发明背景

(a)发明的领域

本发明涉及波导式光接收元件，尤其是一种波导式光接收元件，它在 很宽的波段范围内表现出很好的失真特性，而且它根据入射光的强度衰减 入射光到一给定的水平，用于光学通信系统是最佳的，例如AM-FDM 系统。

(b)相关技术的描述

在包含光学CATV系统的光学通信系统中，多路通信的幅度频率调 制是通过使用AM(调幅)-FDM(频分多路复用)方法实现的。

图11所示为已有技术中光学通信系统采用的表面输入式PIN光电 二极管。在表面输入式PIN光电二极管中，形成由InGaAs(砷化钾铟) 层构成具有较厚厚度的一吸收层，它通常约3μm，以达到一满意的光吸 收效果。因为载波通过该厚吸收层以增加其传输时间并延迟响应，还由于 需要一扩展的光接收区域以达到足够的灵敏度，电容趋向于增加因而限制 可工作频带范围低于2GHz。

然而，前面所述的AM-FDM系统需要一种光学接收元件，它可工 作在一较宽频带，同时表现出低的失真特性。

此外，注意力近来集中到如图12所示的一种波导式PIN光电二极 管，其中图12(a)示出了波导式PIN光电二极管的结构透视图，图 12(b)示出了波导式PIN光电二极管的层结构以及各层的折射率。

对于该光学接收元件，首先是入射光被形成在波导的一端表面上的光 入射面接收，并且当它传播过波导时被吸收。因此，构成的光吸收层约 0.6mm那么薄。另外，入射光的光密度可以增加，其使光接收区域的面 积将被减小，从而减小了电容。其后，由无掺杂的InGaAs层构成的光吸收 层以它的上表面和光吸收层的下表面被夹在高度掺杂的一对p-InGaAs层和 n-InGaAsP层之间。于是，可工作频带是由在轻掺杂的薄InGaAs层中的载 波通过时间来确定的。

也就是，该波导式光接收元件是可以在如50GHz或更高的宽频带 内以超高速工作的。

然而，虽然用在模拟光学传送系统中的光接收元件所需要的重要特性 之一是宽的动态响应范围，而常规PIN波导式光电二极管没有表现出足 够宽的动态响应范围。尤其是，当它接收具有较高强度的大幅度的调制光 信号时，设计的对低信号幅度具有足够灵敏度的光接收元件，在光信号和 由其转换的光电流间关系上失去了线性，从而降低了它的失真特性。因 而，这样的光接收元件存在输入信号光强度限制的问题。

由于上面的问题，本发明的目的是提供一种表现宽动态响应范围的波 导式光接收元件。 发明概述

发明人认为仅通过改进常规波导式PIN光电二极管光转换区的结构 是不能实现宽动态响应范围的，而毫无疑问应控制传播通过光转换区的光 强度。因此，发明人注意到可以提供一光衰减器部分将通过光转换区的部 分入射光吸收，以便于根据入射光的强度控制通过光转换区的光强度。

为根据上述结果完成上述目的，本发明指出一种波导式光接收元件， 它包括：光电探测器部分，它至少具有一第一光吸收层和用于从所述第一 光吸收层中取出电信号的第一电极对；及一光衰减器部分，它至少具有设 置在所述光电探测器部分和一光入射面之间并且与所述第一光吸收层光学 耦合的一第二光吸收层，及与所述第一电极对电隔离的用于向所述第二光 吸收层施加电压的第二电极对。

按照本发明，在该波导式光接收元件中具有形成在化合物半导体上的 光电探测器部分和光衰减器部分，光衰减器部分根据入射光的强度吸收部 分入射光以衰减入射光，从而调节传播到光电探测器部分的光强度，以致 于控制光电探测器部分的灵敏度。在这个结构中，即使在接收具有较高强 度的大幅度信号光时，设计为对接收小信号强度光有足够灵敏度的光接收 元件将入射光衰减到一适合的量，从而保持光接收元件应有的线性，并且 保持了很好的失真特性。因而，实现了一种波导式光接收元件，它对于具 有不同强度的输入光在信号电平上有很好的失真特性，从而具有宽的动态 响应范围。

