專利名稱：單片相干光探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及光數(shù)據(jù)通信，更具體地，涉及用于光接收機的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
這一部分介紹了有助于更好地理解本發(fā)明的一些內(nèi)容。因此，應(yīng)該這樣理解這一 部分的陳述，即不應(yīng)該將其理解為對于什么是現(xiàn)有技術(shù)或者什么不是現(xiàn)有技術(shù)的承認。一些帶寬高效光調(diào)制方案使用相移鍵控(phase-shift keying)而不是簡單的開 關(guān)鍵控(on-off keying)來將數(shù)據(jù)調(diào)制到光載波上。在這些方案中，光接收機可以使用光 本地振蕩器來從接收到的調(diào)制光載波中解調(diào)數(shù)據(jù)。本地振蕩器提供參考信號，該參考信號 用于將調(diào)制光載波下混頻至例如基帶。在這些方案中，光接收機可以包括光分束器、90°光混合器、光本地振蕩器和光電 探測器。光分束器可以基于偏振來分離入射光束的不同偏振分量，以便分別進行處理。光 混合器可以將接收到的調(diào)制光載波與來自光本地振蕩器的相干光進行光學(xué)地混合以產(chǎn)生 下混頻的光信號。光電二極管可以探測這種下混頻的光信號的強度來產(chǎn)生電信號，該電信 號可用于恢復(fù)由接收到的調(diào)制光載波所攜帶的數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
各個實施例提出了平面襯底上的相干光接收機、制造這種光接收機的方法和/或 操作這種光接收機的方法。該相干光接收機可以單片地集成光學(xué)部件和電學(xué)部件，所述光 學(xué)部件將調(diào)制光載波與光參考載波光學(xué)地混合，所述電學(xué)部件根據(jù)由光學(xué)混合產(chǎn)生的信號 來探測調(diào)制光載波所攜帶的同相和正交相位數(shù)據(jù)流。在第一實施例中，光接收機具有單片集成光電回路，所述單片集成光電回路包括 具有平面表面的襯底。沿平面表面，單片集成光電回路至少包括光混合器、一個或多個可變 光衰減器和光電探測器。光混合器連接來接收光束，以將接收到的具有多個相對相位的光 束的光進行干涉，并且經(jīng)由其光輸出來輸出干涉后的光。所述一個或多個可變光學(xué)衰減器 中的每一個連接在相應(yīng)的光輸出和相應(yīng)的光電探測器之間。在一些具體的第一實施例中，集成光電回路包括沿所述表面定位的偏振分束器和 光本地振蕩器。集成光電回路連接來從所述光本地振蕩器接收光，使得偏振分束器將所述 光分為兩個光束。集成光電回路配置為執(zhí)行所述分束，而不會在橫電偏振模式和橫磁偏振 模式之間交換接收到的光的能量。在一些具體的第一實施例中，光接收機包括反饋控制器，連接來操作可變光衰減
4器，以對由光混合器的第一光輸出傳送至一個光電探測器的時間平均光強度和由光混合器 的第二光輸出傳送至另一光電探測器的時間平均光強度之間的差進行補償。在一些具體的第一實施例中，光混合器包括平面多模干涉器件，配置為在其不同 的光學(xué)輸出處輸出光強度，所述光強度表示由光接收機接收到的調(diào)制光載波的不同的第一 和第二相位分量。第一光接收機也可以包括反饋控制器，連接來按照以下方式操作光混合 器中的移相器減小光電探測器對同相和正交相位分量的光強度測量的時間平均之間的不 平衡。在一些具體的第一實施例中，單片集成光電回路沿平面表面包括一對偏振分束 器、第二光混合器、一個或多個第二可變光衰減器和第二光電探測器。第二可變光衰減器中 的每一個連接在第二光混合器的相應(yīng)光輸出和相應(yīng)的第二光電探測器之間。每一個光混合 器連接來從兩個偏振分束器接收光。每一個光混合器也可以配置為輸出一個或多個光束， 所述一個或多個光束的強度表示由光接收機接收到的調(diào)制光載波的同相分量上調(diào)制和調(diào) 制光載波的正交相位分量上調(diào)制的數(shù)據(jù)。在第二實施例中，光接收機包括平面襯底，所述平面襯底具有位于其表面上的多 個半導(dǎo)體層。對所述層進行構(gòu)圖以在所述表面上形成兩個光混合器、多個可變光衰減器；以 及多個光電探測器。所述光混合器的一些光輸出經(jīng)由所述可變光衰減器連接至相應(yīng)的光電 探測器。所述光混合器和所述可變光衰減器包括垂直p-n、n-p、n-i-p或p-i-n摻雜的半導(dǎo) 體層結(jié)構(gòu)。在一些具體的第二實施例中，可變光衰減器包括垂直順序的光混合器的半導(dǎo)體合
^^ ο在一些具體的第二實施例中，在沒有偏置的情況下，光混合器和可變光衰減器的 摻雜半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)對于C波段通信波長處的光是透明的。在一些具體的第二實施例中，光電探測器是光電二極管，所述光電二極管包括光 混合器的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)中的多個半導(dǎo)體層。在一些具體的第二實施例中，光接收機包括沿著所述表面并且位于所述表面上方 的第一和第二偏振分束器。每一個偏振分束器配置為將其中接收到的光的一個偏振分量傳 輸至第一光混合器，并且配置為將其中接收到的光的另一偏振分量傳輸至第二光混合器。在第三實施例中，光接收機包括單片集成光電回路，所述單片集成光電回路包括 具有平面表面的襯底。該回路包括沿所述表面定位的兩個偏振分束器、兩個光混合器和光 電探測器。每一個光混合器連接來從兩個偏振分束器接收光束，以將接收到的光束的光進 行干涉，并且經(jīng)由其光輸出將干涉后的光輸出至一些光電探測器。每一個偏振分束器包括 干涉儀。所述干涉儀包括輸入光耦合器、輸出光耦合器和兩個內(nèi)部光波導(dǎo)，所述內(nèi)部光波導(dǎo) 將輸入光耦合器的光輸出連接至輸出光耦合器的相應(yīng)光輸入。這兩個光波導(dǎo)具有不同的橫 向?qū)挾?。在一些具體的第三實施例中，干涉儀配置為在其一個光輸出處發(fā)射一種偏振模 式，在其另一輸出處發(fā)射不同的偏振模式。在一些具體的第三實施例中，光混合器之一包括平面多模干涉器件，配置為在其 不同的光輸出處輸出光強度。這些光強度表示由光接收機接收到的調(diào)制光載波的不同的第
