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专利名称：单片集成正交平衡光探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及相干探测领域，具体是一种单片集成的正交平衡光探测器，包括两个能探测TE、TM偏振的双平衡偏振光探测器。该单片集成的正交平衡光探测器可以作为正交平衡接收机的核心器件，用来检测QPSK/DQPSK信号。
背景技术：
当前光通信的接收体制分为两类一类是光强度调制/直接探测(IM/DD)；另一类是相干探测。与IM/DD相比，相干探测具有更高的探测灵敏度、更小的收发天线口径、更低的功耗、更强的抗干扰能力和更高的速率。因此，相干探测已成为发展新一代高码率、小型化和低功耗空间激光通信终端的重要技术途径。平衡探测器作为相干探测的核心器件，一直备受关注，广泛应用于空间激光通信系统。同时，平衡探测器在高速数字通信系统上的应用也逐渐引起了人们的兴趣，可以应用于基于稳定、可靠的链路性能的新的调制码型技术，例如差分相移键控(QPSK)、差分正交相移键控(DQPSK)等。在数字通信系统中，这种相位敏感的编码和传输技术将成为一种趋势， 能够大幅提高数据的传输容量，检测灵敏度和频谱效率是这种趋势的关键所在。在相干探测中，要求信号光束与本振激光光束相干并且有相同的偏振方向，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。因为在这种情况下，只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方向上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。主要有如下三种方法一是在接收机前端采用光偏振控制器，但是这是以损失接收信号功率为代价的。二是使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。对于相干光纤通信系统，由于普通的单模光纤会由于光纤的机械振动或温度变化等因素使光波的偏振态发生变化，通常是采用“保偏光纤”来实现传输过程中光波的偏振态不变。然而，“保偏光纤”与单模光纤相比，其损耗比较大，价格比较昂贵， 因而难以应用于长距离。对于空间光通信，则难以实现传输过程中光波的偏振态不变。三是使用所谓的正交平衡检测技术，即采用普通的单模光纤或空间进行光传输，在接收端信号光与本振光混合后首先分成两路作为平衡接收，对每一路信号又采用偏振分束镜分成正交偏振的两路信号分别平衡检测，最后对两路平衡接收信号进行判决，选择较好的一路作为输出信号。此时的输出信号已与接收信号的偏振态无关，从而消除了信号在传输过程中偏振态的随机变化。正交平衡检测技术的提出使得相干检测技术的实用性大大提高。当前应用于相干检测技术的平衡探测器都是基于分立的探测器，具有体积大、稳定性低和成本高等缺点。与微电子领域将众多晶体管大规模集成以实现复杂的功能和降低成本类似，集成多种功能的光电子器件也成为发展趋势，是降低应用系统成本、缩小系统体积和增强系统稳定性的关键因素之一。图1是一种常见的正交平衡光接收机，由一个90° 光混合器和两个双平衡的光探测器组成，光混合器和双平衡探测器均由分立器件组成，具有体积大和成本高等特点。并且，这种平衡光接收机需要使用到双折射晶体的偏振分束镜， 而探测器通常是基于III-V族或者IV族材料，特别不利于集成。因此，我们提出了新的正交
3平衡接收机。在该结构中，我们采用新型结构的偏振光探测器代替普通偏振不灵敏光探测器。因而不需要使用大体积的偏振分束器，90°光混合器可以采用基于半导体材料的2X4 多模干涉仪(MMI)，正交光接收机能够实现集成化，极大减小器件体积、提高器件稳定性和降低成本。

发明内容