在光衰减器部分中的光吸收层可以以一多量子阱结构或具有某一吸收 波长界限的一应变超晶格结构构成，其中光衰减器部分光吸收的量是通过 向光衰减器部分施加一反向的偏压而被改变的。

按照本发明提供的一种波导式光接收元件，其中光电探测器部分和光 衰减器部分是形成在一化合物半导体上，一部分入射光被吸收，并将被光 衰减器部分根据入射光的强度衰减，从而调节传播到光电探测器的光强 度，而且因此控制光电探测器部分的光灵敏度。在这种情况下，被设计为 对小信号光具有足够灵敏度的波导式光接收元件，在接收大幅度信号光 时，达到了很宽的动态响应范围同时保持了很好的失真特性。

通过在应变超晶格结构内形成第二光吸收层，用光衰减器部分能够抑 制衰减量的极性相关性。另外，通过向第二电极施加一反向偏压，从而由 光衰减器部分改变入射光的衰减量，能够电控光电探测器部分的灵敏度。 通过提供一电绝缘部分，能够减小在光电探测器部分的暗电流幅度，并且 还能抑制来自光衰减器部分和光电探测器部分间连结处的反射。通过提供 一模/场变换器，一外波导，如光学纤维和本发明的波导式光接收元件间 的耦合损耗可以降低。

由于本发明的波导式光接收元件是能够在很宽的频带范围内工作并表 现出低的失真特性，它是非常适合用于如AM-FDM系统这种光学通信 系统中。

在本发明中，附加波导不必设置为如光电探测器部分的第一吸收层那 么长，第一吸收层是与光衰减器部分中第二吸收层光学耦合。然而，这样 一个附加波导可以设置用于改善光电探测器部分和光衰减器部分间的传送 特性。

用于隔离第一电极对与第二电极对的装置实例包括一电隔离装置，电 隔离装置包括形成在第一光吸收层的敷层和第二光吸收层的敷层间结平面 的一p-n结，以对将在第一光电吸收层的敷层上形成的第一电极对与在第 二光电吸收层的敷层上形成的第二电极时隔离，和另一电隔离装置，它包 括由设置在第一电极对和第二电极对间的化合物半导体，半绝缘化合物半 导体或绝缘有机材料组成的用于电隔离的一电隔离层。

在本发明的最佳实施例中，光衰减器部分的第二光吸收层是以多量子 阱结构构成的，该结构具有比光电探测器部分的第一光吸收层的吸收波长 界限短的吸收波长界限，或以应变超晶格结构形成光衰减器部分的第二光 吸收层，该层具有比光电探测器部分第一吸收层吸收波长界限短的吸收波 长界限。

通过在第二电极对间施加一反向偏压，光衰减器部分起到一个可变光 衰减器部分的作用，在其中光吸收量根据所施加的反向偏置电压的强度基 于其间的一固定关系变化，并基于入射光强度控制反偏压的大小，从而以 调节传播到光电探测器部分的光强度，因而能够电控光电探测器部分的灵 敏度。

