高速、宽光学带宽和高效谐振腔增强的光电检测器

技术领域

本发明的实施例总体上涉及光电检测器领域。更具体地，本发明的实 施例涉及一种用于单个光电检测器的装置和系统，其具有宽光学带宽和在 宽光学带宽内的高效率。

背景技术

随着对高速数据传送（例如，每个信道25Gb/s）的需求在增大，将具 有光电检测器的光学系统用于接收高速数据。这种光电检测器被设计为在 用于特定范围的电信波长的光学接收机中有效地工作。例如，一组光电检 测器被设计为检测短通信距离波长（short haul wavelength）（例如，850nm） 的入射光。另一组光电检测器被设计为检测O-波段波长（例如，1260nm到 1380nm）的入射光。另一组光电检测器被设计为检测用于洲际通信（例如， 1550nm)的长通信距离波长的入射光。

因此，取决于将入射光的哪个频率（或波长）范围用于光学系统中， 设计了具有特定光电检测器的特定（或定制）光学接收机，用于操作以检 测该波长范围的入射光。因此，定制的光学接收机在仍提供每信道25Gb/s 的数据速率传送的同时，不能用于检测宽波长范围的光，例如用于检测小 于900nm的波长和在1260nm到1380nm范围中的波长。结果，在光学系统 中使用多个定制的接收机来接收/检测宽波长范围的光，从而有可能使得光 学系统的成本高。

附图说明

依据以下给出的本发明的多个实施例的详细说明和附图会更充分地理 解本发明的实施例，但不应将本发明的实施例理解为将本发明局限于特定 实施例，而仅是用于解释和理解。

图1示出了根据本发明的一个实施例的光电检测器的横截面，其可操 作以吸收波长小于900nm和波长范围为1260nm到1380nm的光。

图2示出了根据本发明的一个实施例的图1的光电检测器的顶视图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的基于图1和图2的光电检测器 的光电检测器阵列。

图4示出了根据本发明的一个实施例的在光学接收机中具有图1的光 电检测器的光学系统。

具体实施方式

本发明的实施例描述了一种用于具有一个或多个谐振腔增强的（RCE） 光电检测器的单个光学接收机的装置和系统，所述光电检测器具有宽光学 带宽和高效率，并被配置为允许每个信道的高数据速率。

术语每个信道的高数据速率表示每个信道大约25Gb/s的数据速率。本 文的术语宽光学带宽指代吸收波长小于900nm和波长范围为1260nm到 1380nm的光的能力。

在一个实施例中，RCE光电检测器中的层的厚度被配置为吸收波长小 于900nm和波长范围为1260nm到1380nm的光。在这个实施例中，具有 RCE光电检测器的单个光学接收机能够在无需特定/定制的光学接收机的情 况下操作用于入射光的宽波长范围，以检测波长小于900nm的光或者波长 范围为1260nm到1380nm的光，同时保持每个信道大约25Gb/s的高数据 速率。

在以下说明中，论述了多个细节以提供对本发明的实施例的更透彻的 解释。但对于本领域技术人员来说，显然可以在无需这些特定细节的情况 下实现本发明的实施例。在其它情况下，以方框图的形式而非详细地显示 了公知的结构和设备，以便避免使得本发明的实施例模糊不清。在以下说 明中，将RCE光电检测器可互换地称为光电检测器。

图1示出了根据本发明的一个实施例的检测入射光101的光电检测器 100的横截面。在一个实施例中，光电检测器100包括第一掺杂类型的第一 二极管区106，用于接收入射光101。在一个实施例中，第一二极管区106 由锗（Ge）或硅（Si）构成，在此，第一掺杂类型是N或P掺杂类型。在 一个实施例中，将磷用于N掺杂类型，而将硼用于P型掺杂类型。在其它 实施例中，其它化学制品（元素和/或化合物）可以用于产生用于Ge或Si 的N型掺杂和P型掺杂。