本发明为解决现有技术中的上述问题而做出，其目的在于提供一种能够实现集成化、极大减小器件体积且提高器件稳定性和降低成本的正交平衡光探测器。为了实现上述发明目的，本发明涉及的一种正交平衡光探测器，以单片集成方式构成，其特征在于，包括2个以上双平衡正交偏振光探测器，分别由2个TE偏振光探测器或者2个TM偏振光探测器构成；以及偏置电路，包括多个片上电容、多个交流隔离电阻和多个负载电阻。此外，可以优选的是，衬底为半绝缘衬底，所有器件材料均在同一衬底上经过一次气相外延或者分子束外延而形成。另外，可以优选的是，所述TE偏振光探测器和所述TM偏振光探测器均为面入射探测器。此外，可以优选的是，通过在入射表面制作高对比度的亚微米介质光栅或者金属 (金、银、铝和锗等)光栅，实现对探测光的偏振选择特性。另外，可以优选的是，同一双平衡探测器内的探测器光栅设计参数相同。此外，可以优选的是，高对比度的介质光栅和金属光栅对偏振光具备宽的反射带宽和偏振选择性。另外，可以优选的是，TM偏振光探测器的光栅方向与TE偏振光探测器的光栅方向垂直。此外，可以优选的是，采用介质光栅时，探测器对TM、TE光的响应度之比大于 20dB。另外，可以优选的是，金属光栅的材料是金、银、铝或锗，探测器对TM、TE光的响应度之比大于30dB。此外，可以优选的是，金属光栅与探测器电极的材料相同，在金属光栅和探测器的表面之间形成用于电隔离的20 50nm的绝缘层。另外，可以优选的是，所述片上电容作为偏置旁路电容，该片上电容的结构为金属-绝缘层-金属(MIM)结构，片上电容的电容值大于2pF。此外，可以优选的是，所述隔离电阻和负载电阻使用相同的薄膜电阻。本发明使用偏振光探测器(为避免混淆，这里所指的偏振探测器是按探测器所能探测的光的偏振态来分类的，举例来说，若该探测器仅能探测TE(横电场波)偏振光，我们称之为TE偏振光探测器，同样TM(横磁场波)偏振光探测器仅能探测TM偏振光作为正交接收机的核心器件，两个双平衡探测器分别仅能探测TE、TM偏振信号，在该器件中我们集成了偏置电路，包括片上电容，高频遏流电阻和负载电阻。由于该探测器具有光信号偏振选择性，因而不需要使用偏振分束镜，能极大的减小光机收机的体积，提高器件的工作速度和可靠性。
关于TE�：蚑M模的概念，在自由空间传播的均勻平面电磁波(空间中没有自由电荷，没有传导电流)，电场和磁场都没有和波传播方向平行的分量，都和传播方向垂直。此时，电矢量E，磁矢量H和传播方向k两两垂直，电磁波为横波。沿一定途径(比如说波导) 传播的电磁波为导行电磁波。根据麦克斯韦方程，导行电磁波在传播方向上一般是有E和 H分量的。从光的传播形态分类来看根据传播方向上有无电场分量或磁场分量，可分为 TEM波、TE波和TM波三类，任何光都可以这三种波的合成形式表示出来。1、TEM波在传播方向上没有电场和磁场分量，称为横电磁波。实际的激光模式是准TEM模，即允许fe、Hz分量的存在，但它们必须<<横向分量，因为较大的fe意味着波矢方向偏离光轴较大，容易溢出腔外，所以损耗大，难于形成振荡。2、TE波(即是物光里的s波)在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波。在平面光波导(封闭腔结构)中，电磁场分量有Ey，HX，HZ，传播方向为Z方向。3、TM波(即是物光里的ρ波)在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中，电磁场分量有办41』2，传播方向为2方向。本发明所提出的正交平衡接收机，其器件等效电路图如图2所示，PDl和PD2为相同器件结构的TE偏振光探测器，组成TE偏振双平衡探测器；PD3和PD4为相同器件结构的 TM偏振光探测，组成TM偏振双平衡探测器。C为片上电容，R为薄膜电阻(或称交流隔离电阻)，C和R组成类Bias-T的功能，Rload为100 Ω负载电阻，Vcc为直流偏置电压。集成器件结构如图3所示，光探测器为面入射探测器，信号光垂直入射至光探测器的上表面，该探测器可以是PIN探测器、雪崩探测器(APD)或者单行载流子探测器 (UTC-PD)等。