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量子点 光子学

阅读：1030发布：2020-05-23

专利汇可以提供量子点光子学专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本文公开的示例涉及量子点 (QD) 光子学。根据本文公开的一些示例，QD 半导体光放大器 (SOA)可以包括硅衬底和硅衬底上方的QD层。所述QD层可以包括有源增益区域，以放大从光信号发生器接收的激射模式。所述QD层可以具有增益恢复时间，使得有源增益区域放大所接收的激射模式而没有码型效应。波导可以被包括在硅衬底的上硅层中。所述波导可以包括模式转换器，以促进QD层和波导之间的接收激射模式的光耦合。，下面是量子点光子学专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种量子点(QD)半导体光放大器(SOA)，包括：
硅衬底；
在所述硅衬底上方的QD层，所述QD层包括用于放大从光信号发生器接收的激射模式的有源增益区域，所述QD层具有增益恢复时间，以使得所述有源增益区域放大接收的激射模式而没有码型效应；
包括在所述硅衬底的上硅层中的波导；以及
包括在所述波导中的模式转换器，用于促进接收的激射模式在所述QD层和所述波导之间的光耦合。
2.如权利要求1所述的QD SOA，其中，所述QD层包括多个锥形结，所述多个锥形结中的每一个位于沿所述QD SOA的长度的QD层的相对端。
3.如权利要求2所述的QD SOA，其中，在所述锥形结之间的所述QD层的宽度大于所述波导的宽度。
4.如权利要求1所述的QD SOA，其中：
所述QD层位于所述波导的一部分的顶部；以及
所述模式转换器包括所述波导中的多个锥形，所述锥形在所述QD层下方。
5.如权利要求4所述的QD SOA，其中，所述波导包括第一宽度和第二宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度，并且所述模式转换器锥形将所述波导在所述第一宽度和所述第二宽度之间过渡。
6.如权利要求4所述的QD SOA，其中，所述波导包括第一宽度、第二宽度和第三宽度，所述第一宽度大于所述第二宽度和所述第三宽度，所述第三宽度大于所述第二宽度，所述模式转换器锥形将所述波导在所述第一宽度和所述第二宽度之间、所述第二宽度和所述第三宽度之间以及所述第三宽度和所述第一宽度之间过渡。
7.如权利要求6所述的QD SOA，其中，所述QD层包括第一QD SOA区域和第二QD SOA区域，所述第一QD SOA区域在所述第二宽度处的波导上方，并且所述第二QD SOA区域在所述第三宽度处的波导上方。
8.一种量子点(QD)半导体光放大器(SOA)，包括：
硅衬底；
在所述硅衬底上方的QD层，所述QD层包括第一QD SOA区域和第二QD SOA区域，所述第一QD SOA区域用于放大从光信号发生器和所述第二QD SOA区域接收的激射模式以降低所述激射模式的噪声幅度，所述QD层具有增益恢复时间，以使得所述第一QD SOA区域放大所述激射模式而没有码型效应；
包括在所述硅衬底的上硅层中的波导；
包括在所述波导中的模式转换器，用于促进所述激射模式在所述QD层和所述波导之间的光耦合；
在所述QD层上方的第一电极和第二电极，所述第一电极用于将电载流子注入第一QD SOA区域，所述第二电极用于将电载流子注入第二QD SOA区域；以及
电隔离所述第一电极和所述第二电极的隔离区域。
9.如权利要求8所述的QD SOA，其中，所述第二QD SOA区域用于在被驱动到饱和时从所述激射模式中去除噪声。
10.如权利要求8所述的QD SOA，其中，所述模式转换器包括第一锥形、第二锥形和第三锥形，所述第一锥形将所述波导从第一宽度过渡到第二宽度，所述第二锥形将所述波导从所述第二宽度过渡到所述第三宽度，所述第三锥形将所述波导从所述第三宽度过渡到所述第一宽度。
11.如权利要求10所述的QD SOA，其中，所述隔离区域位于所述第二锥形的顶部。
12.如权利要求11所述的QD SOA，其中：
所述第一QD SOA区域位于所述第二宽度处的波导的顶部；以及
所述第二QD SOA区域位于所述第三宽度处的波导的顶部。
13.如权利要求8所述的QD SOA，其中，所述第二QD SOA区域具有比所述第一QD SOA区域更高的饱和输出功率。
14.如权利要求8所述的QD SOA，其中，所述第一QD SOA区域的长度大于所述第二QD SOA区域的长度。
15.如权利要求8所述的QD SOA，其中：
所述QD层包括第一QD SOA区域和第二QD SOA区域之间的可饱和吸收体(SA)区域：
所述QD SOA包括所述QD层上方的第三电极，用于将电载流子注入所述SA区域；以及所述QD SOA包括第二隔离区域，所述第一隔离区域电隔离所述第一电极和所述第三电极，所述第二隔离区域电隔离所述第三电极和所述第二电极。
16.如权利要求15所述的QD SOA，其中：
所述第二QD SOA区域用于从所述激射模式中去除“1”级噪声；以及
所述SA区域用于从所述激射模式中去除“0”级噪声。
17.如权利要求15所述的QD SOA，其中：
所述第一QD SOA区域和所述第二QD SOA区域是正向偏置的；以及
所述SA区域是反向偏置的。
18.一种量子点(QD)光电探测器，包括：
硅衬底；
包括在所述硅衬底的上硅层中的波导；
包括在所述波导中的模式转换器，用于促进光信号在所述波导和QD层之间的光耦合；
以及
在所述波导上方的QD层，所述QD层包括吸收区域，该吸收区域用于从经耦合的光信号吸收光子并从所述吸收的光子生成光电流。
19.如权利要求18所述的QD光电探测器，包括：
环解复用器，用于在特定波长的光信号被耦合到所述QD层之前解复用特定波长的所述光信号。
20.如权利要求19所述的QD光电探测器，其中，所述QD层在所述环解复用器的一部分的上方。

