一种低噪声的SOA-PIN集成光探测器的制作方法

本发明涉及光电器件技术领域，特别涉及一种低噪声的soa-pin集成光探测器。

背景技术：

随着互联网对于流量和带宽激增的需求，光通信系统中对于接收机的要求越来越高。传统的光接收机通常采用pin光电二极管或雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，apd)作为光电探测器，但它们均已难以满足目前接收机对于光电探测器的需求。一方面，pin具有良好的带宽特性，但由于它没有内在增益，因此单独将pin作为光电探测器无法为接收机提供足够的灵敏度。另一方面，apd可以提供内在增益，但其内在增益是通过电域的雪崩倍增效应产生，因此它的增益带宽积存在一定的上限，在25gb/s、40gb/s或更高速率的光通信系统中，apd往往因带宽受限而无法使用。

一种较好的解决方法是利用半导体光放大器(semiconductoropticalamplifier，soa)作为pin光电探测器的前置放大器，对光信号预先进行放大，再利用pin完成光电转换。然而，该方案带来的显著问题如下：一是soa的引入将会带来额外的放大器自发辐射(amplifierspontaneousemission)噪声，这将大大降低pin中探测到信号的信噪比，进而影响接收机的灵敏度特性；二是soa作为额外的分立器件将使得接收机中元器件更多，结构变得更为复杂，并且可能存在soa与pin之间耦合损耗较大的问题。

为了降低噪声的影响，光接收机中通常会加入滤波器来滤除一部分带外噪声。常见的滤波器是带通滤波器，但无论是带通滤波器还是低通、高通、带阻滤波器等，它们均是基于频谱滤波作用，即仅在波长层面上对信号进行筛选，留下需要的波段的信号，滤除不需要的波段的信号，从而起到抑制宽谱噪声的作用。频谱滤波方式具有一定的局限性，它在相同波长上无法对信号和噪声进行区分，滤波的效果(滤波后的信噪比)完全取决于滤波器的通带宽度和通带特性，通带宽度越窄以及通带特性越好，滤除的噪声就越多，但即使通带足够窄，带内的噪声仍无法避免，且过窄的通带可能导致信号的失真。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种低噪声的soa-pin集成光探测器，以达到滤除噪声、提高信噪比的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低噪声的soa-pin集成光探测器，沿信号光传播方向依次包括：soa部分、pin部分和全反射镜，所述soa部分和pin部分底部共用同一底部电极，顶部为独立设置的soa顶部电极和pin顶部电极，全反射镜位于pin部分的的外侧，所述soa部分包括光栅空间滤波结构层，其方向为沿着信号光的传播方向。

上述方案中，所述soa部分自下而上依次包括：底部接触层和底部电极、衬底层一、缓冲层、平板耦合波导层、第一分别限制层、增益有源层、第二分别限制层、间隔层、光栅空间滤波结构层、腐蚀停止层、上包层、接触层一和soa顶部电极。

上述方案中，所述增益有源层包括被两个垒层包裹的一个单量子阱层。

上述方案中，所述光栅空间滤波结构层包括p型光栅波导层和p型光栅覆盖层。

上述方案中，所述pin部分自下而上依次包括：底部接触层和底部电极、衬底层二、n型层、本征吸收层、p型层、接触层二和pin顶部电极。

上述方案中，所述pin部分的本征吸收层的厚度和所述soa部分的n型分别限制层、增益有源层、p型分别限制层的厚度相同，两者的中心在垂直方向上对齐。这样结构设计的目的是使的soa部分中的增益有源区(即横向光场分布中光场最大的区域)和pin部分中的吸收本征层(即吸收效率最高的区域)位于同一水平面上，其优点在于可以保证从soa部分输出的光最大程度地被pin部分吸收。

上述方案中，所述soa顶部电极和pin顶部电极之间间隔2-3μm。

上述方案中，所述光栅空间滤波结构层为四分之一波长相移光栅。

上述方案中，该集成光探测器为依次对soa部分和pin部分进行两次外延生长后形成的单片集成器件。

上述方案中，所述全反射镜的反射率为100％。

本发明提供的低噪声的soa-pin集成光探测器空间滤波的原理核心在于利用信号光和噪声在光栅结构中的空间分布不同，使信号光场在器件内部的空间分布汇聚于pin部分，而噪声光场在器件内部均匀分布，进而使得pin部分探测到的信号的信噪比高于输入信号的信噪比，起到滤除噪声、提高信噪比、提高灵敏度的作用。