材料结构可以是基于III-V族或IV族材料或者二者的混合，例如hP/ InGaAsP 材料、InP/InGaAlAs 材料、GaAs/AlGaAs、GeSi/Si 和 GaAs/Ge 等。探测器的电极结构为共面条形(CPS)结构，输入端特征阻抗为50欧姆，器件调制带宽大于40GHz。探测器对吸收光具有偏振选择性，可以通过在器件表面采用了高对比度的亚微米介质光栅或者金属 (金、银、铝和锗等)光栅来实现。通过设计光栅的周期、高度和占空比等参数，能够分别实现TE、TM偏振光灵敏的光探测器。同一双平衡探测器内的探测器光栅设计参数相同。片上电容广泛的应用于MMIC(单片微波集成电路)工艺中，具有体积小和半导体工艺兼容等优点。在单片集成的正交平衡探测器应用中，我们采用其作为偏置旁路电容，其结构和金属-绝缘层-金属(MIM)结构。通过设计金属层的面积，绝缘层的厚度和面积，能够实现不同的电容值。集成器件中的交流隔离电阻和负载电阻都是由与CMOS工艺兼容的薄膜电阻构成，其结构为长方形，通过改变长宽比能够实现不同的电阻值。交流隔离电阻的阻值一般大于1000欧姆，用来隔离探测器所探测到的交流电信号对直流偏置电压源的影响。薄膜电阻的材料为Ta2N或AuCr等，可以采用电子束蒸发并结合带胶剥离(lift-off)等工艺来实现，构成薄膜。为避免电串扰，TE和TM双平衡探测器之间采用隔离沟进行隔离，如图7到图10所示。TE探测器之间以及TM探测器之间则采用隔离沟和绝缘层来实现N电极的隔离，如图6 至图10所示。虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人
5员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。


图1是现有的正交平衡接收机的示意图，其中BPD为正交平衡探测器；图2是本发明涉及的单片集成正交平衡探测器的等效电路图；图3是本发明涉及的单片集成正交平衡探测器的整体结构图；图4是本发明涉及的单片集成正交平衡探测器的整体结构图，1-6对应不同位置；图5是图4的位置1处的剖面图；图6是图4的位置2处的剖面图；图7是图4的位置3处的剖面图；图8是图4的位置4处的剖面图；图9是图4的位置5处的剖面图；图10是图4的位置6处的剖面图；图11是片上电容的结构示意图；图12是表示衍射光栅的结构和TE/TM偏振的定义的示意图；图13是表示InGaAs (n = 3. 4)介质光栅的反射透射谱，图13(a)表示入射光为 TE偏振光的情况，图13(b)表示入射光为TM偏振光的情况，另外，光栅周期为ρ = 1. Iym, InGaAs 厚度 h = 0. 25 μ m，占空比为 0. 35 ；图14是表示介质光栅的面入射探测器的示意图，光栅参数与图13的情况相同；图15是表示该探测器的反射透射谱，图15 (a)表示入射光为TE偏振光的情况，图 15(b)表示入射光为TM偏振光的情况，在此，设探测器在整个波段的吸收系数为0 ；图16是表示金属(Au)光栅的面入射探测器的示意图；图17是表示计算的该金属光栅的对TE/TM反射透射谱，其中光栅周期为ρ = 0. 45 μ m，金厚度h = 0. 5 μ m，占空比为0. 35。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明做进一步的阐述。图1是现有的正交平衡接收机的示意图，由一个90°光混合器和两个双平衡的光探测器组成，光混合器和双平衡探测器均由分立器件组成，具有体积大和成本高等特点。这种平衡光接收机需要使用到双折射晶体的偏振分束镜，而探测器通常是基于III-V族或者 IV族材料，特别不利于集成。本发明中所提出的单片集成的正交平衡光探测器集成了两个双平衡正交偏振光探测器及其偏置电路，能够极大减小正交平衡接收机的体积、提高接收机的稳定性和降低其成本。图3是本发明涉及的单片集成正交平衡探测器的整体结构图。该集成器件包括两个TE偏振光探测器4、两个TM偏振光探测器6、四个片上电容12、两个交流隔离电阻9和四个100欧姆的负载电阻14。