说明书全文

量子点 光子学

[0001] 政府权力的声明

[0002] 本申请是在马里兰州采购办公室授予的H98230-12-C-O236号合同的政府支持下完成的。政府拥有本申请的某些权利。

背景技术

[0003] 光学系统可用于以各种方式操纵光信号。例如，光电探测器可以吸收光信号并将其转换成电流。作为另一个例子，诸如半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)的光放大器可以用于直接放大光信号，例如由激光器产生的光信号。附图说明

[0004] 以下详细描述参考附图，其中：

[0005] 图1(a)-1(d)是描绘示例量子点(QD)SOA的框图；

[0006] 图2是描绘示例QD SOA的横截面视图的框图；

[0007] 图3(a)和图3(b)是分别由量子阱(QW)SOA和示例QD SOA产生的示例光信号的图示；

[0008] 图4(a)和图4(b)是描绘示例QD SOA的框图；

[0009] 图5(a)和图5(b)是描绘示例QD SOA的框图；

[0010] 图6(a)和图6(b)是描绘示例QD SOA的框图；

[0011] 图7是描绘示例QD SOA的横截面视图的框图；

[0012] 图8(a)和图8(b)是描绘示例QD SOA的框图；

[0013] 图9(a)-图9(c)是描绘示例QD光电探测器的框图；

[0014] 图10(a)-图-10(c)是描绘示例QD光电探测器的框图。

[0015] 具体实现

[0016] 以下详细描述参考附图。只要可能，在附图和以下描述中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。然而，应该清楚地理解，附图仅用于说明和描述的目的。虽然在本文档中描述了几个示例，但是修改、改编和其他实现是可能的。因此，以下详细描述不限制所公开的示例。相反，所公开示例的适当范围可以由所附权利要求限定。

[0017] 本文使用的术语仅用于描述特定示例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。如本文使用的术语“多个”被定义为两个或多于两个。如本文使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多个。除非另有说明，否则如本文所使用的术语“耦合”被定义为连接，无论是直接没有任何中间元件还是间接地与至少一个中间元件连接。两个元件可以通过通信信道、通路、网络或系统机械地、电气地或通信地耦合。如本文使用的术语“和/或”是指并包括相关所列项目的任何和所有可能的组合。还应理解，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制，因为这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开，除非另有说明或上下文另有说明。如本文所用，术语“包括”表示包括但不限于，术语“包括了”表示包括了但不限于。术语“基于”意味着至少部分地基于。

[0018] 本文公开的示例提供了QD光学系统。在一些实现中，本文所公开的示例提供在硅或绝缘体上硅(SOI)衬底上制造的QD SOA。本文公开的示例QD SOA提供快速增益恢复时间，使得它们免于通常在QW SOA中观察到的码型效应(pattern effect)。因此，所公开的QD SOA能够用于高速数据系统，同时以高容量和低成本集成。此外，本文公开的示例QD SOA能够以高容量低成本在单个芯片上与诸如光栅耦合器、功率分配器、多路复用器/解复用器、SiGe和InGaAs光电探测器等的高质量无源硅组件集成。

[0019] 根据本文公开的一些示例，QD SOA可以包括硅衬底和硅衬底上方的QD层。QD层可以包括有源增益区域，以放大从激光器接收的激射模式(lasing mode)。QD层可以具有增益恢复时间，使得有源增益区域放大所接收的激射模式而没有码型效应。波导可以被包括在硅衬底的上硅层(upper silicon layer)中。波导可以包括模式转换器，以促进接收到的激射模式在QD层和波导之间的光耦合。

[0020] 在一些实现中，本文公开的示例提供在硅或SOI衬底上制造的QD光电探测器。与体(bulk)光电探测器和QW光电探测器相比，本文公开的示例QD光电探测器可以生成更少的暗电流，因此具有更高的灵敏度。根据本文公开的一些示例，QD光电探测器可以包括硅衬底、硅衬底的上硅层中的波导以及波导上方的QD层。波导可以包括模式转换器，以促进光信号在波导和QD层之间的光耦合。QD层可以包括吸收区域，以从耦合的光信号吸收光子并从所吸收的光子生成光电流。

