光接收元件、光学模块和光学接收器的制作方法

本发明涉及光接收元件等，并且例如，涉及包括透镜和吸收层的光接收元件等。

背景技术：

近来，要求增加网络的容量。为了应对这种网络的容量的增加，从地铁系统到干线系统广泛地使用数字相干光通信，在所述数字相干光通信中，信号被叠加在光相上。

在这种技术中使用的光学接收器2000a具有图6中所述的构造，例如，图6是一般光学接收器2000a的块状构造图。

在光学接收器2000a中，信号光入射端口200将入射信号光出射到光功能回路500。本振光入射端口300将从本振光源900入射的本振光出射到光功能回路500侧。

透镜410至430将从信号光入射端口200或本振光入射端口300出射的信号光或本振光折射成准直光，并且随后将光集聚至在光学功能回路500侧上的光学功能回路入射端口510和520。

光学功能回路500将经由透镜410和420从信号光入射端口200进入的信号光划分为X偏振信号光和Y偏振信号光。光学功能回路500将划分的X偏振信号光和Y偏振信号光中的每一个与从本振光入射端口300经由透镜430进入的本振光复用，并将复用的光信号(在背景技术部分中指相干信号)出射到由四个通道构成的检测光接收元件610和620。

检测光接收元件610和620将从光学功能回路500入射的相干信号转换为电信号从而输出电信号。

光学分路设备440被布置在透镜410和透镜420之间，将在透镜410中被转换成准直光的信号光出射到透镜420侧，并且将在部分信号光出射到监视光接收元件700侧(在背景技术部分中指测量信号光)。监视光接收元件700检测从光学分路设备440入射的测量信号光的强度。本振光源900根据监视光接收元件700检测到的测量信号光的强度产生本振光。

因此，在光学接收器2000a中，本振光源900根据监视光接收元件700检测到的测量信号光的强度产生本振光。

例如，作为涉及上述内容的技术，PLT1描述了下述技术：光发射和接收模块包括吸收部分光并透射剩下的光的光接收元件。

[引用列表]

[专利文献]

[PTL 1]日本专利申请特开No.H11-52199

技术实现要素：

[技术问题]

在图6中示出的光学接收器2000a中，用于将测量信号光出射到监视光接收元件700侧的光学分路装置和布置在透镜410和420附近的用于检测测量信号光的强度的监视光接收元件700是必须的。此外，为了产生准直光，需要两个透镜410和420。为此原因，增加透镜410和420附近的构件的数量，并且增加装配工时。

考虑到这种情况，提出本发明，并且其目的是提供能够容易地吸收和透射光的光接收元件等。

[问题的解决方法]

根据本发明的光接收元件包括：透镜单元，所述透镜单元集聚入射光以从出射表面出射光；吸收层，所述吸收层被布置在透镜单元的出射表面上以吸收部分集聚光并且透射剩下的集聚光；和检测层，所述检测层被放置在吸收层上以基于被吸收层吸收的光的强度检测从透镜单元出射的光的强度。

根据本发明的光学接收器包括上述集聚和透射入射信号光的光学接收元件，以及基于由光接收元件检测到的光的强度执行预定的控制的控制单元。

根据本发明的光学模块包括：信号光出射单元，所述信号光出射单元出射信号光；上面描述的光接收元件，所述光接收元件集聚并透射出射的信号光；本振光出射单元，所述本振光出射单元出射本振光；透镜单元，所述透镜单元集聚出射的本振光；复用单元，所述复用单元复用穿过光接收元件的信号光和集聚的本振光以出射复用的光信号；和转换单元，所述转换单元将从复用单元出射的复用光信号转换为电信号，其中本振光出射单元基于由光接收元件检测到的光的强度调节待出射的本振光的强度。

[发明的有利效果]

根据本发明的光接收元件等，能够更容易地吸收和透射光。

附图说明

图1是根据第一示例性实施例的光学监视功能集成透镜100的侧视图。

图2是根据第一示例性实施例的光学监视功能集成透镜100的后视图。

图3是图示根据第一示例性实施例的吸收层130的厚度和吸收率之间的关系的视图。

图4是图示根据第二示例性实施例的光学接收器2000的构造的视图。

图5是根据第二示例性实施例的光学监视功能集成透镜100附近的放大视图。

图6是本领域的光学接收器的构造图。

具体实施方式

<第一示例性实施例>

使用图1和图2描述根据第一示例性实施例的光学监视功能集成透镜。图1是光学监视功能集成透镜100的侧视图。图2是从图1的箭头视角A采取的光学监视功能集成透镜100的后视图，在图1中，光从左侧行进到右侧。换言之，图1中指示的方向α与光行进的方向对应。在本示例性实施例中，使用具有1.31到1.61μm的波长的光。

