具有光学阻尼构件的光电部件的制作方法

本发明涉及包括光电检测器和放大器的部件及其操作方法。

背景技术：

文献“a40gb/smonolithicallyintegratedlinearphotonicreceiverina0.25μmbicmossige:ctechnology(在0.25μmbicmossige:c技术中的40gb/s单片集成线性光子接收器)”(ahmedawny，rajasekharnagulapalli，georgwinzer，marcelkroh，danielmicusik，stefanlischke，dieterknoll，gunterfischer，dietmarkissinger，ahmetulusoy，larszimmermann；ieeemicrowaveandwirelesscomponentsletters，第25卷，第7期，2015年7月)公开了包括光电检测器和连接到光电检测器的电放大器的部件。光电检测器和放大器被集成在同一半导体衬底中。

技术实现要素：

本发明基于改进所描述类型的部件的关于由放大器输出的电输出信号的质量的目的。

借助具有专利权利要求1中要求保护的特征的部件根据本发明实现该目的。在从属权利要求中指明了根据本发明的部件的有利配置。

因此，本发明提供至少一种可调节光学阻尼构件被布置在光电检测器的上游并且阻尼或能够至少阻尼传递到光电检测器的光辐射，放大器的电输出直接或间接地连接到可调节光学阻尼构件，并且放大器的输出信号或随其形成的控制信号驱动光学阻尼构件，并且光电检测器、放大器和阻尼构件被集成在同一半导体衬底中。

在通过根据本发明提供的可调节光学阻尼构件能够设置入射到光电检测器上的辐射功率的事实中，可看出根据本发明的部件的一个主要优点。举例来说，如果在光电检测器处的光输入信号非常高，并且与此相关联，在放大器的输入处的电输入信号也非常高，则例如由于放大器的输入级被过驱动，会发生放大器的电输出信号的失真。凭借使用可调节光学阻尼构件用于限制光电检测器的光输入信号(即，已经在光电检测器的输入的上游限制了信号，结果放大器得到保护)的事实，在根据本发明的部件的情况下，可用简单方式避免或至少减少由于以上提到的过驱动而导致的这种信号失真。

部件的一个优选配置提供控制装置以下述方式驱动阻尼构件：在放大器的放大器输入处的电输入信号具有预定义的特性和/或放大器表现出预定义的行为。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置以下述方式驱动阻尼构件：放大器的放大器输入处的电输入信号的平均信号强度被限于预定义的最大值。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置以下述方式驱动阻尼构件：放大器的放大器输入处的电输入信号的信号峰被限于预定义的最大值。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置以下述方式驱动阻尼构件：放大器的放大器输入处的电输入信号的信号强度下降为低于或至少不超过预定义的标称输入信号强度。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置以下述方式驱动阻尼构件：放大器在线性放大器范围内操作或者至少不被过驱动。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置以下述方式驱动阻尼构件：放大器的输入电路，尤其是双极性输入晶体管以低于其击穿电压的输入电压操作。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置以下述方式驱动阻尼构件：放大器的输入电路，尤其是双极性输入晶体管以在其饱和范围之外的输入电压操作。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置以下述方式驱动阻尼构件：放大器的输出信号中的第三谐波下降为低于或至少不超过针对第三谐波的预定义的信号阈值。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置以下述方式驱动阻尼构件：放大器的所述输出处没有达到1db压缩点。压缩点定量地描述了放大器的非线性行为；它定义了输入信号的最大幅度，对于该幅度，由非线性引起的失真尚未超过预定义的度量。

光电检测器、放大器和阻尼构件优选地形成闭合控制回路。

优选地，控制装置电连接在放大器的电输出和光学阻尼构件之间，在放大器的输出处输出的电输出信号被施加到所述控制装置的输入侧，并且所述控制装置在输出侧上输出用于驱动光学阻尼构件的电控制信号。