[0021] 图1(a)和图1(b)是描绘示例QD SOA 100的俯视图的框图。如图1(a)和图1(b)中所示，QD SOA 100可以包括各种组件，例如包括在硅衬底的上硅层中的波导110，例如SOI衬底，以及包括有源增益区域的QD层120。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。图1(a)以分解视图描绘了QD SOA 100，显示了波导110和QD层120的细节，而图1(b)以组装视图描绘了QD SOA 100。

[0022] 波导110可用于引导由例如光信号发生器生成的光的传播(例如，诸如激射模式的光信号)。QD SOA 100可以与各种类型的光信号发生器一起使用，例如半导体激光器(例如激光二极管、QW激光器、QD激光器等)，或者可能需要光信号增强的任何地方。QD SOA 100可以直接和/或间接地从光信号发生器或其他组件接收光信号。

[0023] 如图1(a)中所示，波导110可以具有各种宽度。如本文使用的，“长度”可以沿着图中的y轴定义，“宽度”可以沿x轴定义，“高度”或“厚度”可以沿z轴定义。波导110可以在QD SOA 100的起始或前面具有宽度111(即，离光信号输入最近)，在QD SOA 100的末端或后面具有宽度112(即，朝光信号输入最远)，以及在宽度111和宽度112之间的宽度113。在一些实现中，宽度111和宽度112的宽度可以相同或基本相似。宽度111和宽度112可以大于宽度113，而在其他实现中，宽度111和宽度112可以小于宽度113。

[0024] 宽度111、宽度112、宽度113之间的锥形(taper)可以由模式转换器114来实现。模式转换器114可以包括多个锥形：一个锥形到锥形宽度111向下(或在一些实现中向上)到宽度113，另一个锥形在锥形宽度113向上(或在一些实现中向下)到宽度112。模式转换器114可以促进波导110和QD层120之间的激射模式的耦合。光耦合可以作为模式转换器114的锥形的结果而实现。也就是说，模式转换器114的锥形可以将激射模式向上推入QD层120，使得它可以被放大并且可以将放大的激射模式向下拉回到波导110的硅中。模式转换器114可以设计使其符合某些性能特征。例如，模式转换器114可以设计为绝热的。作为另一示例，模式转换器114可以被设计为使得其耦合具有非常低的损耗和低背反射(back reflection)的单激射模式。设计得太短的模式转换器可能遭受高无源损耗，而设计得太长的模式转换器可能导致不均匀的电泵浦(electrical pumping)。

[0025] QD层120可以是使用各种Ⅲ-Ⅴ半导体QD材料形成的台面结构，例如InAs、InGaAs、GaAs、InP、InGaP、InGaAsP等。可以经由晶片键合(wafer bonding)将QD层120键合到硅衬底然后蚀刻QD层120的侧面来形成台面结构。QD层120可以包括有源区域以放大激射模式。在一些实现中，整个QD层120可为有源增益区，而在其它实现中，QD层120的一部分可构成有源增益区域。

[0026] QD层120可以包括在QD层120的每个末端处的结(junction)121和122。在一些实现中，结121和122中的至少一个可以是锥形结(tapered junction)，诸如图1(a)和图1(b)中所示的那些。锥角A°可以是，例如在1°-90°之间。QD层120可以在波导110上方(例如，直接在其顶部或在其他中间层顶部)，并且当组装QD SOA100时，模式转换器114的锥形可以在QD层120下方。QD层120通常可以在波导110的一部分的上方或顶部，如图1(b)中所示。

[0027] 为了放大激射模式，激射模式可以沿着波导110行进到模式转换器114的第一锥形，其中激射模式可以被耦合到QD层120的有源增益区域。当电荷载流子被电泵浦(pump)到有源增益区域时，激射模式可以通过受激发射的光子在有源增益区域中被放大。经放大的激射模式可以行进通过QD层120，直到其到达模式转换器114的第二锥形，其将放大的激射模式向下耦合到波导110。作为放大的结果，QD SOA 100的输出处的激射模式可以具有比在输入处进入QD SOA 100的激射模式更多的光功率(optical power)。

[0028] QD层120的QD材料可包括量子点或纳米级半导体粒子。QD材料可以具有非常短的增益恢复时间，使得QD层120的有源增益区域可以放大来自光信号发生器的激射模式而没有码型效应。非常短的增益恢复时间可归因于QD材料在电荷载流子被吸收到激射模式时快速补充电荷载流子的能力。因此，与由于不能足够快地补充电荷载流子而导致码型效应的QW SOA不同，由于QD材料的恢复时间非常短，QD SOA 100可以在没有码型效应的高数据速率(例如，10-20Gb/s)下操作。此外，当使用诸如脉冲幅度调制4(PAM4)的多级调制时，相对于QW SOA的性能提高变得更加明显。

