光電電路及技術的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于響應于電激勵信號而產(chǎn)生光學信號的混合電路,其包含:傾斜電荷發(fā)光裝置,其具有電輸入端口及光學輸出端口,所述裝置具有隨輸入頻率而變的光學輸出響應;及輸入接口電路,其與所述裝置的所述電輸入端口耦合且具有與所述裝置的所述光學輸出響應的逆實質(zhì)上成比例的轉(zhuǎn)移函數(shù);借此所述電激勵信號到所述輸入接口電路的施加操作以從所述裝置的所述輸出光學端口產(chǎn)生光學信號。所述輸入接口電路包含具有由增加的振幅對頻率的區(qū)域表征的轉(zhuǎn)移函數(shù)的無源RLC電路。
【專利說明】光電電路及技術
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體發(fā)光裝置的領域且涉及并入此些裝置的電路及方法。
【背景技術】
[0002]本發(fā)明的【背景技術】中包含與異質(zhì)結雙極晶體管(HBT,其為電傾斜電荷裝置)以及發(fā)光晶體管、晶體管激光器及傾斜電荷發(fā)光二極管(分別為LET、TL及TCLED,所有這些均為光學傾斜電荷裝置)相關的技術。傾斜電荷裝置依據(jù)裝置的基極區(qū)域中的能量圖特性而得其名,所述基極區(qū)域大致具有從射極接口到集極(或針對兩端子裝置,漏極)接口的下降斜坡形狀。此表示呈動態(tài)流(經(jīng)由集極(或漏極)“快”載流子復合且“慢”載流子退出)的載流子的傾斜電荷群集。
[0003]關于在裝置的基極區(qū)域中通常采用一個或一個以上量子大小區(qū)域的光學傾斜電荷裝置及技術,可參考(舉例來說)第7,091,082,7, 286,583,7, 354,780,7, 535,034、7,693,195、7,696,536、7,711,015、7,813,396、7,888,199,7,888, 625、7,953,133、7,998,807,8, 005,124,8,179,937 及 8,179,939 號美國專利;第 US2005 / 0040432、US2005 / 0054172、US2008 / 0240173、US2009 / 0134939、US2010 / 0034228、US2010 /0202483、US2010 / 0202484、US2010 / 0272140、US2010 / 0289427、US2011 / 0150487及US2012 / 0068151號美國專利申請公開案;及第WO / 2005 / 020287及WO / 2006 /093883號PCT國際專利公開案以及第US2012 / 0068151號美國專利申請公開案中所引用的公開案。
[0004]光學傾斜電荷裝置包含作用區(qū)域,所述作用區(qū)域具有一個極性的內(nèi)置自由多數(shù)載流子,其中另一極性的單個種類的少數(shù)載流子注入到此作用區(qū)域的一個輸入中且被允許跨越所述作用區(qū)域擴散。此作用區(qū)域具有實現(xiàn)及增強多數(shù)載流子的傳導及少數(shù)載流子的輻射復合的特征。在所述區(qū)域的輸出側上,接著由單獨及較快機構收集、排出、耗盡或復合少數(shù)載流子。電觸點耦合到此全功能區(qū)域。
[0005]在2004年初,一公開案描述了一種光學傾斜電荷裝置,其將量子阱并入于所述裝置的基極區(qū)域中以便增強輻射復合(參見M.馮(M.Feng)、N.霍洛尼亞克Jr.(N.HolonyakJr.)及R.陳(R.Chan)的量子講-基極異質(zhì)結雙極發(fā)光晶體管(Quantum_wel1-BaseHetero junction Bipolar Light-Emitting Transistor),應用物理第 84 期,1952, 2004)。在所述論文中,論證了光學信號以高達IGHz的速度跟隨正弦電輸入信號。5余年之后,在進一步研究及基本開發(fā)(以及與操作方法、作用區(qū)設計及外延層結構相關的其它開發(fā))之后,報告了作為自發(fā)發(fā)射發(fā)光體的高速傾斜電荷裝置以4.3GHz (LET)的帶寬且稍后以 7GHz (TCLED)的帶寬操作。(參見 G.沃爾特(G.Walter)、C.H.