其中，1为衬底，包括半绝缘衬底材料和N或P缓冲层，可以是Si、Ge、GaAs或InP等IV族或III-V材料，半绝缘衬底的表面电阻在106-108 Ω . cm之间，半绝缘衬底一般是通过掺狗来实现该阻值，衬底层的厚度在50 600 μ m之间；N或P 型缓冲层和半绝缘衬底材料相同，掺杂浓度一般为1018 1019cm_3，厚度为50nm 2 μ m。 例如，若半绝缘衬底材料为^Ρ，则N或P型缓冲层也为hP。2为TE偏振探测器1的P或 N电极(若衬底上的缓冲层为N型掺杂，则2为TE探测器的P电极；若衬底上的缓冲层为 P型掺杂，则2为TE探测器的N电极。“或”字前后字母分别一一对应，以下写法同)。3为 TE偏振探测器2的N或P电极，4为TE偏振探测器2的P或N电极，5为TM偏振探测器1 的P或N电极，6为T偏振探测器2的P或N电极，7为Si02或SiNx缘层，10为直流偏置电压电极，11为TM偏振探测器2的N或P电极，12为片上电容，13为TM偏振探测器1的N 或P电极，15为TE偏振探测器1的N或P电极，16直流偏置电压电极。整个器件的材料结构可以通过单次MOVPE或者MBE材料获得。图5至图10分别是图4中的位置1到6处的剖面图。图11是片上电容的示意图， 包含金属-绝缘层-金属结构，金属可以为探测器的N电极或者P电极，中间的绝缘层材料为Si02、SiNx, BCB, polymide等。绝缘性好，介电常数大的材料有利于形成高电容值的片上电容。对于我们的集成器件，电容值一般大于2pF。若半绝缘衬底为InP或GaAs材料，则 N电极可以是AuGeNi合金、AuTi合金、AuPtTi合金或者AuPdTi合金等，P电极可以是AuSi 合金、AuCr合金、AuTi合金、AuPtTi合金或者AuPdTi合金等。当电极面积为6*10_9m2，绝缘层为Si02，其厚度不大于IOOnm时，片上电容的电容值大于2pF。探测器对吸收光具有偏振选择性，可以通过在器件表面采用了高对比度的亚微米介质光栅或者金属(金、银、铝和锗等)光栅来实现，亚微米介质光栅或者金属光栅具有高的偏振相关性，宽的反射带宽。如图12是衍射光栅的示意图，TE或TM偏振定义如图所示， 所谓高对比度是指光栅材料和光栅周围填充材料材料折射率差相差较大，图12所示的光栅周围填充材料为空气。图13是计算的InGaAs (n = 3. 4，h = 0. 25)介质光栅的反射和透射谱，该光栅周围为空气，周期为1. Iy m，占空比为0.35。从图中可以看到，该光栅在整个通信波长C波段，对TE偏振光反射率接近100 %，而TM偏振光反射率则接近0，具备很高的偏振选择性，可以应用于TM偏振探测器。下面，我们以InP材料为例具体说明一下TM偏振探测器器件的的结构图。如图14 所示，材料ι为P型掺杂InGaAs，既是探测器的接触层，也是光栅层，材料2为^P限制层，也作为光栅的牺牲层，可采用选择性腐蚀液进行释放，InP的厚度约为350nm。3为探测器的剩余材料结构(P_I_N或者I-N)，以单行载流子探测器为例， 其结构从上之下依次为P-InGaAs、MnGaAsP和N_hP。将图13中的光栅参数应用到我们的器件中，我们获得了如图15所示的TE、TM偏振光反射透射谱。计算中，我们假设探测器对整个光是透明的，可以看到在整个通信波长C波段，对TE偏振光透射率接近100 %，而TM 偏振光透射率则大于60%，具备很高的偏振选择性。若探测器的吸收吸收为lOOcm-1，探测器对TM、TE光响应度之比大于20dB。对于TE偏振探测器，我们可以通过调整光栅周期和占空比来实现。一种简单的办法是，我们采用如前所述TM偏振探测器的光栅设计参数，所不同的是，光栅方向顺时针或逆时针旋转了 90°。对于金属光栅，其结构如图16所示，金属光栅位于探测器表面，为了防止电串扰， 可以在半导体表面先淀积一层SiO2或SiNx绝缘层，再沉积金属光栅。金属光栅的材料可以是金、银、铝和锗等。图17为计算的金(h = 0. 5)光栅透射谱，该光栅周期为0. 45 μ m，占空比为0. 35。