在本发明的另一较佳实施例中，电隔离层部分沿着光传播的方向有一 光学通道，它是以入射光半波长的整数倍设计的。 附图的简要说明

图1是本发明第一实施例的波导式光接收元件的顶视图；

图2是图1所示波导式光接收元件沿线I-I的剖视图，即说明在波 导中沿传播方向的剖面结构；

图3是图1和图2所示波导式光接收元件沿线II-II的剖视图；

图4是说明第一实施例工作原理的曲线图，描绘出在纵坐标上吸收系 数与绘在横坐标上的波长的对比；

图5是本发明第二实施例的波导式光接收元件层结构剖视图；

图6是本发明第三实施例的波导式光接收元件层结构剖视图；

图7是用于说明本发明第三实施例的波导式光接收元件制造步骤的一 基片的剖视图；

图8(a)是用于说明接着图7所示步骤的第三实施例另一制造步骤 的基片的剖视图，图8(b)是图8(a)的顶视图；

图9是用于说明接图8(a)和图8(b)步骤的第三实施例的另一 制造步骤的基片剖视图；

图10是本发明第四实施例波导式光接收元件层结构的剖视图；

图11是说明常规表面输入式PIN光电二极管层结构的结构图；

图12(a)是常规波导式PIN光电二极管的透视图，图 12(b)是说明图12(a)波导式PIN光电二极管层结构的透视 图。 最佳实施例的说明

参照附图，结合实施例将对本发明更详细地进行描述。 第一实施例

图1是本发明第一实施例的波导式光接收元件顶视图，图2是图1所 示波导式光接收元件沿线I-I的剖视图，说明在波导中沿传播的方向的 剖面结构，图3是图1和图2所示波导式光接收元件沿线II-II的剖视 图。

如图1所示，本发明的波导式光接收元件(后面省略为“元件 10”)包括一光电探测器部分14，它具有一以欧姆接触设置的光电探 测P电极(后面省略为光电探测电极)12，一光衰减器部分18，它具 有一以欧姆接触设置的吸收控制P电极(后面省略为吸收控制电极) 16，和一电隔离部分20，它具有光传输特性并用聚酰亚胺构成，用于 在光电探测器部分14和光衰减器部分18间产生电隔离。

如图2左边部分和图3所示，光电探测器部分14包括n-InP层 24，n-AlGaInAs光限制层26，n-GaInAs光导层28，i-GaInAsP光吸 收层30，p-AlGaInAs光限制层32，p-InP层34和p-GaInAs接触层 36，它们以这个顺序分层顺序地设置在n-InP基片22上，以提供双异 型结结构，而用于光电探测的P电极12是由TiPtAu制做，n电极40是 用AuGeNi制成，它们以欧姆接触的方式设置在基片的顶部和底部。

如前面所述，通过限定一如图3所示的脊形结构，光电探测器部分 14的光吸收层和波导是被成形为在垂直(上-下)方向上限定光限制结 构，并也被成形为在水平方向上限定光限制结构。

除了光吸收层是由应变MQW层构成这个事实之外，光衰减器部分 18具有与光电探测器部分14层结构相似的层结构。尤其是如图2的右 侧所示，光衰减器部分18包括n-InP层24，n-AlGaInAs光限制层 26，n-GaInAsP光导层28，它们与光电探测器部分14一样叠制在n- InP基片22上，一应变MQW层42叠在其上，还包括i-GaInAs膜和AlInAs膜，和p-AlGaInAs光限制层32，p-InP层34，及p-GaInAs接触层 36，它们也是与光电探测器部分14一样叠制的，还有吸收控制P电极 16和n电极40被分别设置在基片的顶部和底部，n电极40是与光电 探测器共用的。替代与光电探测器部分14一样的n电极40，光衰减器 部分18的n电极可以单独设置。

在光衰减器部分18中，n-GaInAsP光导层28作为一波导，同时由 i-GaInAs膜和AlInAs膜形成的MQW层42用作光吸收层。

与光电探测器部分14相同，由于台面条形结构，光衰减器部分18 的吸收层和波导被成形为在垂直方向(上-下)限定一光限制结构，并且 也在水平方向上限制一光限制结构。

在光衰减器部分18的元件10的一个端面，包括n-GaInAsP光导层 28的一端面，为接收入射光构成一光入射面，该表面上设置一层抗反射 膜44。

光电探测器部分14和光衰减器部分18相互间通过电隔离部分20 电隔离，电隔离层20是由聚酰亚胺构成，具有电隔离和光传输的特性。

沿光传播的方向光衰减器部分18和光电探测器部分14间电隔离部 分20的厚度，即，光学通路长度最好选择为N×(1/2)×(λ/n0)，以便 于最小化从光衰减器部分18向光电探测器部分14传播光的反射，其中 入、n0和M分别表示入射信号光波长、形成电隔离层20的聚酰亚胺的折 射率和整数。