所述光栅空间滤波结构层为四分之一波长相移光栅，相较于普通一阶光栅，其特征为在光栅中心处插入一段四分之一波长相移层，其长度l可表示为l＝(n+1/4)λb/neff，其中n为任意正整数，λb为布拉格波长，neff为等效折射率。所述四分之一波长相移光栅的光栅周期λ满足布拉格定律λ＝λ/(2neff)。上述光栅空间滤波结构可以使得波长满足λ＝λb的相干信号光场在中心相移区有着峰值分布，并且随着归一化光栅反射系数的提高，绝大部分的相干光场都将集中于中心相移区的临近区域。而对于偏离中心波长或不具有相干性的信号，其光场空间分布将几乎不受光栅空间滤波结构的影响。

在pin部分的末端镀上反射率为100％的全反射膜。这样的结构设计是出于如下考虑：如上所述，具有四分之一波长相移的一阶布拉格光栅结构可以使得相干信号光场在中心相移区有着峰值分布，但如果直接采用普通的四分之一相移区位于器件中心的光栅结构，由于该器件在相移区部分设计有一个能够吸收光场的pin光探测器，若仅从一侧进光，则相移区两侧的光场分布不具有对称性，便无法达到利用四分之一相移光栅对光场进行汇聚的作用。由于通常器件均采用单侧进光的方式，为保证器件内光场分布的对称性，需要将前述四分之一相移光栅的对称结构沿中心对折，使信号光从单侧注入，经器件末端反射后从同一侧输出。出于如上考虑，在pin部分的末端镀上全反射膜，使器件实际上变成一个对折起来的、相移区位于末端的八分之一相移光栅。

由于全反射膜的存在，所述pin部分沿信号光传播方向的长度l’需满足的相移条件变为l’＝(n+1/4)λb/(2neff)。所述相移条件可以使得波长等于布拉格波长的相干信号光场最大程度地汇聚于pin部分，而噪声(波长均匀分布于整个频谱并且不具有相干性)光场在器件内基本呈现均匀的空间分布。因此所述相移条件将使得器件具有最好的噪声特性，亦即pin部分探测到的信号可以获得最大的信噪比。

所述soa部分还包含有n型平板耦合波导(scw，slabcoupledwaveguide)层，所述n型平板耦合波导层将扩大导引光的模斑同时减小光场限制因子，以保证输入光场的耦合效率。

soa部分中，所述衬底层一的材料为n型inp，掺杂浓度约为3×10¹⁸cm^-3；所述缓冲层的材料为n型inp，厚度范围为450nm至550nm，掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3；所述平板耦合波导层的材料为高折射率的n型ingaasp，其带隙波长为1130nm，厚度范围为450nm至550nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；所述第一分别限制层的材料为n型ingaasp，其带隙波长从980nm到1250nm渐变，厚度范围为225nm至275nm，掺杂浓度约为0.5×10¹⁸cm^-3；所述增益有源层由两个垒层包裹的一个阱层组成，阱层的材料为algainas，其工作波长为1550nm，厚度约为5nm，采用1.3％的压应变，每个垒层的材料为algainas，其带隙波长为1250nm，厚度为10nm，采用0.4％的张应变；所述第二分别限制层的材料为p型ingaasp，其带隙波长为1250nm至980nm渐变，厚度范围为90nm至110nm，掺杂浓度约为0.2×10¹⁸cm^-3；所述间隔层的材料为p型inp，厚度为30nm，掺杂浓度约为0.3×10¹⁸cm^-3；所述光栅空间滤波结构层由光栅波导层和光栅覆盖层组成，光栅波导层的材料为p型ingaasp，其带隙波长为1260nm，厚度范围为50nm至60nm，掺杂浓度约为0.5×10¹⁸cm^-3，光栅覆盖层的材料为p型inp，厚度为50nm，掺杂浓度约为0.7×10¹⁸cm^-3；所述腐蚀停止层的材料为p型ingaasp，其带隙波长为1100nm，厚度为10nm，掺杂浓度约为0.7×10¹⁸cm^-3；所述上包层的材料为p型inp，厚度为1700nm，采用渐变掺杂方式，掺杂浓度范围为0.7×10¹⁸cm^-3至2×10¹⁸cm^-3；所述接触层由一层带隙波长为1300nm、厚度为50nm、掺杂浓度大于3×10¹⁸cm^-3的p型ingaasp材料和一层厚度为150nm、掺杂浓度大于3×10¹⁹cm^-3的p型ingaas材料组成。