吳(C.H.ffu)、H.W.特恩(H.W.Then)、M.馮(M.Feng)及N.霍洛尼亞克Jr.(N.Holonyak Jr.)的傾斜電荷高速(7GHz)發(fā)光二極管(Titled-Charge High Speed(7GHz)Light Emitting Diode),應用物理第94期,231125,2009)。盡管從那時以來己實現(xiàn)了進一步改進,但期望效率及帶寬的額外進展以實現(xiàn)商業(yè)上可行的光電裝置及技術。[0006]實現(xiàn)光學傾斜電荷裝置、電路及技術的此些進展及改進在本發(fā)明的目標當中。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]己發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)有效高速光學傾斜電荷裝置的挑戰(zhàn)涉及意外的細微之處。舉例來說,使裝置區(qū)較小且較窄以產(chǎn)生較小電阻(R)、較小電容(C)及較小電感(L)的方法未必是有益的。同樣,僅采用最快HBT裝置(例如,InGaP / GaA HBT)的設計規(guī)則是不足的。盡管其共同源自晶體管技術,但光學傾斜電荷裝置與高速HBT晶體管(電傾斜電荷裝置)共享極少共同設計特質(zhì)。舉例來說,在晶體管的基極中添加量子阱不僅引入另一元素或缺陷以幫助復合,而且引入能夠存儲電荷、橫向輸送及重新熱化所捕獲載流子的結構。
[0008]此外,在顯著較低電增益(較高基極電流比率)的情況下,放大與基極薄片電阻相關聯(lián)的問題(加熱、射極群聚)及與基極電流密度相關聯(lián)的問題(可靠性),且因?qū)υ诘蜕錁O電流密度下的橫向電阻及射極群聚的擔憂而使基極渡越時間的重要性(HBT的設計中的大問題)相形見絀。
[0009]當設計高速光學傾斜電荷裝置時,光學提取、光束形狀及光學功率輸出與裝置的電增益及電帶寬一樣重要。甚至不能利用HBT社群已如此忠實地遵循的設計規(guī)則(因為可通過連續(xù)地縮減基極射極結及基極集極結的尺寸來增加HBT的速度),因為此物理尺寸減小導致越來越小的輻射復合效率。因此,此些設計規(guī)則適合用于純電輸入/輸出傾斜電荷裝置但不適合用于也需要光學輸出的優(yōu)化的設計(光學傾斜電荷裝置)。
[0010]同樣,高速光學傾斜電荷裝置與電荷存儲發(fā)光體(例如,二極管激光器或發(fā)光二極管)共享極少共同設計特質(zhì)。舉例來說,盡管兩者均使用例如量子阱的結構,但光學電荷存儲裝置的設計規(guī)則需要最大化載流子的局限或存儲(以便改進其中所捕獲載流子“等待”由光子場激發(fā)或通過自發(fā)發(fā)射復合的受激發(fā)射過程的可能性)的方法,而光學傾斜電荷裝置的設計規(guī)則需要用于最小化所存儲載流子(以實現(xiàn)高速操作)的方法。由于強加于傾斜電荷裝置的設計約束(例如,物理尺寸、應用、功率消耗、帶寬及成本),因此甚至針對電荷存儲裝置中所使用的光提取的設計規(guī)則也未必適用于傾斜電荷裝置。
[0011]一個設計考慮涉及成本。由于光學互連件的應用達到越來越短的范圍,因此需要減小與電/光轉(zhuǎn)換相關聯(lián)的成本。高速光學傾斜電荷裝置(HS-OTCD)不僅是VCSEL或基于二極管激光器的電光方法的替代品,而且是其中無需電光轉(zhuǎn)換的便宜得多的傳統(tǒng)銅互連件的替代品。因此,理想地,改進速度特性的設計不應增加成本。
[0012]另一設計考慮涉及功率消耗。針對較新的應用,高速互連件的密度及數(shù)目繼續(xù)增加。為了減小相關聯(lián)的冷卻成本且也簡化設計架構,低功率消耗是嚴格的設計考慮。稱為功率對帶寬比率rpb的參考測量矩陣用于指示裝置功率效率,其中較低值指示較功率有效
>J-U裝直。
【權利要求】
1.一種用于響應于電激勵信號而產(chǎn)生光學信號的混合電路,其包括: 傾斜電荷發(fā)光裝置,其具有電輸入端口及光學輸出端口,所述裝置具有隨輸入頻率而變的光學輸出響應;及 輸入接口電路,其與所述裝置的所述電輸入端口耦合,且具有與所述裝置的所述光學輸出響應的逆實質(zhì)上成比例的轉(zhuǎn)移函數(shù); 借此所述電激勵信號到所述輸入接口電路的施加操作以從所述裝置的所述輸出光學端口產(chǎn)生光學信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的混合電路,其中所述輸入接口電路包括RLC電路。