[0029] 图1(c)是描绘QD SOA100的侧视图的框图。如图1(c)中所示，示出了附加层，例如下硅层(lower silicon layer)141、掩埋氧化物(buried oxide，BOX)层142、上硅层143、下包层(lower cladding layer)144、上包层(upper cladding layer)145和金属层146。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。例如，QD SOA 100可以包括为清楚起见而从图1(c)中省略的附加金属层。

[0030] 如图1(c)中所示，波导110可以在上硅层143中形成。上硅层143、下硅层141和BOX 142可以构成硅衬底。下包层144可以在硅基板上方形成，QD层120可以在下包层144上方形成，上包层145可以在QD层120上方形成，金属层146可以在上包层145上方形成。下包层144和上包层145可以包括诸如AlGaAs和/或GaAs的材料。金属层146可以包括任何导电金属并且可以作为用于将电荷载流子注入QD层120的电极。BOX层142可以包括诸如SiO2的氧化物。

[0031] 图1(d)是描绘QD SOA 100的俯视图的框图。如图1(d)中所示的，示出了附加层，例如下包层144上方的一对金属层147。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。

[0032] 金属层147可以是用于将电荷载流子注入QD层120的电极，并且可以包括与金属层146类似的导电金属。如图1(d)所示，金属层147的长度可以与QD层120的长度相同或基本相似，以确保在有源增益区域中均匀的电荷载流子分布。

[0033] 图2是描绘示例QD SOA 200的横截面视图210、220和230的框图。在一些实现中，QD SOA 200可以与图1(a)-图1(d)中描绘的QD SOA100类似或由其实现。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。

[0034] 横截面视图210可以是在QD SOA 200的波导215的第一末端附近的位置处的QDSOA 200的横截面视图(例如，图1(a)-图1(c)的波导110)，其中在波导215上方没有QD层216的部分(例如，图1(a)-图1(c)的QD层120)。在横截面视图210中，层211、212和213可以构成硅衬底，其中层211是下硅层(例如，图1(c)的下硅层141)，层212是BOX层(例如，图1(c)的BOX层
142)，层213是上硅层(例如，图1(c)的上硅层143)。QD SOA 200的波导215可以在硅衬底的上硅层213中形成。波导215可以在沿着波导215的横截面视图210位于的点处具有第一宽度(例如，图1(a)和图1(b)的宽度111)。下包层214(例如，图1(c)和图1(d)的下包层144)可以沉积在上硅层213的顶部上。

[0035] 横截面视图220可以是QD SOA 200在QD SOA 200的波导215和QD层216的中心附近的位置处的横截面视图。在横截面视图220的位置处，QD SOA 200的波导215可以处于小于第一宽度的第二宽度(例如，图1(a)的宽度113)，而QD层216的宽度可以处于其最宽处。此外，在横截面视图220的位置处，除了在横截面视图210处示出的层之外，QD SOA 200可以包括上包层217(例如，图1(c)的上包层145)和金属层218(例如，图1(c)和图1(d)的金属层146和147)。

[0036] 横截面视图230可以是QD SOA 200在QD SOA 200的模式转换器的第二锥形的位置处的横截面视图(例如，图1(a)的模式转换器114)。也就是说，在QD SOA 200的波导215锥形在第二宽度和第三宽度(例如，图1(a)的宽度112)之间与第一宽度相同或基本相似的位置处。除了QD SOA 200的波导215可以处于第二宽度和第三宽度之间的宽度之外，横截面视图230的位置处的层可以类似于横截面视图220的位置处的层。

[0037] 包括在QD SOA 200中的波导215在图2的x轴上的宽度可以在约300nm至约2μm的范围内，并且波导215在z轴上的厚度可以在约200nm至约500nm的范围内。除了锥形结区域之外，QD层216的宽度可以在约1μm至约10μm的范围内，并且QD层216的厚度可以在约100nm至约500nm的范围内。QD层216在其锥形结之间的宽度通常可以大于波导215的任何变化宽度的宽度。

[0038] 图3(a)和图3(b)是放大的光信号输出的图形表示。图3(a)示出了来自QW SOA的放大光信号输出310，而图3(b)示出了来自QD SOA的放大光信号输出320，例如图1(a)-图1(d)的QD SOA100或图2的QD SOA 200。

[0039] 如图3(a)中所示，由于QW SOA不能以高数据速率快速补充有源增益区域中的电荷载流子，因此在光信号输出310中出现码型效应311、312和313。例如，码型效应311可能由在QW SOA的有源增益区域中吸收电荷载流子比在有源增益区域中补充电荷载流子更快的激射模式而导致。结果，改变载波变得越来越不可用于放大有源增益区域中的激射模式，导致在码型效应311处随时间的1级(level)的光功率损失。作为另一示例，当光信号输出310在码型效应311之后过渡到0级时，码型效应312和313可能由于QWSOA试图补充有源增益区域中的电荷载流子而出现。由于QW SOA试图对其不足的补偿赶上了电荷载流子的吸收，有源增益区域可能变得电荷载流子过饱和，这可能导致光信号输出310在码型效应312和313处超过1级。