一和第二相位分量。
在一些具體的第三實施例中，光混合器包括垂直p-n、n-p、n-i-p或p-i-n摻雜的 半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。在第四實施例中，光接收機包括單片集成光電回路，包括具有平面表面的襯底。沿 所述表面，單片集成光電回路包括兩個偏振分束器、兩個光混合器和光電探測器。光接收機 包括光本地振蕩器。該回路連接來按照與被連接來接收參考光載波的偏振分束器的任一偏 振分束軸不對齊的偏振模式，從光本地振蕩器接收參考光載波。在一些具體的第四實施例中，單片集成光電回路用于從光本地振蕩器接收參考光 載波并且分離其不同偏振模式的部分配置為實質(zhì)上不會在橫磁模式和橫電模式之間轉(zhuǎn)移 參考光載波的光能量。在一些具體的第四實施例中，每一個光混合器連接來從兩個偏振分束器接收光 束，以將接收到的光束的光進行干涉，以及經(jīng)由其光輸出來輸出干涉后的光。在一些具體的第四實施例中，光混合器之一包括平面多模干涉器件，配置為在其 不同光輸出處輸出光強度。這些光強度表示由光接收機接收到的調(diào)制光載波的不同的第一 和第二相位分量。


在附圖和具體實施方式
部分中描述各種實施例。不過本發(fā)明可以按照不同的形式 來實現(xiàn)，并且不局限于在附圖和具體實施方式
部分中所述的實施例。圖IA是示意性地示出了配置用于相干光探測的光接收機的一個實施例的頂視 圖；圖IB是示意性地示出了偏振分束器(PBQ的干涉儀實施例的頂視圖，該PBS例如 適用于圖IA的PBS;圖IC是示出了一對光電二極管的操作電路的一個實施例的電路圖，所述一對光 電二極管對來自光混合器的光輸出的光強度進行差分檢測，例如用于與圖IA的光混合器 一起使用；圖2A是示出了圖1的無源光波導(dǎo)的一個實施例的各部分的截面圖，例如沿其中的 0-0線、A-A線、B-B線和/或C-C線；圖2B是示出了圖1的可變光衰減器的一個實施例的截面圖，例如沿其中的D-D 線.
一入 ，圖2C是示出了圖1的光電探測器的一個實施例的截面圖，例如沿其中的E-E線和 /或F-F線；圖3A是示出了光混合器的一個實施例的頂視圖，例如圖IA的光混合器；圖;3B是示出了光混合器的另一實施例的頂視圖，例如圖IA的光混合器；圖4A是示出了圖IA和圖2A的無源光波導(dǎo)的特定實施例的截面圖；圖4B是示出了圖IA和圖2C的光電探測器的一個實施例的截面圖；以及圖5是示出了圖1的光接收機的一個實施例的一部分的部分頂視圖。在各附圖中，相同附圖標(biāo)記表示具有相似或相同功能的元件。在一些附圖中，某些特征的相對尺寸可能進行了夸大以便更好地向本領(lǐng)域技術(shù)人 員說明實施例。
具體實施例方式對在此描述的平面結(jié)構(gòu)中的一些光偏振傳播模式進行討論，是有用的。這里，橫電 (TE)光指的是光的電場與傳播方向垂直、且典型地也與襯底的相鄰平面表面基本平行的最 低傳播模式。同樣，橫磁(TM)光指的是光的磁場與傳播方向垂直、且典型地也與襯底的相 鄰平面表面基本平行的最低傳播模式。TE光和TM光典型地形成平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的正交傳 播模式。圖IA示出了光接收機10的示例，所述光接收機配置為對接收到的調(diào)制光載波的 兩個不同偏振分量(例如，正交的TE光和TM光)執(zhí)行相干光學(xué)探測。在一些實施例中，光 接收機10可以配置為作為偏振分集(polarization-diverse)器件來操作，所述偏振分集 器件按照與接收到的調(diào)制光載波的實質(zhì)上平面偏振基本無關(guān)的方式對接收到的調(diào)制光載 波進行解碼。在一些其他實施例中，光接收機10可以配置為對分別在光載波的兩個正交平 面偏振分量上調(diào)制的第一和第二數(shù)據(jù)流進行獨立地解碼。在其他實施例中，光接收機10可以配置為只對接收到的調(diào)制光載波的單一偏振 分量進行解碼，并且例如不包括偏振分束器(PBS) 18a、18b。光接收機10從第一光波導(dǎo)12接收已調(diào)制的光載波，并且從第二光波導(dǎo)14接收參 考光載波。調(diào)制光載波可以由第一光波導(dǎo)12從光通信線路傳送而來。參考光載波可以由 第二光波導(dǎo)14從光本地振蕩器16傳送而來。光本地振蕩器16可以包括例如激光器，該激 光器以大約為從第一光波導(dǎo)12接收到的調(diào)制光載波的波長，產(chǎn)生相干連續(xù)波光用于參考 光載波。實際上，光本地振蕩器16可以被相位和/或頻率鎖定至調(diào)制光載波，或者可以并 非如此。第一光波導(dǎo)12可以是例如在C波段和/或L波段通信波長處支持單模工作的標(biāo) 準(zhǔn)傳輸光纖。第一光波導(dǎo)12可以例如經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡而端面耦合至光接收機10。