CN102723383B - 用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，包括从上到下依次层叠的本征层、吸收层、上波导层、间隙层、下波导层、覆盖层和衬底，所述间隙层做为上波导层与下波导层之间的一层低折射率耦合层，所述上波导层与下波导层构成垂直方向的耦合器（相当于垂直方向耦合的光电二极管）用于使光从下波导层入射逐渐耦合到上波导层并使光一边在上波导层与下波导层中传输，一边被吸收层吸收。本发明的有益效果是：解决了水平方向耦合光电二极管结构中当空气间隙改变时，耦合长度和吸收长度都会改变，以及光刻腐蚀加工工艺制作难的弊端。

Description

用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种光电二极管。

背景技术

光电探测器是宽带通信系统、无线通信系统和高频测量系统中不可少的器件之一，也是光接收机中的核心器件。光电二极管是光电探测器中用于光电转换的光波导结构。大功率高速光电二极管的研制，开始是在传统的PIN（positiveintrinsicnegativediode）光电二极管结构上进行改进；90年代末20世纪初提出了波导光电二极管（WaveguideDiode,WD）方案；最近两年提出了方向耦合光电二极管（DirectionalCouplingPhotoDiode,DCPD）方案。

如图1所示，传统的PIN光电二极管中，入射光从垂直于PN结的方向入射，在中间本征层中吸收。这种结构称为表面垂直型（SurfaceNormal）。对于大功率和高速要求，表面垂直型光电二极管有三个明显的问题，一是具有严重的饱和效应；二是渡越时间长（载流子通过本征层的时间）：三是光在本征层吸收时指数衰减的，光吸收集中在很薄的体积内，限制了总光电流。饱和效应限制了光电二极管的光电流，从而限制了光电二极管输出的光功率；长的渡越时间限制了光电二极管的响应频率；薄吸收层也是限制总的光电流的一个因素。

90年代末提出了波导光电二极管的方案。如图2所示，波导光电二极管将光吸收层置于波导顶部，光从波导端面入射，在波导中一边传播，一边从波导耦合到吸收层被吸收。波导光电二极管光吸收分布在很长的范围内（几百微米），因此吸收面积比较大。另一个优点是光入射的方向和漂移电场方向相垂直，所以吸收层可以比表面垂直型光电二极管薄很多，这样载流子的漂移时间快很多。但到目前为止，波导光电二极管并没有在大功率方面取得突破。波导光电二极管功率不能作大，比较明确的重要原因有：光电流沿波导分布不均匀，是指数衰减的；有较大的耦合损耗。在波导的前端，光电流很强，在波导的后端，光电流却很弱。一旦波导前端光电流达到饱和时，虽然波导后端光电流还很弱，也不能再增加入射光功率，否则就会出现与饱和相关的非线性问题，出现严重失真，甚至因过热烧毁波导前端。

2008年，美国加州大学圣地亚哥分校提出了方向耦合光电二极管的方案，解决了波导光电二极管光电流分布不均匀和耦合损耗大的问题。如图3所示，方向耦合光电二极管由两个相隔一个耦合层的波导（波导A和波导B）平行放置构成，光从没有吸收层的波导入射，一边传播一边耦合到顶部有吸收层波导，吸收层也是位于波导瞬逝场位置。两个波导内的光会互相耦合。在方向耦合器的前端，光功率较强，但主要集中在没有吸收层波导，顶部有吸收层的波导中光功率很弱，相应的吸收层光功率也很弱。这样在方向耦合器前端，光电流就比波导光电二极管中前端光电流要弱得多。随着光沿耦合器传播和吸收，耦合到有吸收层波导的光比例越来越大，但总光功率由于波导前面的吸收会下降，所以在方向耦合器的后端，光电流既不会像波导光电二极管那样很快指数衰减，也不会很快增加，在一定的长度内，光电流沿波导分布就比较均匀。在某个合适的条件下，光电流会有一个最均匀分布。但是这种结构也有一定的弊端：首先，水平方向耦合器的耦合长度和吸收长度受耦合层上的空气间隙的影响。当空气间隙改变时，耦合长度和吸收长度都会改变。而对于基超模的吸收长度和一阶超模的吸收长度由于两模式在吸收层的瞬逝场存在差异也有着不同。当吸收长度和耦合长度都改变后，就无法满足超模匹配条件，导致光电流分布不均匀。另外，对于水平方向耦合器，两个波导之间耦合层上的空气间隙是通过光刻腐蚀加工工艺制作的，深而窄的空气间隙的腐蚀是不容易做到的。如果需要耦合长度很短，就需要腐蚀加工深而窄的空气间隙,这是很难做到的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中，当耦合层上的空气间隙改变时，该光电二极管的耦合长度和吸收长度都会改变而带来的缺陷，提出了用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构。