[0040] 如图3(b)中所示，所公开的QD SOA能够快速补充有源增益区域中的电荷载流子，因此光信号输出320不会受到例如码型效应311、312和313这样的码型效应的影响。

[0041] 图4(a)和图4(b)是分别描绘了示例QD SOA 410和420的俯视图的框图。QD SOA 410和420可以示出图1(a)-图1(d)中所示的QD SOA 100和图2中所示的QD SOA 200的示例变体。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。

[0042] 如图4(a)中所示，QD SOA 410可以包括波导411和QD层412。除了在宽度413和414之间的宽度415处的波导411的宽度可以宽于宽度413和414之外，QD SOA 410可以类似于图1(a)-图1(d)的QD SOA 100和图2的QD SOA 200。QD层412在其锥形结之间的宽度可以大于宽度415(并且因此宽度413和414)处的波导的宽度。

[0043] 如图4(b)中所示，QD SOA 420可以包括波导421和QD层422。除了QD SOA 420的QD层422可以具有成角度的结424和425而不是锥形结之外，QD SOA 410可以类似于图1(a)-图1(d)的QD SOA 100和图2的QD SOA 200。成角度的结424和425可以具有A°的角度426。A°可以是例如45°-90°之间。当组装QD SOA 420时，QD层422可以在波导421的一部分的上方(例如，直接在顶部或其他中间层上的顶部)。

[0044] 图5(a)和图5(b)是描绘了示例QD SOA 500的俯视图(分别是分解视图和组装视图)的框图。在一些实现中，QD SOA 500可以类似于图1(a)-图1(d)的QD SOA 100、图2的QD SOA 200和/或图4(a)-图4(b)的QD SOA 400。但是，如图5(a)中所示，QD SOA 500可以包括具有有三个锥形(即，锥形513、锥形514和锥形515)的模式转换器的波导510。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。例如，QD SOA 500可以包括附加层，例如包层和用作将电荷载流子注入QD层520的电极的金属层。

[0045] 如上所述，所公开的QD SOA能够放大由各种类型的光信号发生器生成的激射模式。然而，随着激射模式信号的放大，信号中包括的任何噪声都会放大。因此，为了降低幅度噪声，可以将QD SOA 500的QD层520划分为两个QD SOA区域，区域530和区域540，使得QD SOA区域530可以放大激射模式，而QD SOA区域540可以降低来自经放大的激射模式的1级噪声。

[0046] 锥形513可以将波导510从宽度511过渡(transition)到宽度516，锥形515可以将波导510从宽度516过渡到517，并且锥形514可以将波导510从宽度517过渡到宽度512。如图5(a)中所示，QD SOA区域530下方的波导510的宽度516可以小于QD SOA区域540下的波导
510的宽度517。

[0047] 宽度511处的波导510的宽度允许大部分激射模式(例如，≥90％)被限制在波导510中。在QD SOA区域530下的波导510的较小宽度引起大量的激射模式(例如，大约40％)被耦合到QD层520。这里，激射模式可以吸收QD SOA区域530中的更多电荷载流子，从而导致高增益。结果，激射模式在QD SOA区域530中经历激射模式的高放大。然后，放大的激射模式可以行进通过QD SOA区域540，其中宽度517处的波导510的宽度大于宽度516处的宽度但是小于宽度511和512。这里，QD层520中的激射模式的限制被减小(例如，大约10-20％)，使得存在低(但非零)增益。然后，大部分激射模式当它过渡到宽度512时可以再次被限制(confine)在波导510。

[0048] 可以用高饱和功率来驱动QD SOA区域530和540，使得可以增加SOA的输出功率。或者，可以用低饱和功率驱动QD SOA区域530和540，使得SOA的输出功率可以更低但具有更小的1级幅度噪声。

[0049] 图6(a)和图6(b)是描绘示例QD SOA 600的自顶向下视图(分别是分解视图和组装视图)的框图。在一些实现中，QD SOA 600可以类似于图5(a)和图5(b)的QD SOA 500。例如，QD SOA 600可以包括波导610、被划分为QD SOA区域630和QD SOA区域640的QD层620、以及在宽度611、612、616和617之间过渡波导610的多个锥形613、614和615。QD SOA 600还可以包括隔离区域650。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。例如，QD SOA 600可以包括附加层，例如包层和用作将电荷载流子注入QD层620的电极的金属层。

[0050] 如图6(a)中所示，QD SOA区域630可以在宽度616处在波导610的一部分的上方或顶部，而QD SOA区域640可以在宽度617处在波导610的一部分的上方或顶部。如上文参考图5(a)和图5(b)中所解释的，QD SOA 500中包括的波导的不同宽度允许QD层被划分为多个QD SOA区域。但是，由于两个QD SOA区域的目标不同，可以通过使QD SOA区域中的每一个具有分离(separate)的金属层来提高QD SOA的效率，使它们可以单独调整到它们期望的或最佳的增益和饱和点。

