InP基单片集成少模光通信接收器芯片

摘要

一种InP基单片集成少模光通信接收器芯片，包括：一模式解复用器结构；一探测器阵列结构；一光波导结构，其输入端与模式解复用器结构的输出端连接，其输出端与探测器阵列结构的输入端连接。本发明的芯片紧凑，使得器件体积减小，相对于分立器件，缩小了电互连距离，稳定性好。

说明书

技术领域

本发明涉及光少模光通信技术领域，特别指一种InP基单片集成少模 光通信接收器芯片。

背景技术

随着互联网技术和移动通信技术的迅速发展，声音、图像和视频等丰 富的信息数据触及到了人们生活的每一个角落，也使得人们对高速全方位 信息的需求日益增长，人们希望有更大容量更高速的的通信网络。为了不 断提升光网络的传输容量，密集波分复用技术、光时分复用技术、偏振复 用技术的产生使得单模光纤的传输容量的到了极大的提高。随着编码调制 技术的发展，新型的光调制格式，如OFDM，M-QAM等，为系统提供了更高 的频谱效率和容错能力。但随着更小的信道间隔和更高调制格式的采用， 光纤固有的非线性和放大器的ASE噪声使得系统的容量已经越来越接近香 农极限。

为了进一步提升通信系统的容量，光的模式这个新的自由度成为人们 的关注焦点。基于少模光纤的模式复用技术，利用少模光纤中有限的正交 模式作为独立的信道进行信息传输，极大的提升了系统的容量。为解决单 模光纤可以预见的“带宽瓶颈”提供了良好的解决方式。目前，基于少模 光纤的通信系统，其接收芯片主要是通过模式解复用器，将少模光纤中的 各个模式分离，然后通过模式转换器，将高阶模转化为基模，然后进行接 收或者相干探测。这种方式需要一个模式解复用器，一个模式转换器和多 个探测器共同完成。该系统复杂，以及各个器件稳定性，器件之间的插入 损耗，器件的可集成性方面的缺点，使得其距离实用化还有很大的距离。 在实际的通信系统中，器件必须有更高的稳定性和更好的集成度，并且在 使用中便于互联，才能使系统更加的可靠。

因此，目前一个迫切的问题就是：减小少模通信系统接收芯片的系统 复杂性，提高器件的集成度，实现简单，集成度高，系统稳定可靠的少模 光通信系统接收芯片。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种InP基单片集成少模光通信接收器芯 片，其是应用于少模光通信系统的单片集成接收芯片，其基于多模干涉器 (MMI)型模分复用器和探测器的集成，通过模分复用器将入射少模信号进 行模式分离后，送入探测器阵列进行探测，为后续电信号处理做准；该芯 片紧凑，使得器件体积减小，相对于分立器件，缩小了电互连距离，稳定 性好。

本发明提供一种InP基单片集成少模光通信接收器芯片，包括：

一模式解复用器结构；

一探测器阵列结构；

一光波导结构，其输入端与模式解复用器结构的输出端连接，其输出 端与探测器阵列结构的输入端连接。

本发明的有益效果是，该芯片紧凑，使得器件体积减小，相对于分立 器件，缩小了电互连距离，稳定性好。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术特征，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明做进一步详细说明，其中：

图1为InP基单片集成少模光通信接收器芯片的结构示意图；

图2为对接生长集成方案的结构示意图；

图3为非对称双波导集成方案的结构示意图；

图4为垂直单波导集成方案的结构示意图；

图5为选择区域生长方案的结构示意图。

图6为图3非对称双波导集成方案的InP基单片集成少模光通信接收 器芯片在有源区的外延结构立体示意图；

图7为图6中A-A线的剖面示意图；

图8为图6的水平结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图8，本发明提供一种InP基单片集成少模光通信接收 器芯片，包括：

一模式解复用器结构1，所述的模式解复用器结构1包括：一输入端 和多个输出端，该结构的作用是将多个模式的输入信号在模式解复用器结 构1中分离成各个模式的信号，并在输出端转换成基模输出，该结构为无 源结构，所述的模式解复用器结构1为基于平面光波导的多模干涉器 (MMI，multimode interference)结构；

