CN106784028B - 一种亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光电探测器阵列，包括具有光束分束功能的亚波长光栅，以及位于亚波长光栅上方的光电探测器组；所述亚波长光栅与光电探测器组间设有键合介质层。在处理大功率、高速、高动态范围的入射光信号时，其包含的高性能亚波长分束光栅将该光信号分为多束功率较小、动态范围较小的光信号并分别由光电探测器阵列中的各分布式光电探测器进行光电转换，各光电探测器产生的电信号在大电极处叠加从而还原原注入信号。本方案克服了单个光电探测器无法处理过大功率及过大动态范围的光信号的弊端，也克服了传统光电探测器阵列耦合方式及制备工艺复杂的缺点，相较于前两者具有工艺简单易于制备、饱和功率大、动态范围大、响应度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光载无线通信技术领域，更具体地，涉及一种亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列。
背景技术
在致力于解决光接入网瓶颈的模拟光纤链路中，光电探测器的线性度是外强度调制光电探测系统中至关重要的因素，这就使得链路对高带宽、高饱和电流及高动态范围的光电探测器产生了极大的需求。此外，高饱和光电探测器也可以简化光通信链路中接收机的设计复杂度，降低或去除接收机对阻抗匹配的低噪声电放大器的需求。
为了应对这些需求，几种高速、大功率的光电探测器及阵列被提出并在近年内得到了大量的关注。高速高饱和的单行载流子光电探测器由于其仅采用电子作为载流子的特性，使得其相对于PIN光电探测器拥有更大的饱和电流和更高的响应速度。但单个光电探测器在处理较大的光信号时仍然存在吸收层厚度的制约问题，较宽的吸收层厚度可以提高光电探测器的响应度和饱和特性，但会降低其3dB带宽；较窄的吸收层厚度可以使光电探测器响应更快，但将降低光电探测器的输出功率。
为了解决以上问题，几种不同结构的分布式光电探测器阵列被提出。分布式光电探测器阵列将入射信号光分散在数个独立光电探测器上进行吸收并将其输出电信号进行叠加，克服了单个光电探测器的吸收层厚度制约问题。已公布的分布式光电探测器阵列包括垂直耦合和波导耦合两种耦合方式。垂直耦合型光电探测器阵列的光耦合方式为光纤阵列式耦合，这种耦合方式相较于单个光电探测器的光纤耦合方式成本更高且更加复杂；而波导耦合型光电探测器阵列的光耦合方式相较垂直耦合效率较低，耦合损耗太大。本发明提供一种与亚波长分束光栅混合集成的光电探测器阵列，旨在克服单一光电探测器及传统光电探测器阵列的缺点，实现高速、高效率、高饱和等特性。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的光电探测器阵列，克服了单个光电探测器无法处理过大功率及过大动态范围的光信号的弊端，也克服了传统光电探测器阵列耦合方式及制备工艺复杂的缺点。
根据本发明的一个方面，提供一种光电探测器阵列，包括具有光束分束功能的亚波长光栅，以及位于亚波长光栅上方的光电探测器组；所述亚波长光栅与光电探测器组间设有键合介质层。
作为优选的，所述亚波长光栅包括依次层叠的硅衬底层、氧化硅层和光栅层。
作为优选的，所述亚波长光栅层为SOI结构的顶层硅晶体材料，所述SOI结构表层上刻蚀有光栅图案，所述光栅图案包括若干一维条形非周期光栅或二维块状非周期光栅。
作为优选的，所述每个一维条形非周期光栅或二维块状非周期光栅用于接收入射光并将入射光分成两束或多束出射光。
作为优选的，所述出射光的总分束数量与光电探测器组中的光电探测器数量相同，所述光出射光与光栅平面法线之间角度的余切值等于光栅平面与光电探测器P型接触电极平面间的垂直距离除以光栅平面与光电探测器中心之间的水平距离。
作为优选的，所述光电探测器组与键合介质层间设有半绝缘衬底层，所述半绝缘衬底层上设有若干光电探测器；所述光电探测器N型接触层上蒸镀有N型接触电极，P型接触层上蒸镀有P型接触电极。
作为优选的，所述光电探测器通过半导体外延工艺制得，所述光电探测器表层覆盖有绝缘钝化层，所述绝缘钝化层上开孔并蒸镀有与N型接触层上接触的接地大电极，所述绝缘钝化层上开孔并蒸镀有与P型接触层上接触的信号大电极。
作为优选的，所述光电探测器包括PIN光电探测器、单行载流子光电探测器或雪崩光电探测器。
作为优选的，所述光电探测器采用垂直耦合的光耦合方式，其入光方向为衬底入光。