[0051] 因此，QD SOA 600可以包括隔离区域650，以将QD层620上方的金属层(为了清楚起见未示出)分离成用于QD SOA区域630的电极和用于QD SOA区域640的电极，使得这些区域可以单独调整到它们所期望的或最佳的增益和饱和点。隔离区域650可以包括在锥形615处的波导610上方或顶部的QD SOA 600的质子注入或蚀刻的上包层区域(未示出)，并且可以在长度上比QD SOA区域630和640更小(作为示例，长度大约为10pm)。而且，QD SOA区域630和640可以具有彼此不同的长度，这取决于这些区域的所期望的增益和饱和特性。例如，QD SOA区域630的长度可以大于QD SOA区域640的长度，反之亦然。

[0052] 利用电隔离电极，可以调整QD SOA区域630，使得其具有高增益和低饱和功率以放大进入的激射模式。在一些实现中，可调整QD SOA区域640使得其具有低增益和高饱和功率以有效地将放大的激射模式“钳制(clamp)”在较高功率水平。或者，可以调整QD SOA区域640，使得其具有低增益和低饱和功率，以降低放大的激射模式的1级幅度噪声。

[0053] 图7是描绘示例QD SOA 700的横截面视图710、720、730和740的框图。在一些实现中，QD SOA 700可以与图6(a)和图6(d)中描绘的QD SOA 600类似或由其实现。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。

[0054] 横截面视图710可以是位于QD SOA 700的波导715的第一末端(即，光信号发生器(未示出)附近的前面/起始)(例如，图6(a)和图6(b)的波导610)附近的位置处的QD SOA 700的横截面视图，其中在波导715上方没有QD层716的部分(例如，图6(a)和图6(b)的QD层
620)。在横截面视图710中，层711、712和713可以构成硅衬底，其中层711是下硅层，层712是BOX层，层713是上硅层。QD SOA 700的波导715可以在硅衬底的上硅层713中形成。波导715可以在沿着波导715的横截面视图710位于的点处具有第一宽度(例如，图6(a)的宽度611)。
下包层714可以沉积在上硅层713的上方或顶部。

[0055] 横截面视图720可以是QD SOA 700在QD的第一QD SOA区域(例如，图6(a)和图6(b)的QD SOA区域630)的一部分处的横截面视图。在横截面视图720的位置处，QD SOA 700的波导715可以处于小于第一宽度的第二宽度(例如，图6(a)的宽度616)，而QD层716的宽度可能处于其最宽的宽度。第一模式转换器锥形(例如，图6(a)的锥形613)可以使波导715在第一宽度和第二宽度之间过渡。在横截面视图720的位置处，QD SOA 700可以包括下硅层711、BOX层712、上硅层713、下包层714、QD层716、上包层717、第一金属层718和一对金属层719。第一金属层718和金属层719可以是用于将电荷载流子注入QD层716的第一QD SOA区域的电极。

[0056] 横截面视图740可以是QD SOA 700在QD的第二QD SOA区域的一部分(例如，图6(a)和图6(b)的QD SOA区域640)的横截面视图。除了在横截面视图740的位置处的波导715的宽度可以是波导715的第三宽度(例如，图6(a)的宽度617)外，横截面视图740可以类似于横截面视图720。第三宽度可以大于第二宽度但小于第一宽度。第二模式转换器锥形(例如，图6(a)的锥形615)可以使波导715在第一宽度和第二宽度之间过渡。在横截面视图740的位置处，QD SOA 700可以包括下硅层711、BOX层712、上硅层713、下包层714、QD层716、上包层717、第二金属层722和金属层719。第二金属层722和金属层719可以是用于将电荷载流子注入QD层716的第二QD SOA区域的电极。

[0057] 金属层718和719可以通过隔离区域721彼此电隔离。横截面视图730可以是QDSOA 700在隔离区域721的位置处的横截面视图，其可以位于波导715中的第二模式转换器锥形的上方或顶部。也就是说，在QD SOA 700的波导715在第二宽度和第三宽度之间的位置处。
在横截面视图730的位置处，QD SOA 700可以包括下硅层711、BOX层712、上硅层713、下包层
714、QD层716、上包层717、隔离区域721和金属层719。

[0058] 通过隔离区域721对金属层718和722的电隔离允许第一QD SOA和第二QD SOA区域可单独调整到其期望的或最佳的操作参数，例如期望的或最佳的增益和饱和点。因此，第一QD SOA区域可以被偏置以提供激射模式的高增益和低饱和功率，而第二SQSOA区域可以被独立地偏置以提供由第一QD SOA放大的激射模式的低增益和高饱和功率(从而将放大的激射模式钳制在较高的输出功率)或低增益和低饱和功率(从而从放大的激射模式中去除1级幅度噪声)。

