CN106842421A - 一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器，包括从下往上依次设置的衬底层(1)、波导层(2)、吸收层(3)以及覆盖层(4)；波导层(2)由左波导(21)、中波导(22)和右波导(23)并排构成，左波导(21)和右波导(23)结构相同且呈对称分布设置。本发明解决了现有的方向耦合波导探测器、垂直方向耦合波导探测器以及对称结构的垂直方向耦合器波导探测器横截面过小，因而入射光斑过小的问题，使入射光斑直径可从原来的3微米增加到5微米，从而增加了探测器的光电流，并有效增加了从光纤到波导的光耦合效率。

Description

一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器的设计。
背景技术
大功率高速光电探测器是一种基于光与物质相互作用探测器件，其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)，如图1所示，左边为水平方向耦合波导探测器，右边为垂直方向耦合波导探测器。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。
但是，在实现高速大功率的需求上，DCPD和VDCPD都存在一定的问题，对于DCPD而言，它的两个波导之间是通过一层深而窄的空气间隙进行耦合的，这种深而窄的空气间隙在现有加工条件下是很难加工的。而对于VDCPD而言，虽然解决了DCPD加工上的问题，但它无法实现大横截面结构，以至于在实际的测试中很难实现光纤到波导的耦合。并且，对于DCPD和VDCPD而言，其工作模式为基超模和一阶超模，如图2所示为VDCPD入射光模式，由于光从下波导入射，所以能量主要集中在下波导，即0到3微米处。随着光在VDCPD内的传播，能量逐渐耦合到基超模和一阶超模上去，如图3所示，其中虚线为基超模，实线为一阶超模，从图3中可以看出，基超模和一阶超模的叠加可以近似等于入射光场分布，说明VDCPD主要工作在基超模和一阶超模。由于其主要工作是在低阶模式，则高阶模式的激发将使波导发热，这是不希望得到的。因此，为了使波导主要激发低阶模式，则其横截面不能做的太大，即VDCPD无法实现大横截面结构，很难实现光纤到波导的耦合。
为了进一步增大垂直方向耦合波导探测器的光电流，余学才教授在2015年提出了一种对称结构的垂直方向耦合器波导探测器，该探测器由于有两层吸收层，光在波导两侧吸收，可以进一步提高光电流。并且，对称结构的波导探测器可以增加垂直方向耦合光波导探测器中基超模和一阶超模的激励，减少高阶模的激励，以减少波导发热的问题。这是因为入射光功率分配到基超模和一阶超模中的比例决定于基超模和一阶超模线性迭加后与入射圆形光斑有多相似，相似性越高，入射光耦合到两个超模中的比例越高。对称结构的波导探测器基模和一阶模的线性叠加可以更好地还原入射光模式。但是对称结构的垂直方向耦合波导探测器通常都有一个很深的波导脊(几乎都在10微米以上)，如此深的波导脊在现有加工条件下是很难加工的，使得对该结构的实现还有待加工工艺的优化。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述DCPD、VDCPD以及对称结构的垂直方向耦合器波导探测器横截面过小，因而入射光斑过小的问题，提出了一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器。
本发明的技术方案为：一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器，包括从下往上依次设置的衬底层、波导层、吸收层以及覆盖层；
波导层由左波导、中波导和右波导并排构成，左波导和右波导结构相同且呈对称分布设置；
吸收层包括第一吸收层和第二吸收层，第一吸收层放置于左波导上，第二吸收层放置于右波导上；
覆盖层包括第一覆盖层和第二覆盖层，第一覆盖层覆盖于第一吸收层顶上，第二覆盖层覆盖于第二吸收层顶上。
优选地，中波导的表面中心位置有一入射光区域，光由入射光区域入射进波导层，在波导层内向前传播的同时被吸收层吸收。
优选地，衬底层的材料为InP，折射率为3.14。
优选地，波导层的材料为InGaAsP，折射率为3.3，厚度为5μm。
优选地，吸收层的材料为InGaAs，折射率为3.56-0.1i，厚度为0.12μm。
优选地，覆盖层的材料为InP，厚度为0.8μm。
优选地，左波导、中波导和右波导的宽度均为5μm，波导层的总宽度为15μm。
优选地，波导层底端与衬底层接触的部位设置有覆盖过渡层，用于限制光功率泄漏到空气中，降低能量损耗。
优选地，覆盖过渡层的厚度为0.5μm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有两个吸收层，可以增大光吸收的比例，提高探测器的响应度和光电流。
(2)本发明由于波导层结构对称，基超模与二阶超模线性叠加后与入射光斑的相似性很高，使得波导中任意位置处的模式在基超模和二阶超模叠加组合时就能实现较好的还原，而不需要或者较少的引入高阶波导模式的修正，光功率更多的耦合到基超模和二阶超模上去。