本发明的技术方案是：用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，其特征在于，包括从上到下依次层叠的本征层、吸收层、上波导层、间隙层、下波导层、覆盖层和衬底，所述间隙层做为上波导层与下波导层之间的一层低折射率耦合层，所述上波导层与下波导层构成垂直方向的耦合器（相当于垂直方向耦合的光电二极管）用于使光从下波导层入射逐渐耦合到上波导层并使光一边在上波导层与下波导层中传输，一边被吸收层吸收。

本发明的有益效果是：本发明的用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构由背景技术中所述的“水平方向耦合光电二极管结构”发展而来，解决了水平方向耦合光电二极管结构中当空气间隙改变时，耦合长度和吸收长度都会改变，以及光刻腐蚀加工工艺制作难的弊端。本发明的技术方案具有以下优点：1、可以改变上下波导的厚度调整两个超模的吸收长度；2、可以改变耦合层厚度调整耦合长度；3、从光纤端口输出的圆形激光束，有更多的光耦合到两个超模中，因此耦合损耗很低；4、光电流对激光偏振方向不敏感。同时，垂直耦合的方向耦合器没有这个加工困难问题，需要短耦合长度时，耦合层厚度就生长薄一些，几十纳米的膜层厚度误差对耦合长度的影响不是很大，这个膜厚误差在膜层生长中是很容易控制的。5、本发明结构所应用的光电探测器能够满足超模匹配条件使光电流分布最均匀，从而使探测器的功率能够大幅度提高，实现大功率突破，同时具有低耦合损耗和偏振非敏感性。同时，器件采用单载流子技术，单载流子是指光生电子和空穴中，只有电子对光电流有贡献，空穴对光电流没有贡献。单载流子器件的响应速度很快，耗尽区两侧的电荷积累导致的光电流饱和效应很低，能够大功率高速运转。

附图说明

图1是现有技术中传统的PIN光电二极管的结构示意图。

图2是现有技术中波导光电二极管的结构示意图。

图3是现有技术中水平方向耦合光电二极管的结构示意图。

图4是本发明的用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构示意图。

图5是本发明的用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构的光波导结构简化示意图。

图6是本发明的横截面折射率分布示意图。

图7是本发明的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图4和5所示，用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，包括从上到下依次层叠的本征层1、吸收层2、上波导层3、间隙层4、下波导层5、覆盖层6和衬底7，所述间隙层4做为上波导层3与下波导层5之间的一层低折射率耦合层，所述上波导层3与下波导层5构成垂直方向的耦合器（相当于垂直方向耦合的光电二极管）用于使光从下波导层5入射逐渐耦合到上波导层3并使光一边在上波导层3与下波导层5中传输，一边被吸收层2吸收。

本实施例中的用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，其工作波长为1.55μm、吸收层2的材料为InGaAs（铟砷化镓）、上波导层3、下波导层5和覆盖层6的材料为InGaAsP（铟砷镓磷）；本征层1、间隙层4、衬底7的材料为InP（磷化铟）。

在确定垂直方向耦合的光电探测器器的结构参数之前，先列出一些该结构的基本理论参数，见表3-1，结构参数如表3-2。

表3-1垂直方向耦合的光电探测器所采用的各种材料的折射率

波导材料	折射率
		InP	3.23
InGaAsP	3.49
		InGaAs	3.56-0.1i

表3-2垂直方向耦合的光电探测器的结构参数

对应序号	各层材料	厚度
			1	本征层InP	1μm
2	吸收层InGaAs	0.85μm
			3	上波导层InGaAsP	3.7μm
4	间隙层InP	0.1μm
			5	下波导层InGaAsP	3.55μm
6	覆盖层InGaAsP	0.5μm
			7	衬底InP	15μm
	波导脊宽	6μm
				波导长度	1000μm

下面在上述实施例的基础上对本发明的技术方案进行理论分析：

方向耦合的光电探测器，必须满足一个称为超模匹配的条件才能实现大功率运转；要满足这样一个超模匹配条件，必须采用垂直方向耦合的光电探测器。通过反复调整上下波导和耦合层的厚度，改变其耦合长度和吸收长度。光电流在波导中的分布达到最佳均匀状态的条件是实现超模匹配：方向耦合器基超模和一阶超模的耦合长度等于基超模的吸收长度，也等于一阶超模的吸收长度。即：

L_c=L₀=L₁（1）

式中，L₀为基超模的吸收长度，L₁为一阶超模的吸收长度，L_c为耦合长度。

$L_c=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{Re}({\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1)}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{Re}(n_{\mathrm{eff},0}-n_{\mathrm{eff},1})}---\left(2\right)$

$L_0=\frac{1}{2\mathrm{Im}\left({\mathrm{\β}}_0\right)}=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πIm}\left(n_{\mathrm{eff},0}\right)}---\left(3\right)$