[0059] 图8(a)和图8(b)是描绘示例QD SOA 800的俯视图(分别是分解视图和组装视图)的框图。在一些实现中，QD SOA 800可以类似于图5(a)和5(b)的QD SOA 500、图6(a)和图6(b)的QD SOA 600和/或图7的QD SOA 700。例如，QD SOA 800可以包括波导810，划分到QD SOA区域830和QD SOA区域840中的QD层820，以及在宽度811、812之间过渡波导810的多个锥形813、814和815。QD SOA 800还可以包括通过可饱和吸收(saturable absorption，SA)区域850的每一侧上的隔离区域860与QD SOA区域830和QD SOA区域840电隔离的SA区域850。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。例如，QD SOA800可以包括附加层，例如包层和作为用于将电荷载流子注入QD层820的电极的金属层。

[0060] 如图8(a)中所示，QD SOA区域830可以在宽度816处在波导810的上方或顶部，而QD SOA区域840可以在宽度817处在波导810的上方或顶部。如上文参考图5(a)、图5(b)、图6(a)和图6(b)中所解释的，包括在内的波导810的不同宽度允许QD层820被划分到用于放大激射模式QD SOA区域830和用于降低来自放大激射模式的1级幅度噪声的QD SOA区域840中。

[0061] SA区域850可以允许在放大的激射模式的0级处进一步降低噪声幅度。SA区域850可以包括QD层820中的反向偏置或无偏置增益材料区域。如图8(a)中所示，SA区域850可以位于QD SOA区域830和QD SOA区域840之间，并且可以位于锥形815的上方或顶部。SA区域850的长度越大，幅度噪声降低将会越大。然而，随着SA区域850的长度增加，光损耗增加。SA区域850的示例长度可以是QD层820的长度的大约10％。

[0062] QD SOA 800可以包括隔离区域860，以将QD层620上方的金属层(为了清楚起见未示出)分离成用于QD SOA区域830的电极、用于QD SOA区域840的电极和用于SA区域850的电极，使得这些区域可以单独被调整到它们所期望的或最佳的增益和饱和点。隔离区域860可以与图6(a)和图6(b)的隔离区域650和/或图7的隔离区域721类似地实现。使用电隔离电极，可以调整QD SOA区域830以使其正向偏置并且具有高增益和低饱和功率以放大激射模式，可以调整QD SA区域850以使其反向偏置或无偏置以从放大的激射模式中去除0级幅度噪声，并且可以调整QD SOA区域840使得其正向偏置并且具有低增益和低饱和功率(从而将放大的激射模式钳制在更高的输出功率)或者低增益和低饱和功率(从而从放大的激射模式中去除1级幅度噪声)。

[0063] 图9(a)和图9(b)是描绘示例QD光电探测器900的俯视图的框图。如图9(a)和图9(b)中所示，QD光电探测器900可以包括各种组件，例如包括在硅衬底的上硅层中的波导910，例如SOI衬底，以及包括吸收区域的QD层920。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。图9(a)以分解视图描绘了QD光电探测器900，示出了波导910和QD层920的细节，而图9(a)显示了QD光电探测器900的细节，而图9(b)以组装视图描绘了QD光电探测器900。

[0064] 波导910可用于接收和引导光信号的传播，例如由例如光信号发生器生成的激射模式。QD光电探测器900可用于从各种类型的光信号发生器接收光信号，例如半导体激光器(例如，激光二极管、QW激光器、QD激光器等)，或者要接收和光信号并将其转换为电流的任何地方。QD光电探测器900可以直接从光信号发生器接收光信号，或者通过诸如QD SOA的其他组件间接接收光信号。

[0065] 如图9(a)中所示，波导910可以具有各种宽度。波导910可以在QD光电探测器900的起始或前面具有宽度911(即，朝光信号输入最近)，在QD光电探测器900的末端或后面具有宽度912(即，离光信号输入最远)，以及在宽度911和宽度912之间的宽度913。在一些实现中，宽度911和宽度912的宽度可以相同或基本相似。宽度911和宽度912可以大于宽度913，而在其他实现中，宽度911和宽度912可以小于宽度913。

[0066] 宽度911、宽度912和宽度913之间的锥形可以由模式转换器914来实现。模式转换器914可以包括多个锥形：一个锥形用于锥形宽度911向下(或在一些实现中向上)到宽度913，另一个锥形用于锥形宽度913向上(或在一些实现中向下)到宽度912。模式转换器914可以促进光信号在波导910和QD层920之间的耦合。光耦合可以作为模式转换器914的锥形的结果而实现。也就是说，模式转换器914的锥形可以将光信号向上推入QD层920，使得它可以被放大并且可以将放大的光信号向下拉回到波导910的硅中。

[0067] QD层920可以是使用各种Ⅲ-Ⅴ半导体QD材料形成的台面结构，例如InAs、InGaAs、GaAs、InP、InGaP、InGaAsP等。可以通过经由晶片键合将QD层920键合到硅衬底，然后蚀刻QD层920的侧面形成台面(mesa)结构。QD层920可以包括吸收区域以从接收的光信号吸收光子。在一些实现中，整个QD层920可为吸收区域，而在其它实现中，QD层920的一部分可构成吸收区域。