光电检测器、放大器、控制装置和阻尼构件优选地形成闭合控制回路。

控制装置优选地包括运算放大器。

可替选地或另外地，可有利地设置成控制装置包括具有存储的表的存储器，其根据由放大器输出的输出信号来预定义要被输出的电控制信号。

优选地，直接或间接地连接到可调节光学阻尼构件的放大器的电输出是信号强度指标输出，其将指示放大器输入处的平均信号强度的信号作为输出信号输出，或者是信号峰检测器输出，其将指示放大器的输出信号的信号峰的幅值的信号作为输出信号输出。

此外，所述放大器可以被设置成具有至少两个电输出，即直接或间接地连接到可调节光学阻尼构件的输出以及用于输出数据信号的数据信号输出。

至于部件的构造，认为有利的是，波导被光学地耦合或连接到光电检测器，并且光学阻尼构件作用于波导。波导、光电检测器和光学阻尼构件优选地被集成在同一半导体衬底中。

此外，可能有利的是，光电检测器具有两个或更多个光输入，各自的波导被连接到所述光输入。

连接到光电检测器的至少两个波导中的每个在每种情况下优选地配备有可调节光学阻尼构件，所述可调节光学阻尼构件间接或直接地耦合到放大器的输出或放大器的输出中的一个，并且间接或直接地经由放大器的输出信号被驱动。

可调节光学阻尼构件可有利地具有：电荷载流子注入器件，尤其是pn或pin二极管结构；或加热装置；或电荷载流子注入器件和加热装置这二者。

举例来说，可设置成：在每种情况下在马赫-曾德尔(mach-zehnder)结构的两个波导臂中的每个中存在电荷载流子注入器件和/或加热元件。这种布置使得能够进行以下操作(例如，“推挽”操作)：可选地，两个波导臂中只有一个利用所期望的折射率变化的迹象而被驱动，或者波导臂这二者优选地利用相反的感测而被同时驱动或者利用不同的折射率变化的迹象而被同时驱动。

可替选地或另外地，可设置成波导具有：干涉结构，尤其是马赫-曾德尔结构；或定向耦合器结构；和/或谐振器结构，尤其是法布里-珀罗(fabry-perot)谐振器结构或环形谐振器结构，并且光学阻尼构件的阻尼的可调节性至少还基于干涉结构和/或谐振器结构的部分中的折射率变化。

所述放大器优选地是跨阻抗放大器，尤其是与光电检测器集成在同一衬底中的放大器。

此外，认为有利的是，波导被光学地耦合或连接到光电检测器，并且在波导中和/或沿着波导，两个或更多个光学阻尼构件在波导的纵向方向中一个在另一个之后地被布置，所述阻尼构件在每种情况下作用于或者能够至少作用于波导，其中，阻尼构件中的每个在每种情况下间接或直接地被连接到放大器的电输出或放大器的电输出中的一个，尤其被连接到放大器的同一输出，并且以放大器的输出信号，尤其是同一输出信号，或随其形成的控制信号被驱动。

此外，有利的是，光电二极管被电差分地连接到放大器。

此外，本发明涉及一种用于操作包括光电检测器和连接到光电检测器的电放大器的部件的方法。

至于这种方法，根据本发明，设置成用放大器的电输出处输出的输出信号或者用随其形成的控制信号来驱动可调节光学阻尼构件，并且设置所述阻尼构件的阻尼，以及通过阻尼构件阻尼入射到光电检测器上的辐射，其中，光电检测器、放大器和阻尼构件被集成在同一半导体衬底中。

至于根据本发明的方法的优点，应该参照结合根据本发明的部件的以上说明。

有利的是，以下述方式设置阻尼：放大器的放大器输入处的电输入信号具有预定义的特性和/或放大器表现出预定义的行为。

可替选地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器的放大器输入处的电输入信号的平均信号强度被限于预定义的最大值。

可替选地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器的放大器输入处的电输入信号的信号峰被限于预定义的最大值。

可替选地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器的放大器输入处的电输入信号的信号强度下降为低于或至少不超过预定义的标称输入信号强度。

可替选地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器在线性放大器范围内操作或者至少不被过驱动。

可替选地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器的输入电路，尤其是双极性输入晶体管以低于其击穿电压的输入电压操作。

可替选地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器的输入电路，尤其是双极性输入晶体管以在其饱和范围之外的输入电压操作。