作为优选的，所述光电探测器阵列中各光电探测器之间通过化学刻蚀至半绝缘衬底相互隔离，探测器阵列中的个光电探测器的N型、P型接触电极分别相连通。
本申请提出一种亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列，包括具有光束分束功能的亚波长光栅，以及位于亚波长光栅上方的光电探测器组；所述亚波长光栅与光电探测器组间设有键合介质层；在处理大功率、高速、高动态范围的入射光信号时，其包含的高性能亚波长分束光栅将该光信号分为多束功率较小、动态范围较小的光信号并分别由光电探测器阵列中的各分布式光电探测器进行光电转换，各光电探测器产生的电信号在大电极处叠加从而还原原注入信号。本方案克服了单个光电探测器无法处理过大功率及过大动态范围的光信号的弊端，也克服了传统光电探测器阵列耦合方式及制备工艺复杂的缺点，相较于前两者具有工艺简单易于制备、饱和功率大、动态范围大、响应度高的特点。
附图说明
图1为本发明实施例1的光电探测器阵列结构框图；
图2为本发明实施例1的一维条形非周期光栅示意图；
图3为本发明实施例1的二维柱状非周期光栅示意图；
图4为本发明实施例2的两个独立光电探测器的光电探测器阵列示意图；
图5为本发明实施例3的四个独立光电探测器的光电探测器阵列示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
图1示出了一种亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列包括具有光束分束功能的亚波长光栅，以及位于亚波长光栅上方的光电探测器组；所述亚波长光栅与光电探测器组间设有键合介质层4。
在本实施例中，混合集成光电探测器阵列中的键合介质层4可以是苯并环丁烯，聚酰亚胺，或任意可以在晶片键合工艺中作为键合介质的材料。
作为优选的，所述亚波长光栅包括依次层叠的硅衬底层1、氧化硅层2和光栅层3，亚波长光栅的硅衬底经过减薄抛光处理从而减少其与空气之间的反射损耗，在其上蒸镀减反射膜可以进一步降低反射损耗。氧化硅层2及光栅层3的厚度将根据所需光栅性能进行优选；光栅层3是在SOI晶片表层硅上利用电子束曝光制作掩模版、光刻及干法或湿法刻蚀工艺刻蚀表层硅制成。
在本实施例中，具体的，所述亚波长光栅层3为SOI晶体材料，所述SOI晶体材料表层上刻蚀有光栅图案，所述光栅图案包括若干一维条形非周期光栅或二维块状非周期光栅，如图2和图3所示，为本发明实施例中非周期亚波长光栅图案的示意图，图中2为一维条形非周期光栅，图中3为二维块状非周期光栅，其具体形式及各项参数(层厚、周期、占空比等)由所需的光栅分束性能决定，使得每个一维条形非周期光栅或二维块状非周期光栅可以将光栅一侧的单束入射光在光栅另一侧分为两束或多束出射光。
作为优选的，所述出射光的总分束数量与光电探测器组中的光电探测器11数量相同，所述光出射光与光栅平面法线之间角度的余切值等于光栅平面与光电探测器11P型接触电极10平面间的垂直距离除以光栅平面与光电探测器11中心之间的水平距离，这将使得分束后的光束可以准确地两次穿过光电探测器11的吸收层。光电探测器11的半绝缘衬底及亚波长光栅的硅衬底均经过减薄抛光处理；光电探测器11的半绝缘衬底经过减薄处理从而减小光束的传输损耗，其最终厚度应当由光电探测器阵列尺寸及分束光栅的分束角度确定，其经过抛光处理从而减少其与键合介质之间的反射损耗同时提高键合质量。
作为优选的，所述光电探测器组与键合介质层4间设有半绝缘衬底层5，所述半绝缘衬底层5上设有若干光电探测器11；所述光电探测器11N型接触层上蒸镀有N型接触电极6，P型接触层上蒸镀有P型接触电极10。
作为优选的，所述光电探测器11通过半导体外延工艺制得，所述光电探测器11表层覆盖有绝缘钝化层7，所述绝缘钝化层7上开孔并蒸镀有与N型接触层上接触的接地大电极8，所述绝缘钝化层7上开孔并蒸镀有与P型接触层上接触的信号大电极9。从而达到将各光电探测器11的光生电流信号在大电极处叠加的效果。
在本实施例中，光电探测器组由两个或数个在外延结构上相互独立的光电探测器11组成，对光电探测器组中的光电探测器11的类型不做限制，所述光电探测器11包括PIN光电探测器、单行载流子光电探测器或雪崩光电探测器，光电探测器组中的光电探测器11之间通过化学刻蚀至半绝缘衬底从而达到相互隔离。如图1所示，单个光电探测器11的结构为垂直耦合型光电探测器11，其P型接触层上铺满P型接触电极10，入射方向为衬底入光，其光路如图1中所示，从光栅层3被分束并入射至光电探测器11将被P型接触电极10反射再次经过光电探测器11的吸收层实现二次吸收；且被亚波长分束光栅分束的分束是斜入射至光电探测器11吸收层，实际上增加了光电探测器11的吸收长度；通过两种效应的结合使得本实施例中所述的光电探测器组中的光电探测器相比普通垂直耦合型光电探测器拥有较高的响应度与量子效率。