[0068] QD层920可以包括在QD层920的每个末端处的结921和922。在一些实现中，结921和922中的至少一个可以是锥形的。锥角A°可以是，例如1°-90°之间。QD层920可以在波导910上方(例如，直接在其顶部或在其他中间层顶部)，并且当组装QD光电检测器900时，模式转换器914的锥形可以在QD层920下方。QD层920通常可以在波导910的一部分的上方或顶部，如图9(b)中所示。

[0069] 为了从接收的光信号产生光电流，光信号可以沿着波导910行进到模式转换器914的第一锥形，其中光信号可以被耦合到QD层920的吸收区域。在吸收区域中的量子点可以吸收来自光信号的光子。光子的吸收可以在QD层920中引起电子-空穴对。电子和空穴可以分别向阴极和阳极(均未示出)迁移，从而生成光电流。

[0070] 光电探测器的一个副作用是由于吸收区域中的缺陷而生成小电流。该电流称为暗电流。因为通过光电探测器的总电流是光电流和暗电流的总和，所以暗电流降低了光电探测器的整体灵敏度，因此是不期望的。QD光电探测器900通过在吸收区域中使用QD材料来降低暗电流的生成。当蚀刻QD层920以形成台面结构时，QD层920的侧壁被暴露。如果使用QW或体半导体材料作为吸收区域，则整个暴露的侧壁将容易受到缺陷的影响，这可能引起生成暗电流。然而，由于QD层920使用QD材料形成，因此并非构成QD层920的侧壁的所有原子都是光子吸收量子点。结果，与QW或体半导体光电探测器相比，QD层920不易受到缺陷的影响。因此，QD光电探测器900生成较少的暗电流，并且因此与QW或体半导体光电探测器相比具有更高的灵敏度。

[0071] 图9(c)是描绘QD光电检测器900的俯视图的框图。如图9(c)中所示，示出了附加层，例如下包层924上方的一对金属层925以及QD层920上方的金属层926。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。

[0072] 金属层925和926可以是电极，并且可以用作用于从在QD层920的吸收区域中吸收的光子生成光电流的阳极和阴极。在一些实现中，金属层925和926可以由各种类型的导电金属形成。

[0073] 图10(a)-图10(c)是描绘图9(a)-图9(c)中所示的QD光电检测器900的示例变体的俯视图的框图。这些组件的数量和布置仅是示例，并且出于说明的目的而提供。可以使用其他布置和数量的组件而不脱离本公开的示例。

[0074] 如图10(a)中所示，QD光电探测器1010可以包括用于接收光信号的波导1011，以及用于在耦合到波导1013和波导1013上方的QD层1014之前对特定波长的接收的光信号进行解复用的环解复用器1012。换句话说，环解复用器1012选择要从波导1011耦合到波导1013的特定波长的光信号。当光信号从波导1013被耦合到QD层1014时，QD层1014中的吸收区域可以吸收光子以从光信号产生光电流。

[0075] 如图10(b)中所示，QD光电探测器1020可以包括用于接收光信号的波导1021和包括波导1023的环解复用器1022，以在耦合到环解复用器1022的波导1023的一部分上方的QD层1024之前对接收的光信号进行解复用(demultiplex)。光信号可以从波导1021耦合到环解复用器1022的波导1023。光信号可以围绕环行进多次，从而具有在QD层1024的吸收区域中多个机会被吸收，其提高了QD光电探测器1020的吸收和效率。

[0076] 如图10(c)中所示，QD光电探测器1030可以包括用于接收光信号的波导1031和包括波导1033的环解复用器1032，以在耦合到环解复用器1032的整个波导(未示出)上方的QD层1033之前对接收的光信号进行解复用。与图10(b)的QD光电检测器1020类似，可以将光信号从波导1031耦合到环解复用器1032的波导。光信号可以围绕环行进多次，从而具有在QD层1033的吸收区域中被吸收的多个机会，其提高QD光电探测器1030的吸收和效率。

[0077] 前述公开描述了QD光学系统的多个示例实现。出于解释的目的，参考图1(a)-图1(d)、图2、图4(a)和图4(b)、图5(a)和图5(b)、图6(a)和图6(b)、图7、图8(a)和图8(b)、图9(a)-图9(c)和图10(a)-图10(c)中所示的组件描述了某些示例。然而，所示组件的功能可以重叠，并且可以存在于更少或更多数量的元件和组件中。此外，所示元素的全部或部分功能可以在几个地理上分散的位置之间共存或分布。此外，所公开的示例可以在各种环境中实现，并且不限于所示示例。因此，本公开仅仅阐述了实现的可能示例，并且可以对所描述的示例进行许多变化和修改。所有这些修改和变化旨在包括在本公开的范围内并受所附权利要求的保护。

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