可替选地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器的输出信号中的第三谐波下降为低于或至少不超过针对第三谐波的预定义的信号阈值。

可替地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器的输出处没有达到1db压缩点。

可替选地或另外地，可有利地设置成以下述方式设置阻尼：放大器的输出处的输出信号不超过预定义的阈值。

附图说明

下面，基于示例性实施例更详细地说明本发明；在这种情况下，在附图中，举例来说

图1示出了配备有在光传播方向中布置在部件的光电检测器上游的阻尼构件的根据本发明的部件的一个示例性实施例，

图2示出了根据本发明的部件的一个示例性实施例，其中阻尼构件由通过电荷载流子注入引起的光辐射阻尼的电荷载流子注入器件形成，

图3示出了根据本发明的部件的一个示例性实施例，其中阻尼构件具有马赫-曾德尔结构和电荷载流子注入器件，电荷载流子注入器件注入的电荷载流子引起折射率的变化，进而引起马赫-曾德尔结构的输出处的干涉变化，

图4示出了根据本发明的部件的一个示例性实施例，其中阻尼构件具有环形谐振器和电荷载流子注入器件，

图5示出了根据本发明的部件的一个示例性实施例，其中多个阻尼构件被布置在辐射传播方向中的部件的光电检测器上游，

图6示出了根据本发明的部件的一个示例性实施例，其中光电检测器具有含集成阻尼构件的各自的波导所连接到的两个输入，其中，阻尼构件在每种情况下由单独的控制装置驱动，

图7示出了按照图6的部件的一个实施例变型，其中阻尼构件由单个控制装置驱动，

图8示出了控制装置的一个示例性实施例，其可以被用于按照图1至图7的部件的情况，

图9示出了控制装置的进一步的示例性实施例，其适合用于按照图1至图7的部件的情况，

图10示出了根据本发明的部件的一个实施例变型，其中光电检测器被差分地连接到放大器，以及

图11示出了阻尼构件的一个实施例变型，其中具有不同的折射率变化的迹象可以被应用于马赫-曾德尔结构的两个波导臂(例如，用于推挽操作)。

具体实施方式

在附图中，为了清楚起见，相同的附图标记始终用于相同或相当的组成部件。

图1示出了部件10，部件10包括光电检测器(pd)和连接到光电检测器pd的电放大器tia。放大器tia优选地是跨阻抗放大器。

光波导20被设置在被施加电势v的光电检测器pd的上游，所述波导的输入e20(在图1中的左侧)适于馈入光辐射p。光辐射p在光电检测器pd的方向中经过波导20。在通向光电检测器pd的途中，光辐射受阻尼构件30的影响，阻尼构件30优选地被集成在波导20中或者被耦合到波导20并且阻尼光辐射p，其结果是，形成了由图1中的参考符号p’识别的阻尼辐射。

在按照图1的示例性实施例的情况下，放大器tia具有数据信号输出da，数据信号输出da在输出侧输出借助光辐射p传达的数据信号ds。

此外，放大器tia具有输出a，输出a的输出信号as被馈入部件10的控制装置40。利用放大器tia的输出信号as，控制装置40生成控制信号st，利用控制信号st来驱动阻尼构件30或者设置其阻尼α。

部件10的以上提到的组成部件(也就是说，波导20、阻尼构件30、控制装置40、光电检测器pd和放大器tia)被集成到部件10的同一个半导体衬底11中。

可通过控制阻尼构件30的透射率的变化来限制照射到光电检测器pd上的光功率。限制光功率可防止放大器tia的输入级被过驱动。带有过高的输入信号的输入级的过度驱动会以干扰方式导致数据信号ds失真。所述失真可能是由于过高的电压摆幅引起的，该电压摆幅驱动放大器tia的输入晶体管达到饱和。