第二光波導(dǎo)14可以將選定平面偏振態(tài)(例如TM光和TE光的旋轉(zhuǎn))的參考光載 波傳送至光接收機10。例如，第二光波導(dǎo)14可以是保偏光纖或者一串相接合(spliced)的 保偏光纖。第二光波導(dǎo)12也可以經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡而端面耦合至光接收機10。第二光波導(dǎo)14 例如在第二光波導(dǎo)14的另一端面處從光本地振蕩器16接收光。光接收機10包括沿襯底的平面表面定位的單片集成光電回路。該集成光電回路 可以包括偏振分束器(PBQ 18a、18b ；光混合器20a、20b ；可變光衰減器22a、22b、22c、22d ； 以及光電探測器Ma J4b，并且例如可以包括電跨導(dǎo)放大器。在具有PBS 18a、18b的實施例中，第一 PBS 18a例如經(jīng)由保偏光波導(dǎo)(PMOW)連接 來從第一光波導(dǎo)12接收調(diào)制光載波，第二 PBS 18b類似地連接來經(jīng)由第二光波導(dǎo)14接收 光本地振蕩器16的光。第二光波導(dǎo)14可以配置為按照特定的平面偏振態(tài)將光傳送至單片集成光電回 路。具體地，該單片集成光電回路的光學(xué)部件典型地將不會旋轉(zhuǎn)接收到的光的偏振態(tài)。例 如，保偏光波導(dǎo)(PMOW)，偏振分束器(PBQ 18a、18b，光混合器20a、20b和可變光衰減器22a、 22b、22c、22d典型地不會執(zhí)行這種旋轉(zhuǎn)。即，單片集成光電回路以及第二 PBS 1 配置為 實質(zhì)上不會使外部傳送至第二光波導(dǎo)14的光能在橫磁模式與橫電模式之間轉(zhuǎn)移。為此原 因，將參考光載波按照特定的偏振態(tài)傳送可以合意地并且可預(yù)測地影響單片集成光電回路對調(diào)制光載波的處理。一種滿意的傳送模式將所傳送的參考光載波的偏振按照相對于第二 PBS 18b的 偏振軸成約45°的角度對齊。例如，第二光波導(dǎo)14可以按照相對于PBS 18b的偏振軸傾斜 約45° (例如約40°至50° )的偏振，來傳送參考光載波。對于這種傳送結(jié)構(gòu)，PBS 18b 將典型地向其每一個光輸出發(fā)送大致相等的光強。為了產(chǎn)生上述配置，光本地振蕩器16可以被對齊為向第二光波導(dǎo)14發(fā)射偏振沿 著其中一個偏振軸對齊的光，并且第二光波導(dǎo)14的該偏振軸可以相對于下部的PBS 18b的 偏振軸傾斜約45°。可選地，第二光波導(dǎo)14的第一段可以具有與PBS 18b的偏振軸對齊的 偏振軸，但是對其進行激勵以攜帶相對于第二光波導(dǎo)14的偏振軸成約45°偏振的參考光 載波的光。這種激勵可以通過將光本地振蕩器16對齊為發(fā)射沿保偏光纖的第二段的偏振 軸偏振的光來產(chǎn)生，在保偏光纖中將第二段與第一段接合，使得這兩段的偏振軸相對傾斜 約45°，例如40°至50°。如果該平面光回路的光學(xué)部件具有偏振相關(guān)的插損，可以將所傳送的參考光載波 的偏振相對于PBS 18b的純(pure)偏振軸的傾斜調(diào)節(jié)為遠離45°。具體地，可以將該傾斜 設(shè)置為使更多的光耦合到承受平面光回路中最高損耗的偏振分量中。這種傾斜可能有助于 當(dāng)參考光載波在平面光回路中與調(diào)制光載波混合時對參考光載波的兩種偏振的強度進行 平衡。圖IB示出了可以適用于圖IA的PBS 18a、18b的平面PBS 18的示例。平面PBS 18包括1X2輸入光耦合器(IOC)、2X2輸出光耦合器(OOC)以及第一和第二無源內(nèi)部光 波導(dǎo)(PIOW)，所述無源內(nèi)部光波導(dǎo)分別將輸入光耦合器IOC的光輸出連接至輸出光耦合器 OOC的光輸入。輸入和輸出光耦合器可以具有例如常規(guī)的50/50功率光耦合器的形式。第 一和第二無源內(nèi)部光波導(dǎo)PIOW具有橫向?qū)挾炔煌牡谝缓偷诙L段1、2。無源內(nèi)部光波導(dǎo) PIOW還包括光過渡區(qū)5，該光過渡區(qū)5將具有不同橫向?qū)挾鹊亩谓^熱地(adiabatically) 連接至光耦合器I0C、00C。第一和第二段1、2的橫向?qū)挾炔顚τ诘谝缓偷诙o源內(nèi)部光波導(dǎo)PIOW中的TE光 和TM光產(chǎn)生不同的相對光程長度。在這兩個光波導(dǎo)之間，對于TE光的相對光程長度差減 去對于TM光的相對光程長度差大約等于L [ (nTE-nTM) r (nTE-nTM) 2]。這里，L是無源內(nèi)部光波 導(dǎo)PIOW的第一和第二段1、2的長度，nTE和nTW分別是其中的TE光和TM光的折射率，下標(biāo) “1”和“2”，即nTE1、nTE2、nTM1、nTM2分別指的是第一和第二無源內(nèi)部光波導(dǎo)PI0W。在PBS 18中，選擇第一和第二段1、2的長度L和寬度，以在輸出光耦合器OOC中 進行干涉的光之間產(chǎn)生所需的相對相位差。具體地，選擇所述相對相位差，使得在選定的波 段至，PBS 18的第一光輸出3基本上只發(fā)射TE光，PBS 18的第二光輸出4基本上只發(fā)射 TM光。對于通信C波段中的光，如果第一段1的脊具有約1.5至2.5微米的橫向?qū)挾?例 如2微米)且第二段2的脊具有約3. 5至4. 5微米的橫向?qū)挾?例如4微米)，則可以實現(xiàn) TE光和TM光的這種所需分離。這種芯區(qū)寬度可以在段1、2之間對于TE光和TM光產(chǎn)生約 2. 5 X ΙΟ"3的折射率差。于是，選擇段1、2的長度L，使得TM光在輸出光耦合器OOC的第一 光輸出3中相消干涉，而TE光在輸出光耦合器OOC的第二光輸出4中相消干涉。因此，選 擇段1、2的長度L和寬度，以使PBS 18充當(dāng)偏振模式分離器。在Christopher Doerr 于 2008 年 8 月 19 日遞交的題為 “PLANARP0LARIZATI0N
