发明实施例提供的光学装置，可将光在沿波导层的光学中心轴与光入射面的交点处垂直光入射面而进入波导层，这样，进入波导层的中的入射光，一部分可在波导层与光电二极管的结合处，通过折射进入到光电二极管，另一部分，可沿波导层传播过程中，逐渐进入到光电二极管的入射面，从而可有效减少光在波导层中的传播时间，进而减少波导层的长度，可有效减少光学装置的尺寸。

首先对本发明实施例中利用PIN结构的光电二极管的光电转换器件进行说明。

图2为本发明实施例中提供的一种光电转换器件的结构示意图。如图2所示，本实施例光电转换器件包括：光电二极管1、第一衬底2和波导层3，其中，光电二极管1为PIN类型的光电二极管，设置在第一衬底2上；波导层3设置在光电二极管1和第一衬底2之间，波导层3的入射面为倾斜面a，即波导层3的入射面与光电二极管1的入射面之间的夹角小于90度，垂直该倾斜面a进入波导层3的入射光B的光线方向朝向光电二极管1的光入射面b。

本实施例中，如图2所示，光电二极管1为包括P型层11、I型层12和N型层13的PIN结构，其中，P型层11、I型层12和N型层13依次层叠设置在第一衬底2上，N型层13为光电转换器件1的光入射层；波导层3设置在N型层13和第一衬底2之间，且N型层13的光折射率大于波导层3的光折射率，使得进入波导层3的入射光B不会在N型层13和波导层3的界面处发生全反射，更多的光可通过折射进入到光电二极管1内。

本领域技术人员可以理解，普通的光电二极管为P型层和N型层构成的PN结型光电二极管，其原理是PN结的光电效应，当入射光射入PN结时，由于光吸收过程会产生的电子-空穴对运动，从在闭合电路中形成光生电流，实现光信号转换为电信号。PIN结型光电二极管是改进型结构，在P型层和N型层中间加入I型后，可控制耗尽层的宽度，提高光电转换的响应速度。

本实施例中，P型层11、I型层12、N型层13和波导层3是通过外延工艺制作而成，即在第一衬底2上通过外延工艺生长而成，具体地，P型层11可以为铟镓砷磷（In_x1Ga_1-x1As_y1P_1-y1）材料制成，I型层12可以为铟镓砷（In_x2Ga_1-x2As）材料制成，N型层13可以为铟镓砷磷（In_x3Ga_1-x3As_y3P_1-y3）材料制成，且各材料化学公式中的x1、y1、x2、y2、x3、y3可在0~1之间变化；各层结构的形状、尺寸可采用非选择性腐蚀与选择性腐蚀结合（即异质结界面）的方法，通过干法腐蚀或湿法腐蚀得到；而波导层3的光入射面可采用定向刻蚀的方法，例如定向干法刻蚀或倒台常用的磷酸、盐酸腐蚀得到；波导层3的光入射面可通过电子束蒸发或磁控溅射等方法镀一层介质抗反射膜，减少或避免入射光在光入射面的反射，提高入射光进入波导层的比率；第一衬底2具体可以为磷化铟Inp材料的衬底，该第一衬底2的光折射率小于波导层3的折射率。本实施例探测器是一种半导体器件，其具体制作工艺可参考已知半导体制作工艺。

本实施例中，如图2所示，波导层3的光入射面a与光电二极管1的光入射面b（即N型层13和波导层3之间的边界）形成的夹角θ可为75度-85度，本实施例优选地θ为82度，这样，从光纤接头过来的光信号，沿波导层3的光学中心轴与光入射面的交点，垂直光入射面进入波导层时，与光学中心轴之间的夹角为8度。本实施例中的光电转换器件与光纤接头耦合后，光纤中的光信号，即入射光B从光入射面a与波导层3的光学中心轴c的交点处，垂直光入射面a进入波导层3后，一部分光可通过具有较高折射率的N型层13进入到I型层12，另一部分光可通过在波导层3中传播过程中，再逐渐从N型层13进入到I型层12,由于入射光B一部分不依靠光在波导层3中的传播而直接进入到I型层12，使得在波导层3中传播的光较少，则波导层3的长度就可相应的减少，相对于图1所示现有技术同样厚度的波导层而言，本实施例光探测器中的波导层的长度将会减少很多。本实施例中，通过将夹角θ设置为82度，使得直接射入波导层的入射光B直接通过N型层13进入到I型层12的光能被I型层基本被完全吸收掉，从而可提高光吸收效率。

本领域技术人员可以理解，根据实际需要，例如光电二极管的光入射面，即N型层与波导层之间的折射率的差异，形成波导层的光入射面可具有合适角度的倾斜面，以确保进入的波导层的光直接通过N型层进入I型层后，可完全或大部分被I型层吸收。