(3)本发明可以做成大横截面结构，既可以方便入射光从光纤到波导的耦合，又可以减小因光斑汇聚导致的波导前端局部过热，从而避免波导前端被烧毁的风险。
(4)现有的垂直方向耦合波导探测器由两个波导层在垂直方向堆叠而成，这样不可避免的使得所要加工的波导脊较高(约7μm)且很窄(3μm)，现有工艺条件虽然可以加工如此高的波导脊，但很难保证波导的完整性和形状。而本发明中的几个波导在水平方向堆叠，使得波导脊既不会太高也不会太窄，这样的波导相比垂直方向耦合波导探测器的波导就很好加工。
附图说明
图1为现有的方向耦合波导探测器结构示意图。
图2为现有的VDCPD的入射光模式示意图。
图3为现有的VDCPD基超模和一阶超模示意图。
图4为本发明提供的一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器结构示意图。
图5为本发明实施例一的水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器简化示意图。
图6为本发明实施例一的入射光斑模场分布示意图。
图7为本发明实施例一的基超模和二阶超模分布示意图。
图8为本发明实施例二的折射率分布图。
图9为本发明实施例二的仿真结果示意图。
图10为本发明实施例二的光电流分布示意图。
附图标记说明：1—衬底层、2—波导层、3—吸收层、4—覆盖层、5—入射光区域、6—覆盖过渡层；21—左波导、22—中波导、23—右波导；31—第一吸收层、32—第二吸收层；41—第一覆盖层、42—第二覆盖层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器，如图4所示，包括从下往上依次设置的衬底层1、波导层2、吸收层3以及覆盖层4。
其中，如图5所示，波导层2由左波导21、中波导22和右波导23并排构成，左波导21和右波导23结构相同且呈对称分布设置。吸收层3包括第一吸收层31和第二吸收层32，第一吸收层31放置于左波导21上，第二吸收层32放置于右波导23上。覆盖层4包括第一覆盖层41和第二覆盖层42，第一覆盖层41覆盖于第一吸收层31顶上，第二覆盖层42覆盖于第二吸收层32顶上。
中波导22的表面中心位置有一入射光区域5，光由入射光区域5入射进波导层2，在波导层2内向前传播的同时被吸收层3吸收。
波导层2底端与衬底层1接触的部位设置有覆盖过渡层6，用于限制光功率泄漏到空气中，降低能量损耗。
下面以一个具体实施例对本发明提供的一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器的工作原理及过程作详细介绍。
实施例一：
本发明实施例中，波导探测器工作波长为1.55μm，衬底层1的材料为InP，波导层2的材料为InGaAsP，吸收层3的材料为InGaAs，覆盖层4的材料为InP。
首先列出一些基本理论参数，波导探测器所用到的材料的折射率如表1所示，其各层厚度如表2所示，其中，左波导21、中波导22和右波导23的宽度均为5μm，波导层2的总宽度为15μm。覆盖过渡层6的厚度为0.5μm。
表1
波导材料 折射率
InP 3.14
InGaAsP 3.3
InGaAs 3.56-0.1i
表2
层 波导层 吸收层 覆盖层
厚度 5μm 0.12μm 0.8μm
运用有效折射率法分析对称结构的垂直方向耦合光波导探测器，其波导简化图如图5所示，建立如图5所示的坐标轴，首先将其等效成y方向的平板波导，求出图中五个区域各个波导的有效折射率NI、NII、NIII、NIV、NV；然后再等效成x方向的平板波导，最终求出整个对称结构水平方向耦合波导的有效折射率neff。根据已求得的波导的有效折射率，便可求出整个对称结构水平方向耦合波导的基模传播常数和一阶模传播常数，以验证该结构是否满足超模匹配条件。
光从中波导22(图5中区域III)入射，在波导内往z方向(垂直于xy平面的方向，同时也是波导的长度方向)传播，在传播过程中向左右两边波导(图5中区域II和IV)耦合，最后在左波导21和右波导23上方的吸收层3被吸收，完成光电转换。在传播过程中，光能量在中波导22和左波导21和右波导23中周期变化。左波导21和右波导23中的光功率最大时，中波导22中光功率最小，光功率周期性从中波导22耦合到左波导21和右波导23，由于吸收层3的存在，光在波导层2内传播过程中被吸收，波导层2内总光功率逐渐衰减。
入射光从中波导22处入射，其基模的模场分布如图6所示，由于光从中波导22处入射，所以入射光斑的能量主要汇聚在中波导22处，即图6中5到10μm处。随着光在波导内的耦合传播，光模场受到了波导形状的约束，能量更多的耦合到了水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器的基超模和二阶超模上去，如图7所示，图中虚线表示基超模，实线表示二阶超模。从图7中可以看出，基超模和二阶超模反对称，两者叠加后可以很好的还原入射光斑模式，说明水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器主要工作在基超模和二阶超模上。由于其工作模式为基超模和二阶超模(不像图1中探测器那样工作在基超模和一阶超模)，这样探测器的波导结构可以适当做大一些，可以解决波导耦合的问题；并且，该波导探测器的耦合方式为水平方向耦合，这就不会存在像垂直方向耦合波导探测器那样深而窄的波导脊，也方便了探测器的加工。