8SPLITTER”的美國專利申請中描述了用于PBS的一些類似或相同結(jié)構(gòu)和/或制造和/或使 用這種PBS的方法。將該專利申請整體結(jié)合在此作為參考。在其他實施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他平面構(gòu)造可以用于制造圖IA的偏 振分束器18a、18b。PBS 18a、18b的光輸出例如經(jīng)由保偏光波導(dǎo)(PMOW)連接至光混合器20a、20b的光 輸入。每一個光混合器20a、20b具有兩個光輸入和兩對光輸出，并且被配置為將在一個 光輸入上接收到的參考光載波的光的偏振模式與在另一光輸入上接收到的調(diào)制光載波的 光的相同偏振模式進行混合。即，每一個光混合器20a、20b連接為從兩個PBS 18a、18b的 相應(yīng)輸出接收并且實質(zhì)上干涉相同偏振模式的光。為此原因，每一個PBS 18a、18b可以配 置為在其一個光輸出上提供高純度偏振模式。例如，PBS 18a可以配置為在與第一光混合 器20a相耦合的光輸出上產(chǎn)生高純度TE光，PBS 18b可以配置為在與第二光混合器20b相 耦合的光輸出上產(chǎn)生高純度TM光。對于PBS18a、18b的這種設(shè)計對于確保每一個光混合器 20a、20b所輸出的光提供對于單獨偏振模式的測量，可以是有用的。在圖IB的PBS 18中， 例如可以通過略微地調(diào)節(jié)無源內(nèi)部光波導(dǎo)PIOW的兩段1、2的相對長度，來產(chǎn)生這種選擇性 的高輸出偏振純度。每一個光混合器20a、20b配置為在第一對光輸出處發(fā)射這樣的光強度，所述光強 度的差大致與調(diào)制光載波的相關(guān)偏振模式的同相分量的強度成比例，并且配置為在另外的 第二對光輸出處發(fā)射這樣的光強度，所述光強度的差大致與調(diào)制光載波的相同偏振模式的 正交相位分量的強度成比例。即，對于與接收到的調(diào)制光載波相匹配的光本地振蕩器頻率 和相位，一對光輸出實現(xiàn)調(diào)制光載波的同相分量的差分檢測，而另一對光輸出提供調(diào)制光 載波的相對90°或270°延遲相位分量即正交相位分量的差分檢測。在一些備選實施例中，可以按照適用于單端檢測(未示出)的方式來構(gòu)造光混合 器20a、20b。在這種實施例中，來自每一個光混合器20a、20b的第一光輸出的光強度大致與 接收到的調(diào)制光載波的一個偏振模式的同相分量的強度成比例。在這種實施例中，每一個 光混合器20a、20b的第二光輸出所輸出的光強度大致與調(diào)制光載波的相同偏振模式的正 交相位分量的強度成比例。每一個光混合器20a、20b具有光輸出，在光輸出中接收到的調(diào)制光載波和參考光 載波的光發(fā)生干涉。在一對光輸出或者例如備選的單端實施例的單一光輸出處，干涉所產(chǎn) 生的光的強度是調(diào)制光載波的一個相位分量的測量。在另一對光輸出或單獨光輸出(未示 出)處，以不同的相對相位差(例如，約90°的相對相位)執(zhí)行干涉，使得其中的光強度提 供對于調(diào)制光載波的另一個相位分量的測量。例如，這兩個測量的相位分量可以是調(diào)制光 載波的同相和正交相位分量。光混合器20a、20b的一些或所有光輸出可以串聯(lián)連接至相應(yīng)的可變光衰減器 (VOA) 2h、2^、22c、22d。VOA 2h_22d使得能夠調(diào)節(jié)在單獨的光輸出處產(chǎn)生的光強度。例 如，光混合器20a、20b的每一個光輸出可以如圖IA所示連接至單獨的VOA 22a_22d，使得 可以單獨地調(diào)節(jié)來自該組光輸出的光強度為基本上相等，例如響應(yīng)于在將光傳輸至VOA 22a-22d的單獨光波導(dǎo)中的時間平均光強度的任意集合。VOA 2h_22d的這種配置可以配 置為對光混合器20a、20b的光輸出所發(fā)射的相對光強度中的變化進行校正，其中所述變化是由光接收機10的制造誤差和/或使用相關(guān)老化而引起的。VOA 22a-22d的示例包括對于光電探測器的垂直結(jié)構(gòu)，所述光電感測器可以電學(xué) 地操作來提供變化量的光衰減。在這些垂直結(jié)構(gòu)中，可以在波導(dǎo)脊兩端施加電壓以偏移波 導(dǎo)脊層的帶邊，使得帶隙小于正由光接收機10處理的光的單光子的能量，從而在該層中引 起光吸收。每一個光電探測器Ma、24b定位并且配置為探測由光混合器20a、20b之一的相應(yīng) 光輸出發(fā)射的光強度。各光電探測器Ma、24b可以是例如光電晶體管或光電二極管。光電 探測器Ma、24b可以成對連接，例如順序連接的光電二極管，以提供對來自光混合器20a、 20b的每一對相應(yīng)光輸出的光強度的差分檢測。備選地，光電探測器Ma、24b也可以是單 端光電二極管或者光電晶體管，所述單端光電二極管或光電晶體管連接為實現(xiàn)對光混合器 20a、20b的各單獨光輸出(未示出)所發(fā)射的光強度的直接測量。在多種實施例中，光電探測器Ma、24b測量光強度，所述光強度實現(xiàn)了對接收到 的調(diào)制光載波的不同相位分量(例如同相和正交相位分量)上所調(diào)制的數(shù)據(jù)的檢測。