pin部分中，所述衬底层的材料为n型inp，掺杂浓度约为3×10¹⁸cm^-3；所述n型层的材料为n型inp，厚度范围为450nm至550nm，掺杂浓度约为5×10¹⁷cm^-3；所述吸收层的材料为不掺杂的ingaas，厚度为580nm；所述p型层的材料为p型inp，厚度范围为1530nm至1870nm，掺杂浓度约为5×10¹⁷cm^-3；所述接触层由一层带隙波长为1300nm、厚度为50nm、掺杂浓度大于3×10¹⁸cm^-3的p型ingaasp材料和一层厚度为150nm、掺杂浓度大于3×10¹⁹cm^-3的p型ingaas材料组成。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了空间滤波的概念，其核心思想在于利用信号光和噪声在光栅空间滤波结构中的空间分布差异，对噪声进行滤除。空间滤波的概念除了利用波长对信号和噪声进行区分外，还利用相干性和非相干性对信号和噪声进行区分，因此相较于频谱滤波，空间滤波能够从更本质的特征上对信号和噪声进行甄别，达到更好的滤波效果，获得更高的信噪比。具体地，本发明提出的器件设计中包含有光栅空间滤波结构，该结构本质上是一个四分之一相移光栅，根据前述分析，信号光和噪声在该光栅空间滤波结构中的分布不同，信号光场会在四分之一相移区(即pin部分)极大程度地汇聚，而噪声光场在器件内部几乎呈现均匀分布，这样在pin部分两者的强度会产生较大的差异，以达到滤除噪声、提高信噪比的作用。

(2)通过仿真验证表明，本发明提出的soa-pin集成光探测器，相较于soa和pin作为分立器件级联的结构，对于同一输入信号光而言，pin部分探测到的信号可以获得20db至40db的信噪比提升；更进一步地，将已经通过频谱滤波的信号光输入到无增益的光栅空间滤波结构中，pin部分探测到的信号相较输入信号仍有约18db的信噪比提升，证明在合理的结构设计下空间滤波作用确实由于频谱滤波作用。

(3)本发明提出的soa-pin集成光探测器，可以在单个器件中同时完成光通信系统接收机中所需要的增益、探测和滤除噪声的功能，其中增益是通过soa部分实现，探测是通过pin部分实现，滤除噪声是通过光栅空间滤波结构实现，同时该器件具有体积小、成本较低、适合大规模生产的优点。

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简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种低噪声的soa-pin集成光探测器立体示意图；

图2为本发明实施例所公开的低噪声的soa-pin集成光探测器的左视图；

图3为本发明实施例所公开的低噪声的soa-pin集成光探测器的右视图；

图4为本发明实施例所公开的低噪声的soa-pin集成光探测器的俯视图；

图5为本发明实施例的探测器内部信号光场分布图；

图6位本发明实施例探测器内部的噪声场的空间分布图；

图7为pin部分接收到的信号光谱。

图中，1、底部接触层和底部电极；2、衬底层一；3、缓冲层；4、平板耦合波导层；5、第一分别限制层；6、单量子阱增益有源层；7、第二分别限制层；8、间隔层；9、光栅空间滤波结构层；10、腐蚀停止层；11、上包层；12、接触层一；13、soa顶部电极；14、衬底层二；15、n型层；16、本征吸收层；17、p型层；18、接触层二；19、pin顶部电极；20、全反射镜；m、soa部分；n、pin部分。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种低噪声的soa-pin集成光探测器，如图1所示，具体实施例如下：本实施例所示的光探测器工作在1550nm波段，其水平方向包括soa部分m、pin部分n和全反射镜20。

如图2所示，soa部分自下而上包括：底部接触层和底部电极1、衬底层一2、缓冲层3、平板耦合波导层(scw层)4、第一分别限制层5、单量子阱增益有源层6、第二分别限制层7、间隔层8、光栅空间滤波结构层9、腐蚀停止层10、上包层11、接触层一12和soa顶部电极13。

本实施例中，衬底层一2的材料为n型inp，厚度350μm，掺杂浓度约3×10¹⁸cm^-3。

缓冲层3的材料为n型inp，厚度500nm，掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-3，折射率3.17。

平板耦合波导层(scw层)4的材料为n型ingaasp，带隙波长1130nm，厚度500nm，掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-3，折射率3.3。

第一分别限制层5的材料为n型ingaasp，带隙波长从980nm到1250nm渐变，厚度为250nm，掺杂浓度约0.5×10¹⁸cm^-3，折射率3.2。

单量子阱增益有源层6由两个垒层包裹的一个阱层组成，阱层的材料为algainas，工作波长1550nm，厚度5nm，采用1.3％的压应变，折射率约3.5，两个垒层的材料均为algainas，带隙波长1250nm，厚度10nm，采用0.4％的张应变，折射率3.3。