在具有多个并行通道的系统中，高信号会另外导致相邻通道之间的串扰增加。所述串扰使放大器tia的输入放大器的有效输入灵敏度降低。

出于所提及的原因，部件10优选地以下述方式操作：光电检测器pd、放大器tia、控制装置40和阻尼构件30形成闭合控制回路。具体地，控制装置40优选地以如下方式执行阻尼构件30的驱动：放大器tia的放大器输入ev处的电输入信号es的平均信号强度被限于预定义的最大值。可替选地，控制装置40还可以有利地以下述方式被配置：它以下述方式操作控制回路：放大器tia的放大器输入ev处的电输入信号es中的信号峰被限于预定义的最大值。

为了以特别简单的方式启动所描述的控制装置40的操作模式，认为有利的是，连接到控制装置40的放大器tia的电输出a是信号强度指标输出，其将指示放大器tia的放大器输入ev处的平均信号强度的输出信号as作为输出信号as输出。

可替择地，认为有利的是，放大器tia的电输出a将指示放大器tia的放大器输入ev处的信号峰的幅值的信号作为输出信号as输出。

图2示出了在构造方面与按照图1的部件10相对应的部件10的一个示例性实施例。在这方面，图2揭示了按照图2的部件10包括波导20、阻尼构件30、光电检测器pd、放大器tia和控制装置40。阻尼构件30、光电检测器pd、放大器tia和控制装置40形成控制回路，控制回路用于将入射到光电检测器pd上的阻尼的光功率p’设置为所期望的量度，如已经关联图1说明的。

在按照图2的示例性实施例的情况下，阻尼构件30由电荷载流子注入器件310形成，电荷载流子注入器件310包括p掺杂区311、n掺杂区312和居间的未掺杂或仅弱掺杂的中心区域313，波导20被引导通过电荷载流子注入器件310。

为了按照图2控制阻尼构件30的阻尼，控制装置40可允许以控制信号st形式的或多或少的电流(或甚至根本没有电流)流过电荷载流子注入器件310或其pn或pin二极管；根据电流幅值，相应地设置中心区域313内的电荷载流子密度，结果，借助区域313中的电荷载流子将辐射的阻尼设置为分别期望的度量。在没有电流的情况下，吸收等同于波导20本身的吸收(大致2db/cm)，并且在阻尼构件30和光电检测器pd之间的几十微米的典型距离可忽略不计。

对于其余的，结合图1的以上说明是相应地适用的。

图3示出了部件10的一个示例性实施例，其中阻尼构件30由马赫-曾德尔结构(mach-zehnder)320形成。马赫-曾德尔结构320包括平行延伸的两个波导臂321和322。两个波导臂之一(例如，图3中的下波导臂322)配备有电荷载流子注入器件310，该电荷载流子注入器件310可以对应于按照图2的电荷载流子器件310。

按照图3的电荷载流子注入器件310还具有p掺杂区311和n掺杂区312，该p掺杂区311和n掺杂区312形成pn或pin二极管结构，电荷载流子可以通过p掺杂区311和n掺杂区312被馈入到波导臂322中。

与通过注入的电荷载流子的电荷载流子阻尼引起阻尼构件30的阻尼的按照图2的示例性实施例相比，按照图3的示例性实施例提供了主要由电荷载流子注入器件310注入的电荷载流子以改变波导臂322的区域中的折射率，从而导致两个波导臂321和322之间的光辐射的相移。根据马赫-曾德尔结构320的输出323处所得的相移，由于干涉，辐射以取决于相移的方式被耦合出来，并伴随着辐射到光电检测器pd中的辐射p’的取决于相移的幅度，所述辐射由此被以或多或少的程度阻尼。

总之，与其中阻尼是基于电荷载流子本身带来的阻尼的按照图2的阻尼构件30相比，该阻尼构件30因此基于电荷载流子注入导致的折射率变化。

在按照图3的示例性实施例的情况下，波导臂321和322之间的相移也可以可替选地或另外地由加热元件500引起，加热元件500引起因温度改变导致的折射率变化。

此外，在每种情况下，在马赫-曾德尔结构320的两个波导臂321和322中的每个中，能够设置电荷载流子注入器件310和/或加热元件500(例如，以电阻器或电阻层的形式)，以便能够进行以下示例操作(例如，“推挽”操作)：其中，可选地，两个波导臂321和322中只有一个利用所期望的折射率变化的迹象而被驱动，或者波导臂321和322这二者优选地利用相反的感测而被同时驱动或者利用不同的折射率变化的迹象而被同时驱动。在图11中以示例的方式示出了这种变型。