與不 同光混合器20a、20b的光輸出相連的光電探測器Ma、24b對與接收到的調(diào)制光載波的不同 偏振模式(例如TE模式和正交的TM模式)上所調(diào)制的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的光強度進行測量。光電探測器Ma、24b可以連接至對其測量進行各種處理的電路，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (未示出)和數(shù)字信號處理器(DSP)26。首先，該電路可以提供偏振分集檢測并且對接收到 的調(diào)制光載波所承載的數(shù)據(jù)流進行解碼。其次，該電路可以交替地提供在接收到的調(diào)制光 載波的不同偏振模式(例如TM模和TE模)上調(diào)制的獨立數(shù)據(jù)流的檢測和解碼。圖IC示出了針對圖IA中光電探測器Ma、24b的一個實施例的工作電路的一個實 施例。在該實施例中，每一個光電探測器Ma、24b是光電二極管，并且光電二極管連接成 串聯(lián)連接的對，這些串聯(lián)連接的對提供對于來自光混合器20a、20b的光輸出的光的差分檢 測。在每一個串聯(lián)連接對中，外側(cè)端子連接在DC電壓驅(qū)動器兩端，即示出為士 V端子。每 一個串聯(lián)連接對的外側(cè)端子還經(jīng)由DC隔離電容器Cl接地(G)。DC隔離電容器Cl可以在 不同的串聯(lián)連接光電二極管對Ma、24b之間共享。外側(cè)端子也可以將每一對串聯(lián)連接光電 二極管Ma、24b連接在電容器C2兩端，電容器C2切斷高頻信號的檢測。電容器C2也可以 在不同的這種串聯(lián)連接二極管對Ma、24b之間共享。每一對中串聯(lián)連接的光電二極管Ma、 24b之間的端子S承載的電流表示由該對光電二極管Ma、24b探測到的光強度之差。該端 子可以連接至電放大器(AMP)，例如跨導(dǎo)電放大器，以提供電輸出信號。電放大器(AMP)可 以將所述電輸出信號傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)進行數(shù)字化，然后再由DSP沈進行處理例如 從數(shù)字化的信號解碼出數(shù)據(jù)流。再參考圖1A，由于在參考光載波和接收到的調(diào)制光載波之間缺少完美的頻率、相 位和/或偏振匹配，數(shù)字信號處理器DSP沈還可以配置為對缺少這種完美的頻率、相位和 /或偏振匹配進行補償。為此原因，DSP沈可以從相應(yīng)的光電探測器Ma、24b組接收被放 大和數(shù)字化的電輸出信號，并且對所述電輸出信號執(zhí)行這種補償。在一件或多件美國專利 申請中可以找到對于這種DSP 26的設(shè)計示例，例如Ut-Va Koc于2006年12月22日遞交 的美國專利申請No. 11/644, 555, Young-Kai Chen等人于2005年8月15日遞交的美國專 利申請No. 11/204, 607 ；以及^ung-Kai Chen等人于2006年12月22日遞交的美國專利 申請No. 11/644,536。將這三件專利申請整體結(jié)合在此作為參考。
光接收機10可以包括平面光電集成回路，如圖2A、2B和2C所示，該平面光電集成 回路將PBS 18&、1813，光混合器2(^、2013，VOA 2h_22d和光電探測器Ma、24b單片集成在 單一半導(dǎo)體或電介質(zhì)平面襯底30上的分層結(jié)構(gòu)中。例如圖1A-1C所示的電放大器(AMP)、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和DSP之類的其他相關(guān)電路可以或者也可以不單片集成在該襯底30上。 按照單片集成形式制造這種混合光電回路可以改進生產(chǎn)率和/或減小相干光探測器10的 制造成本。圖2A沿圖IA的例如橫截面0-0、A_A、B-B和C-C示出了光接收機10的無源部分 和保偏平面光波導(dǎo)部分的垂直層結(jié)構(gòu)的示例。每一個平面光波導(dǎo)可以具有位于襯底30之 上的脊32的形式。每一個脊32包括光芯區(qū)層34以及頂部和底部的光覆層36、37。脊32 可以由外光覆層38覆蓋，例如對該外光覆層進行平坦化以便為光接收機10產(chǎn)生平坦頂部 表面。脊32在其各層34、36、37中包括多種化合物半導(dǎo)體合金。脊32具有例如由于適 當(dāng)摻雜而導(dǎo)致的電學(xué)二極管的垂直結(jié)構(gòu)。盡管在圖2A中將頂部至底部垂直摻雜結(jié)構(gòu)示出 為ρ型(ρ)/本征(i)/n型(η)，但是其他實施例可以具有其他的頂部至底部垂直摻雜結(jié)構(gòu)， 例如p-n、n-i-p或n-p。此外，襯底34的上部半導(dǎo)體部分39可以適當(dāng)?shù)厥铅研突蛘擀切?層。外光覆層38可以是折射率比脊32的半導(dǎo)體低的光透明材料，例如苯并環(huán)丁烯(BCB) 聚合體、摻雜或非摻雜石英玻璃或者氮化硅。外光覆層38可以已經(jīng)通過諸如化學(xué)機械拋光 (CMP)之類的常規(guī)工藝進行了平坦化以在其上產(chǎn)生平坦的暴露表面。圖2Β示出了圖IA的可變光衰減器(VOA) 2加-22(1之一的垂直層結(jié)構(gòu)的截面圖，例 如沿橫截面D-D。VOA 22a-22d可以具有與圖2A所示的無源光波導(dǎo)基本相同的垂直層結(jié)構(gòu)。 此外，每一個VOA 2加-22(1包括位于脊32頂部上的頂部導(dǎo)電電極40以及沿襯底30的上部 半導(dǎo)體部分39的一個或多個底部導(dǎo)電電極42。