$L_1=\frac{1}{2\mathrm{Im}\left({\mathrm{\β}}_1\right)}=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πIm}\left(n_{\mathrm{eff},1}\right)}---\left(4\right)$

式中，β₀为基超模的传播常数，β₁为一阶超模的传播常数，λ为光波长，n_eff，0为该模式基超模的有效折射率，n_eff，1为该模式一阶超模的有效折射率。Re是取该值实部的函数，Im是取该值虚部的函数。

实际上，光电流分布对超模匹配条件不是非常敏感，只要基超模的吸收长度和一阶超模的吸收长度以及耦合长度之间的差不超过30%，光电流分布不会有很明显的差别，但当差别很大例如有1~2倍的差别时，光电流分布才会明显不均匀。

运用有效折射率法分析垂直方向耦合的光电探测器，其波导简化图如图5所示。建立如图所示的坐标轴，首先将其等效成y方向的平板波导，求出中心波导及两侧波导的有效折射率n_e、n_ec；然后再等效成x方向的平板波导，最终求出整个脊波导的有效折射率n_eff。再将n_eff代入式（2）、（3）、（4）便能求出垂直方向耦合器的吸收长度和耦合长度，从而判断是否满足超模匹配条件。

本发明的工作过程：光从下波导层5入射，在垂直方向耦合的光电探测器中激励基超模和一阶超模并向前传播，光功率逐渐从下波导层5耦合到上波导层3中，然后在吸收层2中完成光电转化。

垂直方向耦合的光电探测器能满足超模匹配条件的原因如下。超模的吸收长度决定于吸收层处瞬逝场的强弱，瞬逝场越强，吸收越强，吸收长度越短。调整瞬逝场强弱的关键是调整超模场中心与吸收层的距离，距离越远，瞬逝场越弱；距离越近，瞬逝场越强。调整超模场中心与吸收层距离的方法是保持上波导和下波导的厚度之和不变，改变上下波导的厚度。对于基超模，上波导变厚下波导变薄时，超模场中心与吸收层的距离增加，瞬逝场变弱，吸收长度增加；对于一阶超模，情况刚好相反。因此，通过调整上下波导的厚度，可以使基超模的吸收长度等于或近似等于一阶超模的吸收长度。调整上下波导的厚度时，耦合长度的变化不大。耦合长度主要决定于低折射率耦合模层的厚度，厚度越薄，耦合越强，耦合长度越短。因此通过调整耦合层的厚度，可以使耦合长度接近于吸收长度。当改变耦合层的厚度时，吸收长度会有改变，需要再次调整上下波导的厚度使使基超模的吸收长度等于或近似等于一阶超模的吸收长度。所以通过反复调整上下波导的厚度和耦合层厚度，可以使垂直方向耦合器满足超模匹配条件。实际上，光电流分布对超模匹配条件不是非常敏感，只要基超模的吸收长度和一阶超模的吸收长度以及耦合长度之间的差不超过30%，光电流分布不会有很明显的差别，但当差别很大例如有1至2倍的差别时，光电流分布才会明显不均匀。

下面结合仿真数据或图纸对本实施例的技术方案的可行性给出结论性的意见：运用BeamPROP软件对上述结构参数进行数值模拟仿真，其折射率分布如图6所示，仿真结果如图7所示。

在图7仿真结果图中，左图代表方向耦合器内部光场分布沿z方向的变化，右图则为光功率的变化图。右图中，在波导长度为0时，左边第一条曲线为总功率的变化，第二条曲线为下波导功率的变化，第三条曲线为上波导功率的变化。因此可以得知，在600μm左右的位置处，上波导光功率达到最大，下波导光功率最小，则其耦合长度大约在600μm左右的位置处。从总功率曲线可计算出650μm左右的位置处即为该方向耦合器的吸收长度。在给出该方向耦合器的耦合长度和吸收长度后，对比得到，由于耦合长度和吸收长度的差距不是太大，可以认为该结构满足模式匹配条件，则以上仿真出的结构即为我们要求的结构。

然后运用有效折射率法计算得到垂直方向耦合光波导探测器的耦合长度为534.4013μm，零阶超模的吸收长度为496.9344μm，一阶超模的吸收长度为436.2507μm。由以上结果所示，垂直方向耦合光波导探测器的耦合长度、零阶超模的吸收长度和一阶超模的吸收长度之间的差别在允许范围之内，近似满足我们的模式匹配条件，验证了我们设计的垂直方向耦合的光波导探测器。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，其特征在于：包括从上到下依次层叠的本征层、吸收层、上波导层、间隙层、下波导层、覆盖层和衬底，所述间隙层做为上波导层与下波导层之间的一层低折射率耦合层，所述上波导层与下波导层构成垂直方向的耦合器用于使光从下波导层入射逐渐耦合到上波导层并使光一边在上波导层与下波导层中传输，一边被吸收层吸收，上波导层与下波导层的厚度之和不变。