在图1中，光学监视功能集成透镜100包括透镜110、n型半导体120、吸收层130、p型半导体140和无反射膜150。n型半导体120、吸收层130和p型半导体140构成光接收元件。

透镜110在集聚入射光的同时将入射光透射至n型半导体侧。当具有1.31至1.61μm的波长的光进入光学监视功能集成透镜100时，透镜110由例如作为对1.31到1.61μm的波长具有透明性的材料的Si形成。

如图1中所图示的，透镜110包括凸部111、第一主表面112和第二主表面113。凸部111像一般玻璃透镜一样形成为凸形、球形或几乎球形。凸部111折射并且集聚入射光。从凸部111进入第一主表面112的光穿过透镜110，从而被集聚并且从第二主表面113出射。

n型半导体120被设置在透镜110的出射表面(第二主表面113)上，并且按其原样地透射从第二主表面113入射的光，从而将此光出射到吸收层130。当透镜110由Si形成时，n型半导体也由Si形成。在本示例性实施例中，n型半导体形成薄膜，所述薄膜的主要成分是Si，其杂质浓度是5×10¹⁸[cm^-3]，并且其α方向上的厚度是0.5[μm]。n型半导体120用作根据由吸收层130吸收的光的强度提取电流的导电层。n型半导体120包括n型半导体侧电极121。n型半导体侧电极121被设置在n型半导体120上光线不进入的位置。n型半导体侧电极121将由吸收层130吸收的光的强度(吸收光强度)PI[W]输出为电流I[A]。

吸收层130被设置在n型半导体120和p型半导体140之间以便面向透镜110的第二主表面113。吸收层130吸收从n型半导体120入射的光的一部分并将剩下的光透射到p型半导体140。例如，当透镜110、n型半导体120和p型半导体140由Si形成时，吸收层由Ge或SiGe形成。

吸收层130的面积被设定为大于光的透射区域。根据吸收层130的吸收率设定吸收层130的厚度d。吸收层130中太小的光的吸收量引起光的强度的检测准确性的降低，同时其过大的吸收量会引起主信号功率的下降，导致接收灵敏度的降低。由于吸收量期待是系统必须的最小强度，所以吸收层130的厚度d被期待地设定使得吸收量至少是全部入射光量的5％并且至多是全部入射光量的20％。在本示例性实施例中，吸收层130的厚度d被设定使得吸收率在5％至10％。吸收率被定义为吸收的光强度PI[W]与入射光的强度P2[W]的比值。

图3中图示厚度d和吸收层130的吸收率之间的关系。参照图3，入射到吸收层130上的光的波长是1.55[μm]。在图3中，例如，当吸收层130的吸收率至少为5[％]并且最多为10[％]时，吸收层130的厚度d被设定为在0.1[μm]和0.15[μm]之间。

p型半导体140被设置在吸收层130上以将从吸收层130入射的光按其原样透射，并且将此光出射到无反射膜150。当n型半导体120由Si形成时，p型半导体140也由Si形成。在本示例性实施例中，p型半导体140形成在薄膜中，该薄膜的主要成分是Si，其杂质浓度是5×10¹⁸[cm^-3]，并且其α方向上的厚度是0.5[μm]。p型半导体140用作根据吸收层130吸收的光的强度提取电流的导电层。p型半导体140包括p型半导体侧电极141。p型半导体侧电极141被设置在p型半导体140上光线不进入的位置。p型半导体侧电极141与n型半导体侧电极121以相同的方式工作，并且将吸收层130吸收的光的强度(吸收光强度)PI[W]输出为电流I[A]。

光在吸收层130中的吸收量与穿过吸收层130的光的强度成比例。由于光吸收量(吸收的光强度)PI与从n型半导体侧电极121和p型半导体侧电极141提取的电流I成比例，所以监视从n型半导体侧电极121和p型半导体侧电极141提取的电流I使得能够监视穿过吸收层130的光的强度。