所述一個或多個底部導(dǎo)電電極42可以沿著 相應(yīng)半導(dǎo)體脊32的一條或兩條側(cè)邊定位或者位于其附近。將頂部和底部電極40、42放置 為使得能夠在操作期間在與半導(dǎo)體脊32相關(guān)聯(lián)的電學(xué)二極管結(jié)構(gòu)兩端施加電壓。所得到 的電場使沿著VOA的脊32傳播的光信號衰減，例如經(jīng)由Franz-Keldysh效應(yīng)。因為VOA 2加-22(1配置為經(jīng)由Franz-Keldysh效應(yīng)對光進行衰減，圖2A-2B所示 的VOA 2h-22d和無源光波導(dǎo)的垂直摻雜分布可以用另一種垂直摻雜分布來代替。具體 地，在備選實施例中，可以用n-i-n垂直摻雜分布或者p-i-p垂直摻雜分布來代替圖2A-2B 的p-i-n垂直摻雜分布。圖2C示出了圖IA的光電探測器Ma-Mb的實施例中層結(jié)構(gòu)的截面圖，例如沿其 中的橫截面E-E和F-F。在該實施例中，每一個光電探測器Ma_24b具有電學(xué)二極管的垂直 層結(jié)構(gòu)，包括圖2A的半導(dǎo)體層和附加的半導(dǎo)體層43、44。附加層43、44使得能夠?qū)崿F(xiàn)電荷 載流子對的光子激發(fā)，以產(chǎn)生電流或電壓用于檢測光電二極管Ma-24b中傳播的光。例如， 附加半導(dǎo)體層43、44中的一個或多個可以由帶隙能量比圖2A所示的無源光波導(dǎo)中的脊32 的帶隙能量低的半導(dǎo)體合金形成。這種不同半導(dǎo)體合金中的一個或多個可以具有例如小于 通信C波段和/或L波段中光子能量的帶隙，以使得能夠在這些通信波段之一中充當(dāng)光電 探測器。在圖2C中，光電二極管Ma_24b的垂直層結(jié)構(gòu)典型地也包括平坦化/外光覆層38 以及頂部和底部導(dǎo)電電極40、42。平坦化/外光覆層38具有比光芯區(qū)低的折射率，并且可
11以具有或者可以不具有與圖2A-2B的外覆層38相同的成分。頂部導(dǎo)電電極40位于相應(yīng)半 導(dǎo)體脊32的頂部上。一個或多個底部導(dǎo)電電極42位于沿相應(yīng)半導(dǎo)體脊32的側(cè)邊之一或 者兩條側(cè)邊或其附近的上部半導(dǎo)體層39上。圖3A示出了可以適用于圖IA的光混合器20a、20b的90°光混合器20的平面構(gòu)造 示例。光混合器20包括兩個1 X 2或2 X 2輸入光耦合器52、兩個2 X 2輸出光耦合器54、四 個無源內(nèi)部光波導(dǎo)PIOW和移相器56。四個無源內(nèi)部光波導(dǎo)PIOW將輸入光耦合器52的光 輸出分別連接至輸出光耦合器M的光輸入。移相器56配置為在傳送至第一輸出光耦合器 52和第二輸出光耦合器M的參考光載波的光之間產(chǎn)生約90°的相對相移，并且該移相器 56在一些實施例中可以如下所述進行調(diào)節(jié)。由于相對相移，來自第一和第二輸出光耦合器 54的光輸出的光的強度提供對于在接收到的調(diào)制光載波的不同相位分量上(例如，在90° 相對相移的同相和正交相位分量上)所調(diào)制的數(shù)據(jù)的測量。各光耦合器5254可以是常規(guī) 的50/50光耦合器，所述50/50光耦合器將從其每一個光輸入接收到的光強度的約50%引 導(dǎo)至其每一個光輸出。每一個輸出光耦合器M將輸入到其中的兩個光信號之和傳輸至其 一個光輸出，并且將輸入到其中的兩個光信號之差發(fā)送至其另一個光輸出。制造這種光耦 合器5254對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是眾所周知的。在一些實施例中，相位延遲56可以是可變的，并且由與其電學(xué)或光學(xué)耦合的外部 控制器(未示出)來控制。例如，外部控制器可以對由不同的兩對串聯(lián)連接光電二極管 24a,24b采樣的調(diào)制光載波部分的相對相位進行時間平均測量，例如基于由所述光電二極 管Ma、24b對所測量的光強度。這些測量可以通過這種外部控制器反饋，以在操作期間調(diào) 節(jié)光混合器20的相位延遲56。相位延遲56的這種反饋調(diào)節(jié)能夠產(chǎn)生可以更好地對具有 90°相對相位的調(diào)制光載波相位分量(例如同相和正交相位分量)進行區(qū)分的光混合器 20a、20b。圖4A和4B示出了圖2A和圖2C的光學(xué)和電學(xué)部件的一個實施例。這些實施例可 以制造在電絕緣或半絕緣的晶體化合物半導(dǎo)體襯底30上。這里，襯底30可以是常規(guī)的磷 化銦αηρ)襯底。圖4Α示出了用于圖2Α的無源光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的垂直半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的示例。在示 例性的摻鐵絕緣或半絕緣MP爾e -1 nP)襯底3 0上，脊3 2的底部至頂部層結(jié)構(gòu)可以包 括η型hP(n-hP)的底層37 ；銦鎵砷磷中間本征層(i_InGaAsP) 34、磷化銦中間本征層 (HnP) 36a ；以及ρ型磷化銦(ρ-ΙηΡ)的頂層36b。n-InP的組合底層39、37在脊32之中 和之下的區(qū)域中具有例如約1.5微米(μπι)的厚度，并且具有每立方厘米約IX IOw個硅 (Si)原子的η型摻雜劑濃度。i-InGaAsP中間層34具有例如0. 1至0. 3 μ m的厚度，例如 約0. 17 μπι。i-InGaAsP中間層34具有的合金成分產(chǎn)生大于通信C波段中任何單個光子能 量的帶隙，例如所述帶隙可以是波長為1.4μπι的光子的能量。i-InGaAsP層34的帶隙波長 大于hP的帶隙波長，因為InGaAsP層34用作波導(dǎo)的芯區(qū)。i_InP中間層36a具有例如約 0. 450 μ m至0. 500 μ m的厚度。ρ-ΙηΡ頂層36b具有例如約1. 3 μ m的厚度，以及每立方厘 米約IXlOw至2X1018個鋅(Zn)原子的ρ型摻雜劑濃度。在垂直半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的這一示例中，將InP層和InGaAsP層兩者均構(gòu)造為具有比 光接收機10配置為工作的通信波長處的單個光子能量大的帶隙。為此原因，該實施例的無 源光波導(dǎo)在相關(guān)的光通信波長處是光透明的。
