一种波导集成光电探测器

本发明涉及光电探测器，特别涉及一种波导集成光电探测器。

背景技术：

1、随着人工智能算力集群和数据中心规模的不断扩大，对高速、低延迟、低能耗的光互连技术提出了越来越高的要求。光电探测器作为光互连系统中的核心器件，其带宽与集成度直接决定了整个系统的传输速率。

2、目前，现有光电探测器多采用传统的正面入射结构。在该类器件结构中，光吸收区与金属电极高度耦合，光信号的接收与光电转换功能紧密交织在一起。这种结构设计由于光吸收区与电极需要紧密贴合，导致器件寄生电容较大，rc延迟成为限制其电学带宽提升的主要物理瓶颈。当速率提升至百吉比特每秒及以上时，该类结构难以同时兼顾高响应度与高带宽，已逐渐难以满足下一代光互连技术的需求。

3、因此，如何有效突破现有正面入射结构的rc延迟限制，以满足高速光电探测的需求，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的实施例提供了一种波导集成光电探测器，旨在解决现有正面入射光电探测器因光吸收区与电极高度耦合导致rc延迟大、带宽受限的的技术问题。

2、本发明提供了一种波导集成光电探测器，其包括：光电芯片，其上具有在水平方向上相间隔的第一区域和第二区域；光学接收阵列，设置于所述第一区域，所述光学接收阵列包括若干个用于接收并汇聚空间光信号的光学接收单元；片上波导网络，设置于所述光电芯片内部且与所述光学接收单元耦合，用于将汇聚后的所述空间光信号自所述第一区域传输至所述第二区域；光电转换模组，设置于所述第二区域且与所述片上波导网络耦合，用于将所述片上波导网络输出的光信号转换为电信号；信号处理电路，与所述光电转换模组电连接，用于接收并处理所述光电转换模组输出的电信号。

3、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所述片上波导网络包括与所述光学接收单元对应的若干条波导线路，每条所述波导线路与对应的所述光学接收单元耦合，用于将对应的所述光学接收单元汇聚后的所述空间光信号自所述第一区域传输至所述第二区域。

4、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所述若干条波导线路包括硅波导线路和氮化硅波导线路，其中，至少一条所述硅波导线路与至少一条所述氮化硅波导线路设置于所述光电芯片内的不同层。

5、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所述硅波导线路和所述氮化硅波导线路均具有弯曲段，所述弯曲段呈弧形弯曲和/或euler弯曲。

6、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所述光电转换模组包括与所述光学接收单元对应的若干个光电探测单元，每个所述光电探测单元与对应的所述波导线路耦合，用于将对应的所述波导线路输出的光信号转换为电信号。

7、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所述信号处理电路包括专用集成电路芯片、跨阻放大器以及数字信号处理芯片，所述跨阻放大器与所述光电转换模组电连接，用于对所述电信号进行放大，所述专用集成电路芯片与所述跨阻放大器电连接，所述数字信号处理芯片与所述专用集成电路芯片电连接。

8、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所述信号处理电路设于所述光电芯片的背侧，所述光电芯片在所述第二区域上开设有贯穿所述光电芯片的过孔，所述光电转换模组的输出端通过所述过孔引至所述光电芯片的背侧，并与所述信号处理电路电连接。

9、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所述光学接收单元具有入光口、出光口以及贯通所述入光口与所述出光口的导光通道，所述出光口与所述片上波导网络耦合，所述导光通道的口径自所述入光口向所述出光口逐渐收窄。

10、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所述出光口与所述片上波导网络的输入端之间设有可导光的渐变耦合段，所述渐变耦合段自所述出光口向所述片上波导网络逐渐扩张。

11、在本发明实施例提供的波导集成光电探测器中，所有的所述光学接收单元规则地排列成多边形阵列，相邻所述光学接收单元之间的中心间距相等。

12、与现有技术相比，本发明的波导集成光电探测器通过将空间光接收与光电转换功能在空间上彻底解耦，构建了一种基于波导集成的高速光电探测架构，利用光电芯片上水平方向相间隔的第一区域和第二区域，将光学接收阵列设置于第一区域以接收空间光信号，并通过片上波导网络将汇聚后的光信号传输至芯片边缘的第二区域进行光电转换与信号处理。该设计从根本上打破了传统正面入射探测器中光吸收区与电极高度耦合的物理局限，通过将光电转换模组布置于芯片边缘，显著缩短了电极长度，降低了寄生电容与寄生电感，进而削弱了rc延迟对电学带宽的限制，为实现百吉比特每秒及以上的高速探测提供了物理基础。

1.一种波导集成光电探测器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所述片上波导网络包括与所述光学接收单元对应的若干条波导线路，每条所述波导线路与对应的所述光学接收单元耦合，用于将对应的所述光学接收单元汇聚后的所述空间光信号自所述第一区域传输至所述第二区域。

3.根据权利要求2所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所述若干条波导线路包括硅波导线路和氮化硅波导线路，其中，至少一条所述硅波导线路与至少一条所述氮化硅波导线路设置于所述光电芯片内的不同层。

4.根据权利要求3所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所述硅波导线路和所述氮化硅波导线路均具有弯曲段，所述弯曲段呈弧形弯曲和/或euler弯曲。

5.根据权利要求2所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所述光电转换模组包括与所述光学接收单元对应的若干个光电探测单元，每个所述光电探测单元与对应的所述波导线路耦合，用于将对应的所述波导线路输出的光信号转换为电信号。

6.根据权利要求1-5任一项所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所述信号处理电路包括专用集成电路芯片、跨阻放大器以及数字信号处理芯片，所述跨阻放大器与所述光电转换模组电连接，用于对所述电信号进行放大，所述专用集成电路芯片与所述跨阻放大器电连接，所述数字信号处理芯片与所述专用集成电路芯片电连接。

7.根据权利要求1-5任一项所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所述信号处理电路设于所述光电芯片的背侧，所述光电芯片在所述第二区域上开设有贯穿所述光电芯片的过孔，所述光电转换模组的输出端通过所述过孔引至所述光电芯片的背侧，并与所述信号处理电路电连接。

8.根据权利要求1-5任一项所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所述光学接收单元具有入光口、出光口以及贯通所述入光口与所述出光口的导光通道，所述出光口与所述片上波导网络耦合，所述导光通道的口径自所述入光口向所述出光口逐渐收窄。

9.根据权利要求8所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所述出光口与所述片上波导网络的输入端之间设有可导光的渐变耦合段，所述渐变耦合段自所述出光口向所述片上波导网络逐渐扩张。

10.根据权利要求1-5任一项所述的波导集成光电探测器，其特征在于，所有的所述光学接收单元规则地排列成多边形阵列，相邻所述光学接收单元之间的中心间距相等。