3.根據(jù)權利要求1所述的混合電路,其中所述輸入接口電路包括無源RLC電路。
4.根據(jù)權利要求2所述的混合電路,其中所述RLC電路具有由增加的振幅對頻率的區(qū)域表征的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的混合電路,其進一步包括集成電路介質(zhì),且其中所述傾斜電荷發(fā)光裝置及所述輸入接口電路安置于所述介質(zhì)上。
6.根據(jù)權利要求1或5所述的混合電路,其中所述輸入接口電路包括數(shù)字信號處理器。
7.根據(jù)權利要求1 所述的混合電路,其中所述傾斜電荷發(fā)光裝置包括傾斜電荷發(fā)光二極管。
8.根據(jù)權利要求1所述的混合電路,其中所述傾斜電荷發(fā)光裝置包括具有第二電輸入端口的發(fā)光晶體管。
9.根據(jù)權利要求1所述的混合電路,其中所述傾斜電荷發(fā)光裝置包括具有第二電輸入端口的晶體管激光器。
10.一種用于響應于電激勵信號而產(chǎn)生光學信號的混合集成電路,其包括:集成電路介質(zhì); 傾斜電荷發(fā)光裝置,其安置于所述介質(zhì)上,所述裝置具有電輸入端口及光學輸出端n: 輸入接口電路,其安置于所述介質(zhì)上且具有與所述傾斜電荷發(fā)光裝置的光學響應特性相關的轉(zhuǎn)移函數(shù); 借此所述電激勵信號到所述輸入接口電路的施加操作以從所述裝置的所述輸出光學端口產(chǎn)生光學信號。
11.根據(jù)權利要求10所述的混合電路,其中所述輸入接口電路包括無源RLC電路。
12.根據(jù)權利要求11所述的混合電路,其中所述RLC電路具有由增加的振幅對頻率的區(qū)域表征的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
13.一種用于響應于電激勵信號而產(chǎn)生光學信號的方法,其包括以下步驟: 提供具有電輸入端口及光學輸出端口的傾斜電荷發(fā)光裝置; 確定所述裝置的隨輸入頻率而變的光學輸出響應; 提供輸入接口電路,所述輸入接口電路與所述電輸入端口耦合、具有與所述所確定響應成反比的轉(zhuǎn)移函數(shù);及 經(jīng)由所述輸入接口電路將所述電激勵信號施加到所述裝置以產(chǎn)生所述輸出光學信號。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法,其中所述提供輸入接口的步驟包括:提供RLC電路。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法,其進一步包括:給所述RLC電路提供操作以對所述電激勵信號實施相移的串聯(lián)LC分支。
16.根據(jù)權利要求14或15所述的方法,其中所述電激勵信號包括具有過量輸入電壓峰值到峰值振幅的AC信號,且其中所述輸入接口電路操作以使用所述過量輸入電壓的實質(zhì)部分。
17.一種用于響應于電激勵信號而產(chǎn)生光學信號的方法,其包括以下步驟: 提供具有電輸入端口及光學輸出端口的傾斜電荷發(fā)光裝置,所述裝置具有隨輸入頻率而變的光學輸出響應; 提供輸入接口電路,所述輸入接口電路與所述裝置的所述電輸入端口耦合且具有與所述裝置的所述光學輸出響應的逆實質(zhì)上成比例的轉(zhuǎn)移函數(shù);及 將所述電激勵信號施加到所述輸入接口電路以從所述裝置的所述輸出光學端口產(chǎn)生光學信號。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法,其中所述提供輸入接口電路的步驟包括:提供RLC電路。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法,其中所述提供RLC電路的步驟包括提供具有由增加的振幅對頻率的區(qū)域表征的轉(zhuǎn)移函數(shù)的RLC電路。
20.根據(jù)權利要求17到19中任一權利要求所述的方法,其中所述電激勵信號包括具有過量輸入電壓峰值到峰值振幅的AC信號,且其中所述輸入接口電路操作以使用所述過量輸入電壓的實質(zhì)部分。