当n型半导体120和p型半导体140由Si形成并且吸收层130由Ge形成时，因为在Si和GE之间的晶格间距的差异，所以很难执行外延生长。然而，由于如上所描述的，吸收层130能够确保必须的最小吸收量就足够了。吸收层130的厚度d可以大约在0.1[μm]至0.15[μm]。为此原因，由Ge形成的吸收层130能够形成在由Si形成的n型半导体120和p型半导体140之间。

无反射膜150形成在p型半导体140的出射表面以抑制入射光的反射。无反射膜150按其原样透射从p型半导体140入射的光，从而将光出射到外部。例如，当p型半导体140由Si形成时，无反射膜150由SiN基材料或SiON基材料形成。无反射膜150的布置不是必须的。

如上所描述的，在根据本示例性实施例的光学监视功能集成透镜100中，光接收单元包括布置在透镜110的出射表面(第二主表面113)上的n型半导体120、吸收层130和p型半导体140。吸收层130吸收从透镜110出射的光的一部分，并且吸收的光的强度被提取为n型半导体120和p型半导体140中的电流I使得穿过吸收层130的光的强度被检测。

例如应用到在背景技术中描述的图6中的光学接收器2000a的情况中，设定吸收层130的厚度d使得吸收率变为至少5％，这允许基于在n型半导体侧电极121和p型半导体侧电极141处检测到的电流I控制本振光源900。

同时，设定吸收层130的厚度d使得吸收率变为至多20％，这将吸收层130中的吸收的量抑制到检测光的强度需要的最小量，使得能够最小化对于主信号的影响。在此情况中，包括n型半导体120、吸收层130和p型半导体140的光接收元件能够形成为薄于一般光接收元件的膜。

当n型半导体120和p型半导体140由Si形成并且吸收层130由Ge形成时，吸收层130至多增长至能够保持结晶度的厚度，因为Si和Ge的晶格彼此不匹配。因此，包括n型半导体120、吸收层130和p型半导体140的光接收元件能够形成为比背景技术中描述的PTL1的光接收元件薄的膜。

此外，在根据本示例性实施例的光学监视功能集成透镜中，当包括n型半导体120、吸收层130和p型半导体140的光接收元件被布置在透镜110的出射表面上时，不需要布置背景技术中描述的光学分路设备440和监视光接收元件700。由于这种构造不需要使光线分路的棱镜，所以用于布置棱镜的准直区域是不必要的，允许了入射主信号被一个透镜直接集聚。相应地，根据本示例性实施例的光学监视功能集成透镜100能够降低构件的数量，并且具有较小的尺寸。此外，由于不需要布置必需严格安装精度的光学分路设备440和监视光接收元件700，所以能够实现急剧减小装配工时。

在本示例性实施例中，透镜110、n型半导体120和p型半导体140由Si形成，冰箱吸收成130由Ge或SiGe形成，但不限于此。透镜110、n型半导体120和p型半导体140对使用的波长透明就足够了。在应用到数字相关通信中使用的光的波长(1.31μm到1.61μm)的情况中，例如InP等能够被用作材料。在该情况下，InGaAs、InGaAsP等能够被用作吸收层130的材料。当使用InGaAsP作为吸收层130的材料时，能够设计大的厚度d以获得预定的吸收率，因为InGaAsP的光吸收效率小于Ge、SiGe、InGaAs等的吸收效率。在此情况中，光吸收材料130的制造公差被改善。

使用用于数字相干模块的根据本示例性实施例的光学监视功能集成透镜100能够同时实现集聚从光联接到光功能回路的端口的入射端口出射的信号的光集聚功能和检测信号光强度的功能。

<第二示例性实施例>

描述了根据第二示例性实施例的光学接收器2000。图4是包括光学模块1000的光学接收器2000的配置图。图5是图4中的光学接收器2000中的光学监视功能集成透镜100附近的放大视图。在图4和图5中，为了方便描述，放大光学监视功能集成透镜100的图示。图4和图5的α方向与信号光和本振光的行进方向对应。例如，认为信号光是数字相干通信中经常使用的波长从1.31[μm]到1.61[μm]的光。在图4和图5中，与图1和图2中表示的相同附图标记被标记到与图1和图2中所图示的构成元件等同的构成元件上。在下面，省略与在第一实施例中描述的构造等同的构造的描述。