图4示出了部件10的一个示例性实施例，其中阻尼构件30包括环形谐振器330。环形谐振器330具有波导环331和定向耦合器332，定向耦合器332将波导环331耦合到部件10的波导20。

此外，按照图4的阻尼构件30具有电荷载流子注入器件310，例如，诸如以上已经结合图2和图3说明的电荷载流子注入器件。电荷载流子注入器件310使得能够将电荷载流子馈入波导环331中，带来的结果是，其有效光学长度被改变(由于折射率的改变)并且相对于波导20的耦合行为被改变。因此，在部件10的情况下，控制装置40具有以下可能性：借助于控制信号st或借助于进入波导环331中的合适的电荷载流子注入，影响环形谐振器330相对于波导20的耦合行为，并且因此具有根以下可能性：据放大器tia的输出a处的输出信号as以目标方式设置入射到光电检测器pd上的光功率。

至于阻尼构件30的阻尼的最佳调节，应参照以上特别地结合图1的说明。

在按照图4的示例性实施例的情况下，波导环331中的相移也可以可替选地或另外地由加热元件500引起，加热元件500引起因温度改变导致的折射率变化。

图5示出了光学部件10的一个示例性实施例，其中，当在波导20的辐射p的传播方向中观察时，三个阻尼构件30被布置在光电检测器pd上游。这三个阻尼构件30由控制装置40驱动，控制装置40以下述方式设置阻尼构件30的阻尼：由三个阻尼构件30、光电检测器pd、放大器tia和控制装置40形成的控制回路在放大器tia的输出a处产生所期望的输出信号as。至于控制装置40的控制可能性或者至于控制装置40的可能的操作模式，应参照以上结合图1至图4(尤其是图1)的说明。

图6示出了部件10的一个示例性实施例，其中光电检测器pd具有各自的波导被连接到的两个光输入e1和e2。在图6中，用参考符号20和20’来标识波导。

两个波导20和20’中的每个分别配备有被指配的阻尼构件30和30’。

连接到光电检测器pd的放大器tia在输出a处输出输出信号as，该输出信号由两个控制装置40和40’评估。两个控制装置40和40’中的每个都驱动被指配的阻尼构件30和30’，使得放大器tia的输出a处的输出信号as具有预定义的行为，如以上已经结合图1至图5(尤其是图1)详细说明的。

图7示出按照图6的部件10的变型。在按照图7的变型的情况下，阻尼构件30和30’由单个控制装置40驱动。对于其余的，以上说明相应地适用。

图8示出了控制装置40的一个示例性实施例，其可以在按照图1至图7的部件10的情况下被使用。按照图8的控制装置40具有以所示出方式彼此互连的运算放大器400和电阻器410。运算放大器400的输出输出控制信号st，控制信号st作用于下游的阻尼构件30和/或30’，如以上结合图1至图7详细说明的。

图9示出了在按照图1至图7的部件10的情况下可使用的控制装置40的替选配置。按照图9的控制装置40具有计算装置50和存储器460。表ta被存储在存储器460中，所述表根据由上游放大器tia输出的输出信号as来预定义要输出的电控制信号st。根据输出信号as，查询存储器460或存储在其中的表ta的计算装置450将生成合适的控制信号st，并且出于驱动下游阻尼构件的目的，输出侧在将其输出。

图10示出了根据本发明的部件10的一个实施例变型，其中光电检测器pd被差分地连接到放大器tia。为此目的，放大器tia具有两个放大器输入ev和ev’，光电检测器pd的相应输入信号es和es’被馈入放大器输入ev和ev’。对于其余的，结合图1至图9的以上说明相应地适用。