第二分别限制层7的材料为p型ingaasp，带隙波长从1250nm到980nm渐变，厚度100nm，掺杂浓度约0.2×10¹⁸cm^-3，折射率3.2。

间隔层8的材料为p型inp，厚度30nm，掺杂浓度约0.3×10¹⁸cm^-3。

光栅空间滤波结构层9由光栅波导层和光栅覆盖层组成，光栅波导层的材料为p型ingaasp，带隙波长1260nm，厚度50nm，掺杂浓度约0.5×10¹⁸cm^-3，光栅覆盖层的材料为p型inp，厚度50nm，掺杂浓度约0.7×10¹⁸cm^-3。光栅空间滤波结构中光栅的周期为235nm，对应的布拉格波长为1550nm，光栅耦合系数为7000m^-1。

腐蚀停止层10的材料为p型ingaasp，带隙波长1100nm，厚度10nm，掺杂浓度约0.7×10¹⁸cm^-3。

上包层11的材料为p型inp，厚度1700nm，采用渐变掺杂方式，掺杂浓度范围0.7×10¹⁸cm^-3至2×10¹⁸cm^-3。

接触层一12由一层带隙波长1300nm、厚度50nm、掺杂浓度大于3×10¹⁸cm^-3的p型ingaasp材料和一层厚度为150nm、掺杂浓度约3×10¹⁹cm^-3的p型ingaas材料组成。接触层12直接与soa顶部电极连接，soa顶部电极的材料为导电金属。

soa部分顶部刻蚀成脊波导结构，使得水平方向的等效折射率为低-高-低分布，同时由于从缓冲层3到第二分别限制层7的折射率分布为低-高-低-高-低，导致导引光的模斑集中在增益有源层的中心区域，并且通过scw层扩大导引光的模斑同时减小光场限制因子，以保证输入光场的耦合效率。

soa部分竖直方向除了衬底外总厚度为3415nm，沿信号光传播方向的长度为399.5μm，包含1700个完整的光栅周期。

如图3所示，pin部分自下而上包括：底部接触层和底部电极1、衬底层二14、n型层15、本征吸收层16、p型层17、接触层二18和pin顶部电极19。

衬底层二14的材料为n型inp，厚度为350.4μm，掺杂浓度约为3×10¹⁸cm^-3。

n型层15的材料为n型inp，厚度为500nm，掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3。

本征吸收层16的材料为不掺杂的ingaas，厚度为580nm。

p型层17的材料为p型inp，厚度为1735nm。

接触层二18由一层厚度为50nm、掺杂浓度大于3×10¹⁸cm^-3的p型ingaasp材料和一层厚度为150nm、掺杂浓度约为3×10¹⁹cm^-3的p型ingaas材料组成。接触层18直接与pin顶部电极连接，pin顶部电极的材料为导电金属。

pin部分竖直方向除衬底外总厚度为3015nm，沿信号光传播方向的长度为20.034μm，相当于170.5个光栅半周期的长度。

具体地，soa-pin集成光电探测器芯片外延片的制作步骤为，先在衬底层二14上生长pin部分的各层结构，然后对外延片的一侧进行刻蚀，刻蚀的厚度为soa部分除衬底以外的总厚度3415nm，再在刻蚀出来的区域上对接生长soa部分的各层结构。此过程需要保证soa部分平板耦合波导层(scw层)4的底部与pin部分第一缓冲层15的底部基本位于同一水平面上。

在衬底层一和衬底层二的底部生长底部接触层，并制作底部电极1，底部接触层的材料为ingaas，厚度150nm，掺杂浓度约为3×10¹⁹cm^-3，底部接触层与底部电极直接接触，底部电极的材料为导电金属。

如图4所示，在soa部分的接触层一上方制作soa顶部电极，在pin部分的接触层二上方制作pin顶部电极，两电极区域避免粘连，相隔3μm。

对外延片进行解理后在pin部分沿光信号传播方向的外侧镀上全反射镜20。

为了更好的说明本发明的效果，以下给出关于上述实施例的数值仿真验证实例，所述仿真验证实例的仿真条件如表1所示：

表1仿真验证实例的仿真条件

在上述仿真条件下得到的仿真结果，其他根据仿真结果推算得到的特性参数包括，探测器内部信号光场和噪声场的空间分布情况见图5和图6；pin部分接收到的信号光谱见图7。pin部分吸收区的信噪比约为45db，器件整体的增益约为42db，带宽约为25gbps，灵敏度约为-36dbm。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。