下面将对元件10的制作方法简要说明。

(1)首先，用外延生长技术在n-InP基片22上顺序地形成n-InP层 24、n-AlGaInAs光限制层20、n-GaInAsP光导层28、i-GaInAsP光 吸收层30和p-AlGaInAs光限制层32。

(2)接下来，在AlGaInAs光限制层32上形成一由SiO2构成的掩 膜，而且刻蚀掉位于构成光衰减器部分18的区域内的p-AGaInAs光限制 层32和i-GaInAsP光吸收层30部分。其后，通过使用SiO2掩膜作为生 长抑制掩膜，用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)工艺，气源分子束 外延(MBE)工艺或类似工艺选择地与p-GaInAsP光限制层32一起生长 与应变MQW层42形成在一起的i-GaInAs膜和AlInAs膜。

(3)然后除去SiO2掩膜，并在整个表面上生长p-GaInAsP光限制层 32、p-InP敷层34和p-GaInAsP接触层36。

(4)刻蚀光电探测器部分14和光衰减器部分18以成形一台面带 结构，聚酰亚胺被施用到任何需要的区域，而不需要的聚酰亚胺区域用光 刻和刻蚀技术除去，以形成电隔离部分20。从而形成电极12、16和 40，并用抗反射膜44覆盖入射光表面44。因此得到了如图1-3所 示的第一实施例的元件10。

图4是按照本发明第一实施例说明元件10工作原理的一曲线图，用 描绘在纵坐标上的吸收系数与绘在横坐标上的波长相对比。在光电探测器 部分14中由i-GaInAsP形成的光吸收层30具有1.6μm的吸收波长界限，并 表现出如图4所示的吸收光谱特性。在另一方面，由包括i-GaInAs膜和 AlInAs膜的应变MQW构成的光衰减器部分18的光吸收层42，具有比 信号光波长稍短的吸收波长界限，即1.55微米。

为一反向偏压施加到应变MQW层42间夹裹的一p-n结时，量子限 制斯塔克谱线磁裂效应或类似引起应变MQW层42的吸收特性将转向一 较长的波长，如图4中所图示的，从而达到向较长波长的转换，例如，与 施加的2-3伏电压对应以10-20nm的顺序转换。

这个通过改变施加的反向偏压的幅度的方法，应变MQW层42的吸 收能够以可变的方式相对于具有1.55μm波长的信号光被控制，并具有 极好的精度，如图4中示出的，从而使光衰减器部分18能用作一可变的 衰减区域。

因而，通过预先根据实验等在施加的电压和向较长转换间建立一种关 系，是能够通过调节施加电压将射入元件10上的入射光衰减到一给定水 平上，该水平取决于到光衰减器部分18的入射光强度，而衰减的入射光 可以在光探测器部分14中被转换成将被作为电信号检测的光电流。

因此，根据本实施例，即使设计为对小信号接收光强度表现出足够灵 敏度的一个光接收元件，它能够被制成在一宽频带范围和加宽的信号光强 度内，在光电转换中不降低线性的情况下表现出宽的动态响应范围，从而 使光电探测器部分显示出可变的灵敏度。这是通过由光衰减器部分18对 较高强度入射光增加衰减获得的，反之，对较低强度入射光减少衰减。 第二实施例

参照图5，应看到根据第二实施例的波导式光接收元件50具有作为 光电探测器部分14的层结构，除了在本实施例中n-GaInAsP光限制层28 没有之外，它是与第一实施例的元件10中光电探测器部分14的层结构相同 的。