图3A是图1所示光电转换器件中波导层厚度为2um时光电转换器件的光吸收效率示意图；图3B为本发明实施例中波导层厚度为2um时光电转换器件的光吸收效率示意图。图3A和图3B中，横坐标表示的是光电转换器件中光功率与入射光功率的比值，纵坐标表示的是波导层的长度，当80%的入射光被吸收时，如图3A中所示的B1位置以及图3B中所示的B2位置，现有技术光电转换器件（即光探测器）中波导层的长度为50um，而本发明实施例提供的光电转换器件中波导层的长度仅需要20um，可以看出，在同样厚度下，相对现有结构的光探测器，本实施例光电转换器件中波导层的长度可减少很多，从而可有效降低光电转换器件以及光学装置的尺寸。

实际应用中，为便于对光电转换器件与光纤接头直接耦合，也可通过增加波导层的厚度，并适当延长波导层的长度，这样，光电转换器件就可以直接与光纤接头耦合，通过计算表明，采用长度同样为50um的波导层时，现有如图1所示结构的光探测器的光吸收效率达到80%波导层的厚度为2um，而采用本实施例光电转换器件的结构，光吸收率达到80%时波导层的厚度可达6um，该厚度的波导层可直接与光纤接头耦合，而不需要另外设置模斑转换器。

图4为本发明实施例中提供的另一种光电转换器件的结构示意图。与上述图2所示光电转换器件不同的是，本实施例中的第一衬底2可包括上衬底21和下衬底22，其中上衬底21与波导层3的形状一致，即上衬底21上具有与波导层3的光入射面具有相同倾斜角的倾斜面，使得上衬底21的端面与波导层3的光入射面同面，这样，在形成波导层3的光入射面时，可在波导层3和上衬底21上形成形状一致的倾斜面，简化波导层3的光入射面的制作工艺，提高形成的波导层3的光入射面的精度。

本实施例光电转换器件制作过程中，将波导层3和PIN结构的光电二极管1通过外延工艺生长在第一衬底2上后，可在上衬底21和波导层3上通过定向刻蚀方法得到波导层3和上衬底21的倾斜面，可有效提高波导层3上光入射面的制作精度。

图5为本发明实施例中提供的再一种光电转换器件的结构示意图。与上述图2所示光电转换器件不同的是，本实施例中PIN结构的光电二极管1设置在第二衬底4上，波导层3设置在光电二极管1上与第二衬底4不相接触的表面上。本实施例中，第二衬底4可为与第一衬底不相同的材料，例如金属材料制作而成。

本实施例中的光电转换器件中，PIN结构的光电二极管1和波导层3可在如图2所示的第一衬底1上制作完成后，再通过倒置的方式设置在第二衬底4上，且第二衬底4可以是金属材料制作的衬底。具体地，光电二极管1中的P型层、I型层、N型层，以及波导层3这些外延结构可在InP衬底上生长，并在成型后，从InP衬底上剥离后，倒装在金属材料制成的衬底上。

图6为本发明实施例中提供的又一种光电转换器件的结构示意图。与上述图2-图4所示光电转换器件不同的是，本实施例中可在波导层与光电二极管的光入射面之间可设置有光学匹配层，且该光学匹配层的光折射率大于波导层的光折射率，小于光电二极管的光入射面的光折射率，从而可利用单独设置的光学匹配层，将从波导层传播过来的光折射进入光电二极管，具体地，如图6所示，在N型层13与波导层3之间设置有光学匹配层5，该光学匹配层5的光折射率大于波导层3的光折射率，小于N型层13的光折射率，使得进入波导层的光B可在波导层3与光学匹配层5交界处，通过光学匹配层5传播到光电二极管1。

本领域技术人员可以理解，该光学匹配层可为具有一定折射率的光学材料制作而成的单层结构，也可为由不同折射率材料制成多层结构，本实施例中并不对此做特别限制。

本领域技术人员可以理解，在上述图5所示光电转换器件基础上，也可在N型层与波导层之间增加一光学匹配层，具体结构与上述图6类似，在此不再赘述。

本领域技术人员可以理解，上述图2-图5中的N型层事实上在具备PIN结构N型层的电注入功能的同时，还具有光学匹配层的功能，即可波导层中传播到波导层与光学匹配层交界处的光通过折射传播到PIN结构中的I型层。

本领域技术人员可以理解，上述PIN结构的光电二极管中，若将P型层作为光入射面，可具有上述图2-图6类似的结构，不再赘述。

本领域技术人员可以理解，上述的光电二极管除了可以是图2-图5所示的PIN结构的光电二极管外，也可是其他类型的光电二极管，例如PN结构、量子阱结构以及基于硅Si材料的光电二极管，通过将波导层的光入射面设置成一定角度的倾斜面，可有效减少波导层的长度，同时可确保光电转换器件的光吸收效率，使得光电转换器件在满足带宽需要的同时，具有较好的光吸收效率。