下面结合仿真数据，以一个具体实施例对本发明提供的一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器的技术效果作进一步介绍。
实施例二：
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。对于水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器，输入光照射在波导层2中间的端面上。得到的波导的折射率分布图和仿真结果图分别如图8和图9所示。
在图9仿真结果图中，左边方框图代表水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器内部光场分布沿z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，第二条曲线为中波导22中功率的变化，第三条曲线为左波导21和右波导23中功率的变化。由于吸收层3的存在，光在波导层2内传播被吸收层3吸收，使得波导层2内总光功率整体呈现衰减的趋势。
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求导得出的光电流分布图如图10所示。
根据图10的光电流分布图，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。图中波导长度显示的是从1000μm处开始是因为在BeamProp软件的仿真中，为了便于作图与观察，将波导图形的光入射端面放在了图纸靠中间的位置，即从1000μm处开始，波导长度为1000μm，这种做法对于仿真结果没有影响。
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 (9)

1.一种水平方向对称的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，包括从下往上依次设置的衬底层(1)、波导层(2)、吸收层(3)以及覆盖层(4)；
所述波导层(2)由左波导(21)、中波导(22)和右波导(23)并排构成，左波导(21)和右波导(23)结构相同且呈对称分布设置；
所述吸收层(3)包括第一吸收层(31)和第二吸收层(32)，第一吸收层(31)放置于左波导(21)上，第二吸收层(32)放置于右波导(23)上；
所述覆盖层(4)包括第一覆盖层(41)和第二覆盖层(42)，第一覆盖层(41)覆盖于第一吸收层(31)顶上，第二覆盖层(42)覆盖于第二吸收层(32)顶上。
2.根据权利要求1所述的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，所述中波导(22)的表面中心位置有一入射光区域(5)，光由入射光区域(5)入射进波导层(2)，在波导层(2)内向前传播的同时被吸收层(3)吸收。
3.根据权利要求1所述的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，所述衬底层(1)的材料为InP，折射率为3.14。
4.根据权利要求1所述的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，所述波导层(2)的材料为InGaAsP，折射率为3.3，厚度为5μm。
5.根据权利要求1所述的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，所述吸收层(3)的材料为InGaAs，折射率为3.56-0.1i，厚度为0.12μm。
6.根据权利要求1所述的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，所述覆盖层(4)的材料为InP，厚度为0.8μm。
7.根据权利要求1所述的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，所述左波导(21)、中波导(22)和右波导(23)的宽度均为5μm，波导层(2)的总宽度为15μm。
8.根据权利要求1-7任一所述的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，所述波导层(2)底端与衬底层(1)接触的部位设置有覆盖过渡层(6)，用于限制光功率泄漏到空气中，降低能量损耗。
9.根据权利要求8所述的高阶超模方向耦合波导探测器，其特征在于，所述覆盖过渡层(6)的厚度为0.5μm。
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