光学接收器2000包括强度检测单元800、本振光源900和光学模块1000。光学接收器2000也称为数字相干光学接收器。

强度检测单元800连接到光学监视功能集成透镜100的n型半导体侧电极121和p型半导体侧电极141。强度检测单元800检测从n型半导体侧电极121和p型半导体侧电极141输出的电流I[A]，由此获得由吸收层130吸收的信号光的强度(吸收的光强度PI[W])。

吸收层130中的吸收的光强度PI[W]与穿过吸收层130的信号光的强度成比例。由于吸收层130中的吸收的光强度PI[W]与从n型半导体电极121和p型半导体电极141提取的电流I成比例，所以监视从n型半导体电极121和p型半导体电极141提取的电流I允许监视信号光的强度。考虑到这点，光学监视功能集成透镜100和强度检测单元800能够构成光学接收器。在此情况中，强度检测单元800检测从光学监视功能集成透镜100的n型半导体电极121和p型半导体电极141输出的电流I[A]，由此在各种电路上取决于入射信号光的强度执行控制。在此情况中，强度检测单元800用作权利要求中的控制单元。

回到图4中的光学接收器2000的描述。本振光源900连接到强度检测单元800和本振光入射端口300。本振光源900根据通过强度检测单元800获得的吸收的光强度PI[W]调节本振光的强度P3[W]从而产生本振光。

光学模块1000包括光学监视功能集成透镜100、信号光入射端口200、本振光入射端口300、透镜430、光学功能回路500、检测光接收元件610和620以及输出端子710和720。

信号光入射端口200将信号光出射到光学监视功能集成透镜100侧，其中信号光被叠加在从外部(例如：数字相干光学发射器)出射的光相上。例如，对于信号光入射端口200，能够使用光纤。例如，从信号光入射端口200出射的信号光的强度在0.01至10[mW]。信号光入射端口200的与权利要求中的信号光出射单元对应。

光学监视功能集成透镜100集聚从信号光出射端口200入射的信号光以将此光出射到光学功能回路入射端口510。由于光学监视功能集成透镜100和第一示例性实施例中的图1中和图2中光学监视功能集成透镜100相同，所以省略其描述。

换言之，光学监视功能集成透镜100由透镜110和光接收元件构成。透镜110在布置在作为入射表面的第一主表面112上的凸部111集聚入射光，并且将集聚的信号光出射到布置在作为出射表面的第二主表面113上的光接收元件。光接收元件由n型半导体120、吸收层130和p型半导体140构成。光接收元件在吸收层130中的部分入射光从而在n型半导体120处和p型半导体140处检测吸收的信号光的强度，并且将剩下的信号光出射到光学功能回路500的光学功能回路入射端口510。

本振光入射端口300将从本振光源900出射的本振光出射到透镜430侧。例如，对于本振光入射端口300，能够使用光纤。本振光入射端口300与权利要求中的本振光出射单元对应。

透镜430集聚从本振光入射端口300出射的本振光，以将此光出射到光学功能回路500的光学功能回路入射端口520。

例如，光学功能回路500包括光学90度混合器(未示出)，并且将从光学监视功能集成透镜100入射的信号光划分为X偏振信号光和Y偏振信号光。此外，光学功能回路500将来自本振光源900的经由透镜430进入本振光与各个划分的X偏振信号和Y偏振信号复用。随后，光学功能回路500将复用信号(下文中，指相干信号)出射到检测光接收元件610和620。光学功能回路500与在权利要求中的复用单元对应

如图4中所图示的，光学功能回路500包括光学功能回路入射端口510和520。光学功能回路入射端口510将从光学监视功能集成透镜100入射的信号光出射到光学功能回路500中。光学功能回路入射端口520将从透镜430入射的本振光出射到光学功能回路500中。

检测光接收元件610和620接收从光学功能回路500出射的相干信号并将这些信号转换为模拟电信号从而将转换的信号输出到输出端子710和720。例如，为了检测光接收元件610和620，能够使用光电二极管(PD)。当光学接收器2000是数字相干光学接收器时，检测光接收元件610和620由四个通道构成。注意检测光接收元件610和620与权利要求中的转换单元对应。