从图中可以看到，该光栅在整个通信波长C波段，对TM和TE偏振光的透射率相差30dB以上，可以应用于TM偏振探测器。对于TE偏振探测器，也可以采用如前介质光栅所述方法。为避免电串扰，TE和TM双平衡探测器之间采用隔离沟进行隔离，如图7到图10所示。TE探测器之间以及TM探测器之间则采用隔离沟和绝缘层来实现N电极的隔离，如图6 至图10所示。最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种正交平衡光探测器，以单片集成方式构成，其特征在于，包括2个以上双平衡正交偏振光探测器，分别由2个TE偏振光探测器或者2个TM偏振光探测器构成；以及偏置电路，包括多个片上电容、多个交流隔离电阻和多个负载电阻。
2.根据权利要求1所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，衬底为半绝缘衬底，所有器件材料均在同一衬底上经过一次气相外延或者分子束外延而形成。
3.根据权利要求1所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，所述TE偏振光探测器和所述TM偏振光探测器均为面入射探测器。
4.根据权利要求2所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，通过在入射表面制作高对比度的亚微米介质光栅或者金属(金、银、铝和锗等)光栅，实现对探测光的偏振选择特性。
5.根据权利要求2所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，同一双平衡探测器内的探测器光栅设计参数相同。
6.根据权利要求2所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，高对比度的介质光栅和金属光栅对偏振光具备宽的反射带宽和偏振选择性。
7.根据权利要求2所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，TM偏振光探测器的光栅方向与TE偏振光探测器的光栅方向垂直。
8.根据权利要求2所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，采用介质光栅时，探测器对TM、TE光的响应度之比大于20dB。
9.根据权利要求2所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，金属光栅的材料是金、 银、铝或锗，探测器对TM、TE光的响应度之比大于30dB。
10.根据权利要求2所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，金属光栅与探测器电极的材料相同，在金属光栅和探测器的表面之间形成用于电隔离的20 50nm的绝缘层。
11.根据权利要求1所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，所述片上电容作为偏置旁路电容，该片上电容的结构为金属-绝缘层-金属(MIM)结构，片上电容的电容值大于 2pF。
12.根据权利要求1所述的正交集成平衡光探测器，其特征在于，所述隔离电阻和负载电阻使用相同的薄膜电阻。
全文摘要
本发明提供一种单片集成的正交平衡光探测器，包括两个能探测TE、TM偏振光的双平衡偏振光探测器及其偏置电路。该正交平衡光探测器可以作为正交平衡接收机的核心器件来检测QPSK/DQPSK信号。在该器件中还集成了包括片上电容、高频遏流电阻和负载电阻的偏置电路。由于该探测器具有光信号偏振选择性，因而不需要使用偏振分束镜，能极大地减小光接收机的体积，提高器件的工作速度和可靠性。
文档编号G01J1/42GK102519584SQ20111035586
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者伍剑, 姚辰, 林金桐, 程远兵 申请人:北京邮电大学