一探测器阵列结构2，所述的探测器阵列结构2为PIN型光电二极管 探测器、雪崩型(APD)光电二极管探测器、单载流子(UTC)型光电二极管探 测器、量子阱结构光电二极管探测器或基于这些器件的其他类型探测器， 该结构为有源结构，所述的探测器阵列结构2包含n组探测器，每组探测 器由1个或若干个探测器构成，每组探测器为波导型光电二极管或者倏逝 波耦合型光电二极管；

一光波导结构3，其输入端与模式解复用器结构1的输出端连接，其 输出端与探测器阵列结构2的输入端连接，所述的光波导结构3为S形、 弧形或两段式直波导，该结构为无源结构，所述的光波导结构3与探测器 阵列结构2和模式解复用器结构1相连接的部分是宽度线性渐变的结构， 该光波导结构3和模式解复用器结构1，与探测器阵列结构2之间的集成 方案包括：

对接生长方案，用于PIN型光电二极管探测器、雪崩型光电二极管探 测器、单载流子型光电二极管探测器、量子阱结构光电二极管探测器或基 于这些器件的其他类型探测器，与光波导结构3之间的集成；

非对称双波导集成方案，用于PIN型光电二极管探测器、雪崩型光电 二极管探测器、单载流子型光电二极管探测器或量子阱结构光电二极管探 测器或基于这些器件的其他类型探测器，与光波导结构3之间的集成；

垂直单波导集成方案，用于PIN型光电二极管探测器、雪崩型光电二 极管探测器、单载流子型光电二极管探测器或量子阱结构光电二极管探测 器或基于这些器件的其他类型探测器，与光波导结构3之间的集成；

选择区域生长方案，用于量子阱型探测器结构光电二极管探测器或基 于这些器件的其他类型探测器，与光波导结构3之间的集成。

其中，非对称双波导集成方案中的两支单载流子型光电二极管探测器 与光波导结构3之间的集成，其结构为：

一衬底11，该衬底11的材料为半绝缘InP；

一n-InP缓冲层12，该n-InP缓冲层12制作在衬底11上；

一倏逝波耦合波导层13，其概似Y型，包括两个分支，其制作在n-InP 缓冲层12上，倏逝波耦合波导层13为多周期结构，每一周期为带隙波长 为1.2μm的四元化合物InGaAsP和InP结构，倏逝波耦合波导层13为多 横模波导，提高了光的侧向耦合效率；

一有源与无源的耦合波导层14，其制作在倏逝波耦合波导层13Y型 的两个分支的末端上，其自下而上包括三种材料结构：InP材料、1.2Q材 料(带隙波长为1.2μm的四元化合物InGaAsP)、1.4Q材料(带隙波长为1.4 μm的四元化合物InGaAsP)，其中1.2Q(带隙波长为1.2μm的四元化合物 InGaAsP)和1.4Q(带隙波长为1.4μm的四元化合物InGaAsP)为n型掺杂。 有源与无源的耦合波导层14使光从低折射率逐渐耦合到高折射率层，实 现了光从倏逝波耦合波导层13到探测器的吸收层17之间的过渡传播，其 包括的三种材料起到了折射率渐变的作用，减小了折射率突变带来的反射 损耗，同时该层中存在的附加模式耦合到倏逝波耦合波导层13和探测器 的吸收层17中并产生拍频干涉效应，导致光场在无源波导和吸收层中呈 周期振荡的分布，使得光的吸收更均匀、更快。

一探测器的载流子收集层15，其制作在有源与无源的耦合波导层14 上面的一侧，其为非掺杂的InP材料，所述的非掺杂的InP材料厚度为 300-500nm，光生电子向该结构中扩散，形成电子电流；

一折射率与带隙匹配层16，其制作在探测器的载流子收集层15上， 其包括两种折射率不同的四元化合物InGaAsP材料，折射率与带隙匹配层 16减小了折射率突变带来的反射损耗，同时该层中存在的附加模式耦合到 探测器的吸收层17中并产生拍频干涉效应，导致光场在无源波导和有源 区中呈周期振荡的分布，折射率与带隙匹配层16同时该层实现了与探测 器的吸收层17的带隙匹配；