输出端子710和720是连接到外部设备的输出端子。外部设备的示例包括跨阻放大器(TIA)等。当TIA连接到输出端子710和720时，从检测光接收元件610和620输出的电信号经由输出端子710和720被输入到TIA。输入到TIA的电信号被TIA转换为电压信号。被TIA转换的电压信号随后被解调并且在例如模拟数字转换器(ADC)电路、数字信号处理器(DSP)电路等处处理预定的信号。

在如上描述构造的光学接收器2000中，强度检测单元800检测光学监视功能集成透镜100的吸收层130吸收的信号光的强度(吸收的光强度)。随后，根据由强度检测单元800检测到的吸收的光强度，本振光源900产生本振光。

在此情况中，没有必要在光学模块1000中布置背景技术中描述的光学分路设备440和监视光接收元件700，没有必要提供为布置棱镜设置准直区域，并且能够用一个透镜直接地集聚入射信号光。相应地，根据示例性实施例的光学接收器能够减少构件的数量，并能够具有较小的尺寸。此外，因为不需要布置需要严格的安装经度的光学分路设备440和监视光接收元件700，所以能够急剧减小装配工时。

本申请的发明不被限制到上述示例性实施例，并且本发明甚至包括在不偏离本发明的要素的范围内的设计改变等。上述示例性实施例的部分或全部可以被撰写为下述补充注释，但不限于下述内容。

[补充注释1]

一种光接收元件，包括：

透镜，所述透镜包括光线进入的入射表面和出射从所述入射表面入射的光的出射表面；和

吸收层，所述吸收层被设置以便面向所述入射表面或所述出射表面，并且吸收和透射入射光，其中

所述吸收层和所述透镜的晶格彼此不匹配。

[补充注释2]

根据补充注释1所述的光接收元件，其中，所述透镜的主要成分是Si。

[补充注释3]

根据补充注释1或2所述的光接收元件，其中，所述吸收层的主要成分是Ge或SiGe。

[补充注释4]

根据补充注释1至3中的任一项所述的光接收元件，其中，所述吸收层形成使得所述吸收层对所吸收的入射光的吸收率至少为5％并且至多为20％。

[补充注释5]

根据补充注释1至4中任一项所述的光接收元件，其中，所述吸收层形成使得所述吸收层的厚度至少为0.1μm并且至多为0.5μm。

[补充注释6]

一种光学接收器，包括：

光接收元件，所述光接收元件包括透镜和吸收层，所述透镜包括光进入的入射表面和出射从所述入射表面入射的光的出射表面，所述吸收层被设置以面向所述入射表面或所述出射表面并且吸收和透射入射光；

强度检测单元，所述强度检测单元检测吸收的光强度，所述吸收的光强度是所述吸收层吸收的光的强度；和

本振光源，所述本振光源产生本振光，其中

所述本振光源根据由所述检测单元检测到的所述吸收的光的强度产生本振光。

[补充注释7]

一种光学模块，包括：

信号光出射单元，所述信号光出射单元出射信号光；

本振光出射单元，所述本振光出射单元出射本振光；

光接收元件，所述光接收元件包括透镜和吸收层，所述透镜包括从所述信号光出射单元出射的信号光进入的入射表面和出射从所述入射表面入射的信号光的出射表面，所述吸收层被设置以便面向所述入射表面或所述出射表面并且吸收和透射入射信号光；

复用单元，所述复用单元将从所述透镜出射的信号光和从所述本振光出射单元出射的本振光彼此复用，并且输出复用的光信号；和

转换单元，所述转换单元将从所述复用单元出射的复用的光信号转换为电信号。

[工业适用性]

本申请的发明能够被广泛地应用到基于入射信号光的强度执行各种控制光学通信设备。

本申请要求基于于2014年3月36日提交的日本专利申请No.2014-063740的优先权，其公开全部内容通过引用并入本文。

[附图标记]

100 光学监视功能集成透镜

110 透镜

111 凸部

112 第一主表面

113 第二主表面

120 n型半导体

121 n型半导体侧电极

130 吸收层

140 p型半导体

141 p型半导体侧电极

150 无反射膜

200 信号光入射端口

300 本振光入射端口

410、420、430 透镜

440 光学分路设备

500 光学功能回路

510、520 光学功能回路入射端口

610、620 检测光接收元件

700 监视光接收元件

800 强度检测单元

900 本振光源

1000 光学模块

2000、2000a 光学接收器