在這一相同的實施例中，如圖2A所示，無源光波導(dǎo)由BCB、摻雜二氧化硅、氮化硅 或聚酰亞胺的鈍化層38覆蓋。在這一相同的實施例中，圖IA的光混合器20a、20b可以具有與圖4A相同或者類 似的垂直半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。對于這種垂直半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，圖3B示出了基于光多模干涉器件的 光混合器20a、20b的一個實施例20，。光混合器20’包括矩形自由空間光學(xué)區(qū)域58，在其第一端面處具有用于保偏光波 導(dǎo)PMOW的分離光輸入，以及在其第二端面處具有用于保偏光波導(dǎo)OW的四個光輸出。針對 光通信的C波段中的工作波長，矩形自由空間光學(xué)區(qū)域58可以具有約1. 1毫米的長度L和 約M μ m的寬度W。對于這種選定的工作波長，矩形自由空間光學(xué)區(qū)域58具有約4. 0 μ m橫 向?qū)挾鹊墓廨斎牒洼敵?。光輸入和輸出在矩形自由空間光學(xué)區(qū)域58的每一個端面處具有 相同的尺寸和布局，并且關(guān)于矩形自由空間光學(xué)區(qū)域58的中線CL對稱地放置。具體地，在 矩形自由空間光學(xué)區(qū)域58的兩個端面處，兩個光輸入和輸出的中心距中線CL約2. 7 μ m，而 另外兩個光輸入和輸出的中心距中線CL約9. 3 μ m。光混合器20’配置為使得多種模式能夠在矩形自由空間光學(xué)區(qū)域58中傳播。在 工作波長范圍中，光混合器20a、20b該實施例的幾何形狀使得可以將數(shù)據(jù)調(diào)制光載波的光 束和參考光載波的光束分別注入到光輸入A和B中，即從左側(cè)注入。對于這種設(shè)置，來自右 側(cè)光輸出A’和D’的光強度差可以提供對調(diào)制光載波的同相分量的測量，來自右側(cè)光輸出 B’和C’的光強度差可以提供對調(diào)制光載波的正交相位分量的測量。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠修改圖:3B的光混合器20’的設(shè)計，以工作在另一選定波段， 例如光通信的L波段。例如，一種這樣的修改可以包括隨著選擇用于工作的波長而縮放光 混合器20的光學(xué)特征的橫向尺寸。在相同的實施例中，圖2B的VOA 22a-22d也可以具有圖4A所示的垂直半導(dǎo)體層 結(jié)構(gòu)。VOA 2加-22(1還具有頂部和底部導(dǎo)電電極40、42。頂部和底部電極40、42可以例如由 以每立方厘米約1 X IO18至2X IO19個Si原子的濃度分別摻雜有Si和Si的重摻雜InGaAs 來形成，或者可以由金屬層形成。圖4B示出了針對圖4A的相同實施例，圖2C的光電二極管的垂直半導(dǎo)體 層結(jié)構(gòu)的示例。在示例的狗摻雜InP襯底30上，光電二極管Ma-Mb的脊32具有如下垂 直半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)包括圖3A的n-InP底層37、39和i-hGaAsP中間層34，即無源光波導(dǎo)的 i型和η型半導(dǎo)體層。從底部至頂部，光電二極管Ma-Mb的垂直半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)接下來包 括的薄間隔層或阻擋層34a、InGaAs層44、ρ型InP層43和重摻雜ρ型InGaAs頂 層40。i-InP間隔層或阻擋層34a具有例如約0. OlOym的厚度。InGaAS層44具有例如約 0. 300 μ m的厚度。在InGaAs層44中，下部的2/3是本征摻雜的，并且上部的1/3是ρ型 摻雜的，例如每立方厘米約IX IO17個Si原子。P型InP層43具有例如摻雜有每立方厘米 約IX IOw個Si原子、約0. 100 μ m厚的下部，以及摻雜有每立方厘米約1 X IO18至2X IO18 個Si原子、約1. 3 μ m厚的上部InP層。重摻雜ρ型InGaAs頂部導(dǎo)電層40可以摻雜有每 立方厘米約IX IO19個Si原子。相對于圖;3Β和圖4Α-4Β，可以利用在為微電子制造領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的常 規(guī)沉積、化合物半導(dǎo)體生長、摻雜、退火和掩?？刂瓶涛g工藝來形成各種結(jié)構(gòu)。在各種工藝 中，可以按照不同的順序執(zhí)行層生長、摻雜和刻蝕工藝的順序，以產(chǎn)生所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