光电检测器100进一步包括第二掺杂类型的第二二极管区108。在一个 实施例中，第二二极管区108由Si构成，第二掺杂类型与第一二极管区的 第一掺杂类型极性相反。例如，如果第一掺杂类型是N掺杂类型，那么第 二掺杂类型就是P掺杂类型，反之亦然。在一个实施例中，第二二极管区 108的厚度范围为从529nm到551nm。在一个实施例中，第二二极管区108 的厚度是540nm。

光电检测器100进一步包括活性区105，用于将接收的光转换为电子信 号。在一个实施例中，活性区105被配置为位于第一二极管区106与第二 二极管区108之间。在一个实施例中，活性区由Ge构成。在一个实施例中， 活性区105的厚度范围为从1078nm到1122nm，以便以高光学响应吸收波 长小于900nm的光。在一个实施例中，活性区105的厚度是1100nm，以便 以高光学响应吸收波长小于900nm的光。

本文的术语光学响应也称为量子效率（η），指代光电检测器对入射光 的吸收的百分比。本文的术语高η指代光电检测器对入射光的80％或更多 的吸收。

图1中的箭头112表示单程的对波长小于900nm的光的吸收，即很少 有或无入射光的反射，活性区105吸收了几乎全部的（80％及更多）入射 光101。在一个实施例中，活性区105的厚度约为设计为吸收波长为1310nm 的光的典型的基于Ge的法线入射光电检测器中使用的厚度的一半。

本领域技术人员会认识到，在接收到入射光时，在活性区中产生了电 子和空穴。这些电子/空穴产生表示入射光的电信号。

在一个实施例中，反射器109耦合到第二二极管区108和衬底110。在 一个实施例中，反射器109包括分别夹置在氧化硅（SiO₂）层113与115 之间的Si层114的双框层（double box layer）。在一个实施例中，Si层114 具有276nm到288nm的厚度，而SiO₂层113与115具有范围为223nm到 233nm的厚度。在一个实施例中，Si层114的厚度是282nm。在一个实施 例中，SiO₂层的厚度是228nm。在一个实施例中，反射器109的层的厚度 被配置为通过创建用于入射光101的多程光路来有效地增大Ge活性区105 的厚度（实际上没有增大厚度）。在这个实施例中，较薄的Ge活性区105 －比典型的光电检测器薄－导致相比于典型的光电检测器的较高的速度， 同时保持了高量子效率。

本领域技术人员会认识到，活性区越厚，量子效率越高，且光电检测 器越慢。对于较薄的活性区而言情况相反。较厚的活性区导致较慢的光电 检测器，因为用于光电检测器的渡越时间较长。

本文的术语渡越时间指代最慢的载流子从活性区105的一端传播到活 性区105的另一端所花费的时间，即一旦活性区105接收到入射光101，活 性区105中最慢的载流子到达金属触点107所花费的时间。

如上所述，相比于典型的Ge活性区，本发明的实施例以较薄的Ge活 性区105实现了较高的量子效率，从而实现了每个信道25Gb/s的数据传送 所需的高渡越时间。

在一个实施例中，反射器109被配置为反射波长范围为1260nm到 1380nm的光。该反射光由箭头111示出。在一个实施例中，由反射器109 反射的光还部分地由界面层103反射，导致波长为1260nm到1380nm的入 射光的较大百分比在活性区105内通过多次反射而被吸收。在一个实施例 中，反射器109是双绝缘体上硅（DSOI）反射器。在另一个实施例中，反 射器109是分布式布拉格反射器（DBR）。

在一个实施例中，Si层114的厚度是由Si折射率归一化的光波长的四 分之一的奇数倍，而第二二极管区108的厚度不必是四分之一光波长的奇 数倍，如在典型DBR结构中所见到的。在本发明的实施例中，第二二极管 区108的厚度被配置为使得光电检测器100的量子效率最大化，并且不是 四分之一光波长的倍数。在这个实施例中，这个谐振腔光电检测器100的 总体量子效率在1260nm到1380nm的宽波长范围上比典型的谐振器光电检 测器的高。

如上所述，光电检测器100进一步包括界面层103，具有抗反射涂层 （ARC），并耦合到钝化层104。在一个实施例中，钝化层104围绕一部分 活性区105和第一二极管区106。在一个实施例中，ARC由氮化硅（Si₃N₄） 构成。在另一个实施例中，ARC由氧化硅（SiO₂）构成。在一个实施例中， 具有由Si₃N₄构成的ARC的界面层103的厚度范围为从500nm到521nm。 在一个实施例中，由Si₃N₄构成的ARC层的厚度是511nm。