图7为本发明实施例提供的一种光学装置的结构示意图。本实施例光学装置可将光纤传输来得光纤信号转换为电信号，具体地，如图7所示，本实施例光学装置包括光电转换器件10，以及与光电转换器件10对接的光纤接头20；光纤接头20的光出射面d为倾斜面，与光电转换器件10中波导层3的光入射面a相对，使光纤接头20的出射光垂直于光电转换器件10中波导层3的光入射面a射出。

本实施例中，如图7所示，光探测器10为采用上述图4所示的光电转换器件，其中光纤接头20设置在光电转换器件10的下衬底22上，且光纤接头20的出射光从波导层3的光入射面a与波导层3的光学中心轴c的交点s处射入光电转换器件10，从而可确保光纤中传输的光信号可全部射入到光电转换器件10中。

本领域技术人员可以理解，为使得光纤接头20的出射光可从交点s处射入光电转换器件10，实际应用中，可通过增加波导层3的厚度，或者通过增加第一衬底的厚度，使得光纤接头20直接放置在下衬底22时，可确保光纤接头20的出射光可从交点s处射入光电转换器件10；此外，若光纤接头20直径较小，也可通过在光纤接头20与第一衬底之间设置基座，来调整光纤接头20与光电转换器件10间的相对位置，以确保光纤接头20的出射光可从交点s处射入光探测器10。

本领域技术人员可以理解，上述图2或图3所示的光电转换器件，同样可应用于上述光学装置中，其具体实现与图7所示实施例技术方案相同或类似。

图8为本发明实施例提供的另一种光学装置的结构示意图。与上述图7所示实施例技术方案不同的是，本实施例中光纤接头20和光电转换器件10可设置在一基座30上，这样，可根据需要来调整基座30高度，以使得光纤接头20的出射光可从波导层3的光入射面a与波导层3的光学中心轴c的交点s处射入光探测器10。

如图8所示，上述基座30具体可包括第一基座301和第二基座302，光纤接头20设置在第一基座301上，光电转换器件10设置在第二基座302上，且第一基座301的高度低于第二基座302的高度，以使得光纤接头20的出射光可从交点s处射入光电转换器件10。实际应用中，可根据需要来调整第一基座和第二基座的高度，例如，根据光探测器的高度，以及光纤接头的高度，将第一基座设置低于或高于第二基座的方式，来确保从光纤接头发出的出射光可从光电转换器件波导层的光入射面与光学中心轴的交点s处射入光电转换器件10。

通过单独设置基座，可便于度光纤接头和光电转换器件的耦合、封装，提高封装精度和便利性。

本领域技术人员可以理解，上述的光纤接头可为单独设置的与光纤连接的接头，或者是光纤上的光纤接头，对此本实施例并不做限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种光学装置，其特征在于，包括光纤接头和光电转换器件，所述光纤接头用于接收光信号并向所述光电转换器件发射所述光信号，所述光电转换器件用于接收所述光信号，并且将所述光信号转换为电信号，其中，

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光电二极管为PIN结构的光电二极管，包括层叠设置的P型掺杂半导体层、I型本征半导体层和N型掺杂半导体层；

所述光电二极管的光入射面为P型掺杂半导体层或N型掺杂半导体层。

3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，所述光电二极管设置在第一衬底上，所述波导层设置在所述第一衬底与所述光电二极管之间；

所述第一衬底的光折射率小于所述波导层的折射率。

4.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述第一衬底包括上衬底和下衬底；

所述上衬底与所述波导层的形状一致。

5.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，所述光电二极管设置在第二衬底上；

所述波导层设置在所述光电二极管上与所述第二衬底不相接触的表面。

6.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，所述波导层与光电二极管的光入射面之间设置有光学匹配层；

所述光学匹配层的光折射率大于所述波导层的光折射率，小于所述光电二极管的光入射面的光折射率。

7.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，所述波导层的光入射面与所述光电二极管的光入射面之间形成夹角为75度-85度。

8.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于，所述波导层的光入射面与所述光电转换器件的光入射面之间形成的夹角为82度。

9.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光纤接头的光出射面为倾斜面，与所述光探测器中波导层的光入射面相对，使所述光纤接头的出射光垂直于所述光探测器中波导层的光入射面射出。

10.根据权利要求9所述的光学装置，其特征在于，所述光纤接头与所述光电转换器件设置在基座上。

11.根据权利要求10所述的光学装置，其特征在于，所述基座包括第一基座和第二基座；

所述光纤接头设置在所述第一基座上，所述光电转换器件设置在所述第二基座上，且所述第一基座的高度低于所述第二基座的高度，使所述光纤接头的出射光从所述波导层的光入射面与波导层的光学中心轴的交点射入所述光电转换器件。