作为优选的，所述光端光电探测器组中各光电探测器之间通过化学刻蚀至半绝缘衬底相互隔离，探测器阵列中的个光电探测器11的N型、P型接触电极10分别相连通。
本发明实施例中所述混合集成光电探测器组中的各独立光电探测器11的个N型接触电极6及各P型接触电极10通过在整片晶片上覆盖的聚酰亚胺或二氧化硅钝化层上及开孔中蒸镀的大电极分别相互连通。
实施例2
图4为具有两个独立光电探测器11的光电探测器组，可通过P型接触电极10上方蒸镀的信号大电极9将各个独立光电探测器11产生的电信号叠加以实现本发明的目的。
实施例3
图5给出了具有四个独立光探测器的光电探测器组，同样将信号大电极9将各个独立光电探测器11连接在一起。
本申请提出一种亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列，包括具有光束分束功能的亚波长光栅，以及位于亚波长光栅上方的光电探测器组；所述亚波长光栅与光电探测器组间设有键合介质层4；在处理大功率、高速、高动态范围的入射光信号时，其包含的高性能亚波长分束光栅将该光信号分为多束功率较小、动态范围较小的光信号并分别由光电探测器阵列中的各分布式光电探测器进行光电转换，各光电探测器产生的电信号在大电极处叠加从而还原原注入信号。本方案克服了单个光电探测器无法处理过大功率及过大动态范围的光信号的弊端，也克服了传统光电探测器阵列耦合方式及制备工艺复杂的缺点，相较于前两者具有工艺简单易于制备、饱和功率大、动态范围大、响应度高的特点。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列，其特征在于，包括具有光束分束功能的亚波长光栅，以及位于亚波长光栅上方的光电探测器组；所述亚波长光栅与光电探测器组间设有键合介质层；
所述光电探测器阵列应用于模拟光纤链路中；
所述光电探测器组包括多个光电探测器；所述光电探测器N型接触层上蒸镀有N型接触电极，P型接触层上蒸镀有P型接触电极；所述光电探测器组中各个光电探测器的N型、P型接触电极分别相连通；
所述亚波长光栅包括依次层叠的硅衬底层、氧化硅层和光栅层；
所述光栅层为SOI结构的顶层硅晶体材料，所述SOI结构表层上刻蚀有光栅图案，所述光栅图案包括多个一维条形非周期光栅或二维块状非周期光栅；
每个所述一维条形非周期光栅或二维块状非周期光栅用于接收入射光并将入射光分成多束出射光；所述入射光为大功率、高速、高动态范围的光信号；所述出射光为小功率、低动态范围的光信号；
所述出射光的总分束数量与光电探测器组中的光电探测器数量相同且一一对应，并由对应光电探测器进行光电转换，所述出射光与光栅平面法线之间角度的余切值等于光栅平面与光电探测器P型接触电极平面间的垂直距离除以光电探测器中心和光电探测器组中心的水平距离。
2.根据权利要求1所述的亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列，其特征在于，所述光电探测器组与键合介质层间设有半绝缘衬底层，所述多个光电探测器设置在所述半绝缘衬底层上。
3.根据权利要求2所述的亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列，其特征在于，所述光电探测器通过半导体外延工艺制得，所述光电探测器表层覆盖有绝缘钝化层，所述绝缘钝化层上开孔并蒸镀有与N型接触层上接触的接地大电极，所述绝缘钝化层上开孔并蒸镀有与P型接触层上接触的信号大电极。
4.根据权利要求1所述的亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列，其特征在于，所述光电探测器包括PIN光电探测器、单行载流子光电探测器或雪崩光电探测器中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列，其特征在于，所述光电探测器采用垂直耦合的光耦合方式，其入光方向为衬底入光。
6.根据权利要求3所述的亚波长分束光栅混合集成光电探测器阵列，其特征在于，所述光电探测器组中各光电探测器之间通过化学刻蚀至半绝缘衬底相互隔离。
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