在一个实施例中，耦合到界面层103和第一二极管区106的钝化层104 的部分是第一掺杂类型的。在一个实施例中，钝化层104由Si构成。在一 个实施例中，钝化层104由非晶硅构成。在另一个实施例中，钝化层104 由多晶硅构成。钝化层104的厚度是使得器件光学/光吸收最大化，同时有 助于抑制暗电流的值。在一个实施例中，钝化层104的厚度或者小于30nm 或者范围为从184nm到192nm。在一个实施例中，钝化层104的厚度是 188nm。光电检测器100进一步包括衬底110，其由高阻抗Si构成。在一个 实施例中，衬底的高电阻率约为100ohm-cm，这使得对光电检测器的速度 有不利影响的寄生效应最小化。

根据本发明的一个实施例，经由电触点102和107收集由入射光产生 的电流。在一个实施例中，触点102耦合到第一二极管区，而触点107耦 合到第二二极管区。

图2示出了根据本发明的一个实施例的图1的光电检测器100的顶视 图200。参考图1来说明图2。顶视图200的中心中的圆圈103是光电检测 器100的界面层103。金属触点102和107向光电检测器100提供电连接， 以传送由光电检测器100从入射光101产生的电流。圆圈103具有直径201， 其表示光电检测器的尺寸。在一个实施例中，光电检测器的直径201是30μm 或更小。较大的直径意味着用以接收入射光的较大的界面。

图3示出了根据本发明的一个实施例的基于图1和图2的光电检测器 的光电检测器200_1-N的阵列300。在一个实施例中，N是2。在另一个实施 例中，N是6。在其它实施例中，N可以是除2和6以外的不同数量。在一 个实施例中，阵列300位于图4所示的光学接收机中。

图4示出了根据本发明的一个实施例的光学系统400，其具有在光学接 收机300中的图1的光电检测器。在一个实施例中，系统400包括一个或 多个光学发射机401_1-N。光学发射机401_1-N中的每一个光学发射机都包括耦 合到发射机407的电光转换单元406。在一个实施例中，发射机407经由多 路复用器405、光学波导403和解复用器404向光学接收机402_1-N发送具有 小于900nm的波长或1260nm到1380nm范围内的波长的光学信号。

在一个实施例中，光学接收机402_1-N中的每一个光学接收机都包括接 收机300，其耦合到光电转换单元408。在一个实施例中，接收机300包括 光电检测器的阵列300。在一个实施例中，解复用器404将光学发射机401_1-N中的光学发射机耦合到光学接收机402_1-N中相应的光学接收机。在一个实 施例中，光学波导是光学通用串行总线（USB）线缆。在一个实施例中， 光学发射机401_1-N和接收机401_1-N位于它们各自的计算机系统（未示出）中。

在一个实施例中，每一个发射机406都向光学接收机402_1-N发送以特 定波长为中心的窄带光学信号。传统上，需要定制的接收机来接收/吸收由 发射机发送的以该特定波长为中心的光。然而，在本文所述的实施例中， 接收机300被配置为吸收宽范围的波长，即小于900nm的波长和1260nm 到1380nm范围的波长，所以就不再需要定制的接收机。

说明书中对“一实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”或“其它实 施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包含在至少一 些实施例中，但不必是全部实施例。“一实施例”、“一个实施例”或“一些 实施例”的多次出现不必全部指代相同的实施例。如果说明书表述部件、 特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包含，那么该特定部件、 特征、结构或特性不是必须被包含的。如果说明书或权利要求提及“一” 要素，其并非表示仅存在一个要素。如果说明书或权利要求提及“一另外 的”要素，其并不排除存在多于一个另外的要素。

尽管结合其特定实施例说明了本发明，但根据前面的说明，这些实施 例的许多替换、修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。 本发明的实施例旨在包含所有落入所附权利要求书的宽泛范围内的这种替 换、修改和变化。