21.根據(jù)權利要求17所述的方法,其中所述提供傾斜電荷發(fā)光裝置的步驟包括:提供具有第二電輸入端口的發(fā)光晶體管。
22.一種用于響應于電激勵信號而以增強的功率效率及帶寬產(chǎn)生光學信號的方法,其包括以下步驟: 提供具有電輸入端口及光學輸出端口的傾斜電荷發(fā)光裝置,所述裝置具有使復合電流轉(zhuǎn)向而遠離所述裝置的作用區(qū)域的頻率相依短路路徑及隨輸入頻率而變的所得光學輸出響應; 提供輸入接口電路,所述輸入接口電路與所述裝置的所述電輸入端口耦合且具有與所述裝置的所述光學輸出響應的逆實質(zhì)上成比例的轉(zhuǎn)移函數(shù);及 將所述電激勵信號施加到所述輸入接口電路以從所述裝置的所述輸出光學端口產(chǎn)生光學信號。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法,其中所述電激勵信號包括具有過量輸入電壓峰值到峰值振幅的AC信號,且其中所述輸入接口電路操作以使用所述過量輸入電壓的實質(zhì)部分。
24.一種用于在第一位置與第二位置之間建立高帶寬通信鏈路的方法,其包括以下步驟: 在所述第一位置處提供表示待傳遞的數(shù)據(jù)的電激勵信號; 提供具有至少一個電輸入端口及一光學輸出端口的傾斜電荷發(fā)光裝置; 將所述傾斜電荷發(fā)光裝置的所述光學輸出端口耦合到光學波導; 在所述第二位置處提供包含與所述光學波導耦合的光電檢測器的接收器電路; 所述傾斜電荷發(fā)光裝置、所述光學波導及所述接收器電路各自具有隨頻率而變的本征轉(zhuǎn)移函數(shù) '及提供將所述電激勵信號耦合到所述傾斜電荷發(fā)光裝置的輸入接口電路,所述輸入接口電路具有使用所述傾斜電荷發(fā)光裝置以及所述光學波導及所述接收器電路中的至少一者的所述轉(zhuǎn)移函數(shù)的乘積來確定的頻率相依轉(zhuǎn)移函數(shù)。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法,其中所述提供輸入接口電路的步驟包含:導出所述傾斜電荷發(fā)光裝置、所述光學波導及所述接收器電路的隨頻率而變的所述轉(zhuǎn)移函數(shù)的乘積以獲得子系統(tǒng)頻率特性;及將所述輸入接口的所述頻率相依轉(zhuǎn)移函數(shù)導出為與頻譜的一部分上的所述子系統(tǒng)頻率特性實質(zhì)上成反比。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法,其中所述提供傾斜電荷發(fā)光裝置的步驟包括:提供從其光學輸出端口產(chǎn)生自發(fā)發(fā)光的裝置。
27.根據(jù)權利要求24所述的方法,其中所述提供電激勵信號的步驟包含:提供經(jīng)由具有隨頻率而變的本征轉(zhuǎn)移函數(shù)的發(fā)射線發(fā)射所述電激勵信號的發(fā)射器,且其中所述提供將所述電激勵信號耦合到所述傾斜電荷發(fā)光裝置的輸入接口電路的步驟包括:將所述輸入接口電路提供為具有使用所述發(fā)射線、所述傾斜電荷發(fā)光裝置、所述光學波導及所述接收器電路的所述轉(zhuǎn)移函數(shù)的乘積來確定的頻率相依轉(zhuǎn)移函數(shù)。
28.根據(jù)權利要求24所述的方法,其中所述提供包含光電檢測器的接收器電路的步驟進一步包含:提供經(jīng)由具有隨頻率而變的本征轉(zhuǎn)移函數(shù)的另一發(fā)射線接收所述接收器電路的輸出的解串行化器,且其中所述提供將所述電激勵信號耦合到所述傾斜電荷發(fā)光裝置的輸入接口電路的步驟包括:將所述輸入接口電路提供為具有使用所述傾斜電荷發(fā)光裝置、所述光學波導、所述接收器電路及所述另一發(fā)射線的所述轉(zhuǎn)移函數(shù)的乘積來確定的頻率相依轉(zhuǎn)移 函數(shù)。
【文檔編號】H01S5/00GK103782659SQ201280042781
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年8月31日 優(yōu)先權日:2011年9月2日
【發(fā)明者】加布里埃爾·沃爾特, 林葆蓮 申請人:量子電鍍光學系統(tǒng)有限公司