在光衰减器部分18的层结构中，除了本实施例中缺n-GaInAsP光导层 28之外，布置在应变MQW层42和n-电极40间的层结构是与第一实施例的元件 10的光电探测器部分14的层结构相同的。另一方面，设置在应变MQW层 42和吸收控制P电极16间的层是由n型半导体层构成的，它们与位于 应变MQW层42和n电极40之间的半导体层具有相同的导电型。尤 其，它们是按AlGaInAs层52、n-InP层54和n-GaInAs接触层56顺序 地形成在应变MQW层42上。

在本实施例的波导式光接收元件50中，在光电探测器部分14的光 吸收层30上的半导体层和在光衰减器部分18的应变MQW层42上的 半导体层之间形成的p-n结在光电探测器部分14的电极对12、14 和光衰减器部分18的电极对16和40之间提供了一电隔离。 第三实施例

本发明第三实施例的波导式光接收元件指的是一种波导式光接收元 件，其中模/场转换器(MFC)是并入到光衰减器部分。图6是说明该 层结构的一剖视图。

根据本发明实施例的波导式光接收元件60(后面简略为元件60) 包括具有与第一实施例的光电探测器部分14相似层结构的光电探测器 62，一除了第一实施例元件10的光衰减器部分18的结构之外还具有 一模/场转换器的光衰减器部分64。光电探测器部分62和光衰减器部 分64相互是由电隔部分65电隔离的，电隔离部分65由聚酰亚胺构成 以提供电隔离和光传输特性。

光电探测部分62包括n-InP层74，n-AlGaInAs光限制层76， n-GaInAsP光导层78，i-GaInAsP光吸收层80，p-AlGaInAs光限制层82， p-InP层84和p-GaInAs接触层86，它们是顺序地叠制在n-InP基片72上，以提 供双异型结结构，而光转换器的P电极88和n电极90分别设置在该基片的顶 部和底部，n电极是由镀金(Au)的AuGeNi合金构成的。在光电探测器部分 62中，n-GaInAsP光导层78作为波导用。

如图6中所示，光衰减器部分64包括一可变的衰减器子部分92， 一模/场转换器子部分94和一波导子部分96，它们是相互集合并顺序 地自光电探测器部分62向光入射表面104设置构成的。

可变衰减器子部分92具有与第一实施例的光衰减器部分18相似的 结构。尤其是，可变衰减器子部分92包括n-InP层74，n-AlGaInAs光限 制层76，n-GaInAsP光导层78，它们是与光电探测器部分62一样地叠制在 n-InP基片上，在其上形成包括i-GaInAs膜和AlInAs膜的应变MQW层98， p-AlGaInAs光限制层82，p-InP层84和p-GaInAs接触层86，它们也是与光电探 测器部分62一样地叠制的，以及吸收控制P电极100和与光电探测器62一样 的n电极90，被设置在基片的顶部和底部。

在可变的衰减器子部分92中，应变MQW层88包括用作光吸收层 的i-GaInAs/AlInAs膜和贯穿模/场转换器子部分94、波导子部分96和 可变衰减器子部分92的用作波导的n-GaInAsP光导层78。

在模/场转换器子部分94中，构成应变MQW层98的各个 i-GaInAs膜和AlInAs膜逐步地渐缩成形至n-GaInAsP光导层78，得以在朝向 为接收入射光的入射光表面104的方向上具有较薄的厚度。在这个构形 中，应变MQW层98是形成为一渐锥部分，其是在朝向光入射面104 的方向上朝n-GaInAsP光导层78下斜的。除了渐锥部分之外，模/场转换 器94具有一与可变衰减器子部分92类似的叠层结构。

除了p-GaInAs接触层86和吸收控制P电极100被设置在p-InP层 84上的SiNx层102替代，及在本实施例中设置应变MQW层98之外， 波导子部分96具有与可变衰减器子部分92相似的层结构。在光衰减器 部分64的元件60的一个端面，它包括n-GaInAsP光导层78的一端面， 确定了接收入射光的光入射表面104，该表面设置一抗反射膜104。 第三实施例的制作

