CN105842799B - 大横截面单模方向耦合光波导探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大横截面单模方向耦合光波导探测器；其包括依次层叠的覆盖层、吸收层、上波导、间隙层、下波导及衬底，所述下波导采用由平板波导和矩形波导组合而成的脊形平板耦合光波导。本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器解决了小尺寸的波导结构难以实现光耦合的问题，可以实现大横截面的单模方向耦合，极大的方便了光纤同波导间的光耦合。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种大横截面单模方向耦合光波导探测器。
背景技术
大功率高速光电探测器作用是将入射光信号转换成大功率高频信号。大功率高速光探测器在光控相控阵雷达、超高速测试系统和光纤局域网通信中，是一个不可缺少的器件，其性能对整个系统起着决定性作用。
传统的垂直入射型光电探测器无法同时满足高速和大功率要求。主要原因如下：一是饱和效应，限制了光电流；二是渡越时间长，限制了响应频率；三是本征层的光吸收是指数衰减的，吸收区体积薄，总的光电流较小。
之后波导探测器(waveguide photodetector，WGPD)的提出消除了电子在耗尽层渡越时间对响应速度的影响，从而克服了传统光电探测器中高速响应性能和量子效率的矛盾。但目前波导型探测器也存在以下问题：光电流沿波导方向分布不均匀，是指数衰减的，耦合损耗较大；在波导前端光电流很强，传播方向上逐渐衰弱，波导前端决定了光电流的饱和值，限制了入射光功率。
在波导探测器的基础上之后又进一步提出了方向耦合波导探测器(DCPD,Directional Coupling Waveguide Photodetector)和垂直方向耦合波导探测器(VDCPD,Vertical Directional Coupling Waveguide Photodetector)，两者都是光功率在波导内耦合传播，刚开始入射光功率集中在没有吸收层的波导上，有吸收层的波导中光功率很弱，吸收层中光功率也很弱。因此，这种光电流比波导型的前端光电流要弱很多，随着光在耦合器中传播，耦合到有吸收层的波导的光功率逐渐增大，总功率由于波导的吸收会下降，所以在方向耦合器的后端，光电流不会快速衰减，在一定长度内，光电流沿波导分布比较均匀。但DCPD深而窄的空气间隙很难加工制作。VDCPD结构的波导要想实现单模传播，那么必须使波导尺寸较小，然而较小的波导尺寸则会导致光纤到波导的光耦合较难实现。
发明内容
本发明的发明目的是：为了现在技术中小尺寸的波导结构难以实现光耦合等问题，本发明提出了一种大横截面单模方向耦合光波导探测器。
本发明的技术方案是：一种大横截面单模方向耦合光波导探测器，包括依次层叠的覆盖层、吸收层、上波导、间隙层、下波导及衬底；所述下波导采用由平板波导和矩形波导组合而成的脊形平板耦合光波导，所述平板耦合光波导的平板波导厚度大于或等于矩形波导高度，所述平板耦合光波导的平板波导宽度与衬底相同，所述平板耦合光波导的矩形波导宽度与上波导相同。
进一步地，所述平板耦合光波导的平板波导为一维多模波导。
进一步地，所述平板耦合光波导的矩形波导为二维波导。
进一步地，所述探测器的超模匹配条件为：
Lc＝2L0＝2L1
其中，L0为基超模的吸收长度，L1为一阶超模的吸收长度，Lc为耦合长度，neff为传播常数，λ为工作波长。
进一步地，所述吸收层采用InGaAs材料。
进一步地，所述下波导采用InGaAsP材料。
进一步地，所述间隙层和衬底采用InP材料。
本发明的有益效果是：本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器改变上下波导的厚度即可调整零阶超模和一阶超模的吸收长度，改变间隙层的厚度就可以调整零阶超模和一阶超模间的耦合长度，从光纤输出并入射到下波导的激光束更多地耦合到零阶超模和一阶超模中，因而有更低的耦合损耗；输出光电流对入射光束的偏振角度不敏感。在满足超模匹配的条件下，光电流分布最均匀，同时解决了小尺寸的波导结构难以实现光耦合的问题，可以实现大横截面的单模方向耦合，极大的方便了光纤同波导间的光耦合。
附图说明
图1是本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器结构示意图。
图2是本发明的下波导结构示意图。
图3是本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器横截面折射率分布示意图。
图4是本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器仿真结果示意图。
图5是本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器光电流分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器结构示意图。一种大横截面单模方向耦合光波导探测器，包括从上往下依次层叠的覆盖层1、吸收层2、上波导3、间隙层4、下波导5及衬底6。
本发明的下波导5采用由平板波导和矩形波导组合而成的脊形平板耦合光波导，平板耦合光波导的平板波导厚度大于或等于矩形波导高度，平板耦合光波导的平板波导宽度与衬底相同，平板耦合光波导的矩形波导宽度与上波导相同，从而使得下波导5由一个典型三层结构一维多模平板波导和一个二维波导组成；下面的平板波导可以是一个多模波导，其中只存在一维波导模式，不存在二维波导模式。但在合适的条件下，下波导5仅存在一个二维分布的基模，高阶模式则耦合到平板波导中，成为截止模式。由于多模平板波导可以很厚，该结构可以构成一个大横向尺寸的单模光波导，可以传输更大的光功率。
下面以采用工作波长为1.55μm，吸收层2材料InGaAs，上波导3和下波导5材料InGaAsP，衬底6和间隙层4材料InP为例，对本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器作具体说明。