圖5示出了用于電隔離圖IA和圖2A-2C的光接收機10的橫向相鄰光電二極管 24a,24b的示例構(gòu)造。該構(gòu)造包括在每一個光電二極管Ma、Mb以及與其相耦合的相鄰保 偏光波導(dǎo)PMOW周圍的刻蝕伸長U型溝槽60。每一 U型溝槽60例如向下穿過中間的半導(dǎo)體 層至圖2A-2C的絕緣或半絕緣襯底30。為此原因，U型溝槽60基本上阻斷了不同光電二極 管M之間泄露電流的電學(xué)路徑。在圖5的實施例中，沿保偏光波導(dǎo)PMOW的路徑仍然存在一些泄露。如果溝槽60 沿保偏光波導(dǎo)PMOW足夠長的段延伸(例如大于1mm)，并且如果溝槽壁足夠靠近波導(dǎo)(例如 小于7微米)，則這種泄露較小。在這種情況下，這種泄露路徑的電阻足夠高(例如，大于1 千歐)，以將不同光電二極管M之間的電串?dāng)_減小到可忽略的水平。相對于圖5，可以經(jīng)由常規(guī)掩?？刂茲穹涛g工藝來制造U型溝槽60。例如，可以 利用HBr和/或HCl、H2A和乙酸的水溶液來執(zhí)行濕法刻蝕。根據(jù)這些公開、附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 而言是清楚明白的。
權(quán)利要求
1.一種光接收機，包括單片集成光電回路，所述單片集成光電回路包括具有平面表面的襯底，沿所述平面表 面，所述單片集成光電回路至少包括光混合器、一個或多個可變光衰減器和光電探測器；以 及其中所述光混合器被連接來接收光束，以將接收到的具有多個相對相位的光束的光進 行干涉，并且經(jīng)由其光輸出來輸出干涉后的光，所述一個或多個可變光衰減器中的每一個 連接在相應(yīng)的光輸出和相應(yīng)的光電探測器之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光接收機，還包括反饋控制器，所述反饋控制器被連接來操 作所述可變光衰減器，以對由所述光混合器的第一光輸出傳送至一個光電探測器的時間平 均光強度和由所述光混合器的第二光輸出傳送至另一光電探測器的時間平均光強度之間 的差進行補償。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的光接收機，其中所述光混合器包括平面多模干涉器件，所 述平面多模干涉器件配置為在其不同的光輸出處輸出光強度，所述光強度表示由光接收機 接收到的調(diào)制光載波的不同的第一和第二相位分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光接收機，還包括反饋控制器，所述反饋控制器被連接來按 照以下方式操作光混合器中的移相器減小光電探測器對調(diào)制光載波的同相和正交相位分 量的光強度測量的時間平均之間的不平衡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光接收機，其中所述單片集成光電回路沿所述平面表面還包括一對偏振分束器、第二光混合器、 一個或多個第二可變光衰減器和第二光電探測器；以及其中第二可變光衰減器中的每一個連接在第二光混合器的相應(yīng)光輸出和相應(yīng)的第二 光電探測器之間；以及其中每一個光混合器被連接來從兩個偏振分束器接收光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光接收機，其中光學(xué)回路包括兩個偏振分束器；以及其中每一個光混合器被連接來從兩個偏振分束器接收光束；以及其中每一個偏振分束器包括干涉儀，所述干涉儀包括輸入光耦合器、輸出光耦合器和 兩個內(nèi)部光波導(dǎo)，所述內(nèi)部光波導(dǎo)將輸入光耦合器的光輸出連接至輸出光耦合器的相應(yīng)光 輸入，所述兩個光波導(dǎo)具有不同的橫向?qū)挾取?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光接收機，其中所述干涉儀配置為在其一個光輸出處發(fā)射一 種偏振模式，而在其另一輸出處發(fā)射不同的偏振模式。
8.一種光接收機，包括單片集成光電回路，所述單片集成光電回路包括具有平面表面的襯底，所述單片集成 光電回路沿所述表面包括兩個偏振分束器、兩個光混合器和光電探測器；以及光本地振蕩器，被連接為按照與被連接來接收參考光載波的偏振分束器的任一偏振分 束軸不對齊的偏振模式，從光本地振蕩器接收參考光載波。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光接收機，其中所述單片集成光電回路用于從光本地振蕩器 接收參考光載波、并且對參考光載波的不同偏振模式進行分離的部分配置為實質(zhì)上不會在 橫磁模式和橫電模式之間轉(zhuǎn)移參考光載波的光能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8-9所述的光接收機，其中每一個光混合器被連接來從兩個偏振分 束器接收光束，以將接收到的光束進行干涉，且經(jīng)由其光輸出來輸出干涉后的光。
全文摘要
光接收機包括單片集成光電回路，所述單片集成光電回路包括具有平面表面的襯底。沿平面表面，單片集成光電回路包括光混合器、一個或多個可變光衰減器和光電探測器。光混合器連接來接收光束，以將接收到的具有多個相對相位的光束的光進行干涉，且經(jīng)由其光輸出來輸出干涉后的光。所述一個或多個可變光學(xué)衰減器中的每一個連接在相應(yīng)的光輸出和相應(yīng)的光電探測器之間。
文檔編號G02B6/12GK102124387SQ200980132109
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月19日
發(fā)明者克里斯托弗·理查德·多爾, 安德烈亞斯·貝托爾德·萊文, 尼爾斯·京特·魏曼, 戴維·托馬斯·尼爾森, 文森特·艾蒂安·霍茨瑪, 章力明, 胡庭禎, 陳陽闿 申請人:阿爾卡特朗訊美國公司