下面将参照图7-图9对第三实施例的元件60制作步骤做一说明。

(1)首先，如图7中示出的，用外延生长技术在n-InP基片72上 顺序地形成n-InP层74、n-AlGaInAs光限制层76、n-GaInAsP光导层 78、i-GaInAsP光吸收层80和p-AlGaInAs光限制层82。

(2)接下来，如图8(b)所示在p-AlGaInAs光限制层82上形成 一SiO2膜构成的掩膜106，接着在可变衰减器子部分92、模/场转换器子 部分94和波导子部分96的区域对p-AlGaInAs光限制层82和i-GaInAsP光吸收层80刻蚀去除。其后，用SiO2掩膜106作为生长抑制掩膜，用 MOCVD工艺、气源MBE工艺或类似工艺选择地生长构成应变MQW 层98的GaInAs膜和AlInAs膜，以及p-GaInAsP光限制层82。

其结果，形成应变MQW层98的各层厚度在朝向光入射面方向看是 逐渐地朝n-GaInAsP光导层78减小，从而如图8(a)所示形成锥形的应变MQW 层98。

(3)然后如图9所示除去SiO2掩膜106，接着在整个表面上生长 p-GaInAsP光限制层82、p-InP敷层84和p-GaInAsP接触层86。

(4)刻蚀光探测器部分62和光衰减器部分64形成一台面带结 构，接着去除事先在模/场转换器子部分94和波导子部分96区域内的 p-GaInAsP接触层86。其后，在需要的区域内施入聚酰亚胺，接着用光刻 和刻蚀技术去除不需要的聚酰亚胺部分，从而形成电隔离部分65。还有 形成电极88、90和100，光入射表面104被敷以抗反射膜 104，从而提供了图6所示的元件60。

在本实施例中，通过与第一实施例相似的方式通过调节施加的电压， 将入射到元件60的入射光，在入射光的强度的基础上以可变的方式衰减 到一给定水平，然后被光电探测器部分62作为一电信号检测。

这使得该光接收元件即使是成形于对小信号光强度具有足够的灵敏 度，但对于具有宽的强度范围的信号光，在一宽的频带范围内没有降低光 电转换线性的情况下表现出一很宽的动态响应范围，如对较高强度的入射 光采用光衰减器部分64增加衰减，相反，对于较低强度的入射光采用光 衰减器部分64降低衰减量，从而提供了可改变灵敏度的光电探测器部 分。

在本实施例中，替代应变MQW设置了一超晶格结构的光衰减器部分 64的光吸收层98。 第四实施例

按照本实施例的波导式光接收元件110，它包括在光电探测器部分 和光衰减器部分间提供电隔离的一电隔离部分112，其中在第三实施例 中采用的聚酰亚胺被半绝缘化合物半导体代替，比如，该半绝缘化合物半 导体是通过向一化合物半导体注入质子形成的，如半绝缘InP。光电探测 器部分和光衰减器部分的层结构是与第三实施例的层结构相似的。

除了选择的生长技术利用在实施例三和实施例四中图示说明的SiO2掩膜外，光衰减器部分的模/场转换器可以采用形成一锥形脊带来进行制作， 从平行于结平面的方向看该脊的宽度是减少的，且其后在其上生长MQW层。

光入射表面可以制成不与入射光垂直，而且可以提供一倾斜的端面。

在上面的描述中，用于本发明的波导式光接收元件的材料包括叠制在 InP基片上的GaInAsP/InP或AlGaInAs/InP。然而，材料还可以是 GaInAsSb/InP、AlGaAs/GaAs和GaInAs/GaAs。用在本发明光接收元件中的 基片可以是P型化合物半导体基片或代替n-型化合物半导体基片的半绝 缘(S.I.)化合物半导体基片。