一探测器的吸收层17，其制作在折射率与带隙匹配层16上，其为 InGaAs材料，掺杂浓度渐变或均一，掺杂类型为p型，掺杂浓度范围为1 ×1017cm-3到1×1018cm-3，探测器的吸收层17厚度为300-500nm，同时 保证了探测器的高饱和特性、高速特性与高响应度特性；

一盖层18，其制作在探测器的吸收层17上，其为p型掺杂的InP， 其掺杂浓度为1×1019cm-3，其为电子的扩散阻挡层，阻挡光生电子向阳 极扩散，使电子只向探测器的载流子收集层15中扩散形成单行载流子， 保证了探测器的高速特性；

一接触层19，其制作在盖层18上，其为InGaAs或者1.2Q(带隙波长 为1.2μm的四元化合物InGaAsP)材料，其为p型掺杂；

一n型金属电极20，其制作在有源与无源的耦合波导14上的另一侧， 其为AuGeNi和Au材料；

一p型金属电极21，其制作在接触层19上，其为AuZn或TiAu材料。

一以上结构共同构成了InP基单片集成少模光通信接收器芯片的外延 结构；

一该InP基单片集成少模光通信接收器芯片，利用了非对称双波导集 成技术单片集成了模式解复用器与高速单载流子探测器，该结构包括高速 单载流子探测器(UTC)区22、波导间光抽运区23、连接作用的光波导区 24、模式解复用区25、输入光波导区26。

一该InP基单片集成少模光通信接收器芯片中的高速单载流子探测器 (UTC)区22，为有源区，宽度为3-4μm，长度为40-60μm，其包含权利 要求8中所述的探测器的载流子收集层15，折射率与带隙匹配层16，探 测器的吸收层17，盖层18，接触层19，n型金属电极20，p型金属电极 21。

一该InP基单片集成少模光通信接收器芯片中的波导间光抽运区23， 为无源波导层结构，实现了光从无源波导层结构到有源结构的抽运，其包 含权利要求8所述的衬底11，n-InP缓冲层12，倏逝波耦合波导层13， 有源与无源的耦合波导层14。其中有源与无源的耦合波导层14为锥形或 梯形，其宽度为线性渐变，沿着光传播方向由窄变宽，最窄处为0.8-1.2 μm，最宽处为1.8-2.2μm；其中倏逝波耦合波导层13分为两部分，沿着 光传播方向是一段短的矩形多模耦合波导，提高光的耦合效率，在短的多 模波导之后沿着光传播方向为宽度线性渐变结构，渐变趋势与有源无源的 耦合波导层结构4相同。波导间光抽运区23引入无源波导，避免入射光 直接照射到有源区，从而减小了有源波导端面的峰值吸收引起的饱和，且 通过模式拍频效应，使光的吸收更加均匀。

一该InP基单片集成少模光通信接收器芯片中的连接作用的光波导区 24，为无源波导层结构，其包含权利要求8所述的衬底11，n-InP缓冲层 12，倏逝波耦合波导层13。连接作用的光波导区24中包含两支S型波导， 连接模式解复用区25的输出端与波导间光抽运区23，其中两支S型波导 使两束光在传播一定距离后空间上发生了分离，避免了光在被探测时串 扰。

一该InP基单片集成少模光通信接收器芯片中的模式解复用区25，为 无源波导层结构，包含权利要求8所述的衬底11，n-InP缓冲层12，倏逝 波耦合波导层13，其包含一个输入端和若干个输出端，其中入射端为基模 和高阶模的输入，输出端为分别的基模和高阶模，完成了对混合模式的解 复用功能，为光传输后端的信号探测做准备。

一该InP基单片集成少模光通信接收器芯片中的输入光波导区26，为 无源波导层结构，其包含权利要求8所述的衬底11，n-InP缓冲层12，倏 逝波耦合波导层13，输入光波导区26包含两个部分：线性楔形波导区， 直波导区。楔形波导区的宽度渐变，有利于提高光纤的耦合效率，长度为 100-300μm，直波导区为宽度不变与模式解复用区25相连接。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。