本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器的基本理论参数如下，其中表1为大横截面单模方向耦合光波导探测器采用材料的折射率，表2为大横截面单模方向耦合光波导探测器各层厚度。
表1.大横截面单模方向耦合光波导探测器采用材料的折射率
| 波导材料 | 折射率 |
| InP | 3.146 |
| InGaAsP | 3.33 |
| InGaAs | 3.56-0.1i |
表2.大横截面单模方向耦合光波导探测器各层厚度
| 层 | 平板厚度 | 下波导层 | 间隙层 | 上波导 | 吸收层 | 覆盖层 |
| 厚度(μm) | 2.4 | 5.39 | 0.08 | 5.36 | 0.12 | 0.8 |
采用有效折射率法对下波导进行分析，将下波导5近似为三个一维的三层平板波导，应用平板波导的理论，求出三个波导中基模的传播常数或有效折射率N1和N2；最后该波导被近似为折射率为N1和N2的介质构成的一个三维平板波导，再使用平板波导理论，最后求出波导的各阶模式的传播常数或等效折射率neff。如图2所示，为本发明的下波导5结构示意图，矩形波导的高度h＝3μm，宽度w＝3μm，依次改变平板波导的厚度t，计算波导的有效折射率。经过计算，当t的取值大于2.4μm时，下波导5对无论TE模还是TM模的一阶模或者更高阶模都无法进行约束，使得这些高阶模成为辐射模，波导内只有基模能够传播，成为单模波导。根据所计算的下波导5成为单模波导的条件，即可设计本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器的结构参数。
再采用有效折射率法计算本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器的基模和一阶模的吸收长度以及耦合长度，验证其满足超模匹配条件。超模匹配条件表述为：大横截面单模方向耦合光波导探测器基超模和一阶超模的耦合长度等于基超模的吸收长度的二倍，也等于一阶超模的吸收长度的二倍。即：
Lc＝2L0＝2L1
其中基模和一阶模的吸收长度以及耦合长度的计算公式如下：
式中，L0为基超模的吸收长度，L1为一阶超模的吸收长度，Lc为耦合长度，λ为工作波长。
本发明将光从下波导5入射，在本发明的大横截面单模方向耦合光波导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5耦合到上波导3，最后在吸收层2中完成光电转换。运用BeamPROP软件对上述结构参数进行数值模拟仿真，输入光采用高斯光束。对于大横截面单模方向耦合光波导探测器，输入光照射在下波导5端面上。如图3所示，为本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器横截面折射率分布示意图。如图4所示，为本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器仿真结果示意图，左边方框图代表大横截面单模方向耦合光波导探测器内部光场分布沿z方向(波导的长度方向)的变化。右边方框图则为光功率的变化图，在波导长度为0时，左边第一条曲线为波导内总功率的变化，第二条曲线为下波导5中功率的变化，第三条曲线为上波导3中功率的变化，可以看出大约在600μm左右的位置，上波导3内的光功率达到最大值。光在波导内传播被吸收层2吸收，使得波导内总光功率整体呈现衰减的趋势。根据有效折射率法计算出的基模的吸收长度为543μm，一阶模的吸收长度为453μm，耦合长度为1192μm，上述值间的差别在允许的范围之内，满足给定的超模匹配条件。
根据beamprop导出的总光功率数据，运用matlab计算光功率对传播方向z求导得出的如图5所示的本发明的大横截面单模方向耦合光波导探测器光电流分布示意图，可以看出光电流分布整体均匀，对于部分奇异点考虑为BeamProp软件计算误差所致，只是在光电流初始输入端存在较大波动，对于大横截面单模方向耦合光波导探测器光电流初始输入端存在较大波动的原因，可能是在输入端激励了高阶模式或激励的模式间相互干涉。本发明采用在输入端加入输入波导的方式解决该问题。
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，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种大横截面单模方向耦合光波导探测器，其特征在于，包括依次层叠的覆盖层、吸收层、上波导、间隙层、下波导及衬底；所述下波导采用由平板波导和矩形波导组合而成的脊形平板耦合光波导，所述脊形平板耦合光波导的平板波导厚度大于或等于矩形波导高度，所述脊形平板耦合光波导的平板波导宽度与衬底相同，所述脊形平板耦合光波导的矩形波导宽度与上波导相同。
2.如权利要求1所述的大横截面单模方向耦合光波导探测器，其特征在于，所述脊形平板耦合光波导的平板波导为一维多模波导。
3.如权利要求2所述的大横截面单模方向耦合光波导探测器，其特征在于，所述脊形平板耦合光波导的矩形波导为二维波导。
4.如权利要求3所述的大横截面单模方向耦合光波导探测器，其特征在于，所述探测器的超模匹配条件为：
Lc＝2L0＝2L1
其中，L0为基超模的吸收长度，L1为一阶超模的吸收长度，Lc为耦合长度，neff为传播常数，neff,0为基超模的传播常数，neff,1为一阶超模的传播常数，λ为工作波长。
5.如权利要求4所述的大横截面单模方向耦合光波导探测器，其特征在于，所述吸收层采用InGaAs材料。
6.如权利要求5所述的大横截面单模方向耦合光波导探测器，其特征在于，所述下波导和上波导采用InGaAsP材料。
7.如权利要求6所述的大横截面单模方向耦合光波导探测器，其特征在于，所述间隙层和衬底采用InP材料。
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