总之，以上结合按照图1至图11的示例性实施例描述了其中光信号仍在光电检测器的上游而可以被衰减的部件和方法。因此，可优化放大器以获得最大灵敏度，而无需担心过驱动。

将电子元件和光子元件集成到同一个半导体衬底11(优选地，硅衬底)中或集成到集成电路(epic)上提供了光学地限制输入信号es从而优化输入级的灵敏度的可能性。该实现在其紧凑性、成本效益上是独特的，并且避免了牺牲接收器灵敏度。

放大器tia优选地具有用于例如具有25gb/s的数据速率的数据信号ds的数据信号输出da以及用于输出信号as的附加输出。输出信号as可以表示例如信号强度(接收信号强度指标，rssi)或放大器输入ev(峰检测器)处的峰幅度。

在数据中心内部和之间的光学数据传输(“dc内”和“dc间”)以及城域网到终端用户(“光纤到户，ftth”)中的光学数据传输构成了可能的应用。

图1至图11中示出的按照示例性实施例的部件适用于100gb/s的光数据传输，如例如由cwdm4-msa以及由ieeestandard100gbase-lr4所规定的。在这两种情况下，接收光功率需要大的动态范围，从-11.5dbm和-10dbm(lr4)的最小平均功率直至最大值2.5dbm(cwdm4和lr4)。

以上结合图1至图11描述的示例性实施例描述了波导20、光学阻尼构件(衰减器)30、光电检测器pd、放大器tia和epic上的控制回路的共整合，可以具有单独的、多个的或全部以下特性和/或优点：

-限制光电检测器pd上的光输入信号es可防止在放大器的数据信号输出da和输出a处的电信号的失真。

-能够在不改变放大器的增益参数并且因此在不降低接收器灵敏度的情况下调节输出幅度。

-由于光电二极管与放大器之间的短的电连接，使放大器输入级的灵敏度得以提高。

-衰减器30不会导致额外的光学插入损耗(或者在使用p-i-n二极管时可忽略不计)。

-结合高输入光功率的情况下无过电压。

-可将光衰减器与高信号值结合使用，以避免对灵敏度有影响。在没有光衰减器的情况下，原本必须通过借助晶闸管改变跨阻抗(以灵敏度为代价)来调整放大器的灵敏度。

-所描述的整个接收器系统可非常紧凑地实现。

-信号传播时间短，以很少的组成部件使生产简化。

-不需要使用外部光学或电子组成部件，所以没有由于这种组成部件而发生不可避免的额外的信号损失。

-光学衰减器可以产生至少5db的典型最大信号抑制。

-部件(或集成的epic芯片)的衬底材料可以是硅。

-光电二极管可具有两个或更多个光输入，各自的波导连接到这些光输入。然后，所有输入的聚合信号确定增益控制。在这种情况下，如果从一个波导分出两个波导，则一个光学衰减器能够调节这两个波导的传输，并且每个波导能够具有专用光学衰减器，带来的结果是，能够进行独立调节。

-光电二极管可以是ge-pd。

-光电二极管可以电差分连接到放大器(tia)。

-接收到的信号的相位变化可以仅通过折射率的变化来进行。结合本地振荡器作为具有平衡光电二极管的相干接收器的部分，因此可稳定操作点。

-可通过光栅耦合器将光信号耦合到波导中。

尽管已借助优选的示例性实施例更详细地例示和描述了本发明，但是本发明不受所公开示例的限制，并且在不脱离本发明的保护范围的情况下，本领域的技术人员可从中推导出其它变型。

参考符号的列表

10部件

11半导体衬底

20波导

20’波导

30阻尼构件

30’阻尼构件

40控制装置

40’控制装置

310电荷载流子注入器件

311p掺杂区

312n掺杂区

313中心区域

320马赫-曾德尔结构

321波导臂

322波导臂

323输出

330环形谐振器

331波导环

332定向耦合器

400运算放大器

410电阻器

450计算装置

460存储器

500加热元件

a输出

as输出信号

da数据信号输出

ds数据信号

e1输入

e2输入

e20输入

es输入信号

es’输入信号

ev放大器输入

ev’放大器输入

p辐射/光功率

p’阻尼辐射

pd光电检测器

st控制信号

ta表

tia放大器

v电势

α阻尼