CN106972070A - 高饱和集成波导探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种高饱和集成波导探测器，本发明在传统集成波导探测器的基础上，加入导光波导，从导光波导一端入光，通过耦合方式进入探测器中，由于导光波导中的光是慢慢耦合过去的，这便可以抑制探测器吸收区空间电荷屏蔽现象，从而避免功率过大的信号光导致探测器光电流饱和；导光波导与上波导层之间的首尾两端的间距可调，从而优化耦合的效率，同时可以使导光波导前端间距较大，后端间距较小，来抑制前端峰值，更加有效提高探测器的光电流饱和度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体探测器领域，尤其涉及一种高饱和集成波导探测器。
背景技术
硅光子学以硅为主体材料，在其之上设计研究各类光学器件，实现光的发射，传输，接收等功能，并最终实现全硅的光电集成。硅基光互联中一个重要的组成部分就是高性能的硅基探测器。作为高速光通讯的基本组件，通讯波段光电探测器在过去几十年里已经取得了很大的突破，3dB带宽已经突破了100GHz，可以满足现今光通讯网络的各个层次的需求。随着光通讯网络的逐步健全和光通讯性能的稳步提高，高频已经不仅是唯一的指标，高线性、高饱和功率、大饱和输出光电流、大动态范围成为光互连系统的主要性能指标。
限制光电探测器饱和输出光电流的最重要物理因素为空间电荷屏蔽效应、串联电阻分压作用和热效应。光电探测器在大电流情况下，空间电荷区内电场强度重新分布，当输入光功率达到一定值后，空间电荷屏蔽效应会非常强烈，极大地削弱外加电压的作用，从而使得输出光电流会出现饱和。
定向耦合器在耦合光时，光是慢慢耦合到另一波导上的。利用定向耦合器可以将大功率的光慢慢耦合到波导探测器上，可以避免光功率过大而引起空间电荷屏蔽效应，从而提高光电流的饱和度。同时可以将定向耦合器前段的gap设计大些，后端的gap设计小些，从而避免前端的峰值吸收。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成波导探测器，其能有效提高波导探测器的饱和光电流。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种高饱和集成波导探测器，其包括上波导层和下波导层，所述上波导层包括层叠设置的N型掺杂层和Si晶体层，下波导层包括P型掺杂层和硅衬底，所述Si晶体层和P型掺杂层表面相互接触，N型掺杂层和P型掺杂层表面分别设置有金属电极，还包括一导光波导，所述导光波导与上波导层相互耦合。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述导光波导与上波导层呈条状，相互处于同一水平面内。更进一步优选的，定义靠近导光波导光输入部位的一端为前端，远离导光波导光输入部位的一端为后端，前端与上波导层之间的间距大于后端。再优选的，所述上波导层与导光波导之耦合面上各点所接收到的功率相等。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述导光波导采用的导波材料包括锗、硅、氧化硅或Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述金属电极材料包括Al、Au、Ni或Ti。
本发明的高饱和集成波导探测器相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明在传统集成波导探测器的基础上，加入导光波导，从导光波导一端入光，通过耦合方式进入探测器中，由于导光波导中的光是慢慢耦合过去的，这便可以抑制探测器吸收区空间电荷屏蔽现象，从而避免功率过大的信号光导致探测器光电流饱和；
(2)导光波导与上波导层之间的首尾两端的间距可调，从而优化耦合的效率，同时可以使导光波导前端间距较大，后端间距较小，来抑制前端峰值，更加有效提高探测器的光电流饱和度。
附图说明
图1为本发明的高饱和集成波导探测器之导光波导与上波导层部分的结构示意图；
图2为本发明的高饱和集成波导探测器之上波导层和下波导层部分的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明的高饱和集成波导探测器，其包括传统集成波导探测器和导光波导4两部分，其中导光波导4输入光，并与传统集成波导探测器耦合。
其中，如图2所示，传统集成波导探测器上波导层1和下波导层2，所述上波导层1包括层叠设置的N型掺杂层11和Si晶体层12，下波导层2包括P型掺杂层21和硅衬底22，所述Si晶体层12和P型掺杂层21表面相互接触，N型掺杂层11和P型掺杂层21表面分别设置有金属电极3。其中，所述传统集成波导探测器可采用Ⅲ-Ⅴ族探测器、锗硅探测器等硅基波导型探测器。具体的，所述金属电极3采用势垒低、粘附性好、导电率高的金属材料，具体可采用Al、Au、Ni或Ti。
如图1所示，导光波导4与上波导层1相互耦合。如此，导光波导4慢慢将光耦合到上波导层1，抑制高功率信号光引起的空间电荷屏蔽效应，实现波导探测器高饱和特性。具体的，所述导光波导4与上波导层1呈条状，相互处于同一水平面内。如此，可通过调节二者之间的间距，从而控制耦合的效率。具体的，定义靠近导光波导4光输入部位的一端为前端，远离导光波导4光输入部位的一端为后端，前端与上波导层1之间的间距大于后端。如此，防止上波导层1前端的峰值吸收引起电荷空间屏蔽效应，从而提高饱和功率。具体的，所述上波导层1与导光波导4之耦合面上各点所接收到的功率相等。具体的，所述导光波导4采用的导波材料包括锗、硅、氧化硅或Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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)
1.一种高饱和集成波导探测器，其包括上波导层(1)和下波导层(2)，所述上波导层(1)包括层叠设置的N型掺杂层(11)和Si晶体层(12)，下波导层(2)包括P型掺杂层(21)和硅衬底(22)，所述Si晶体层(12)和P型掺杂层(21)表面相互接触，N型掺杂层(11)和P型掺杂层(21)表面分别设置有金属电极(3)，其特征在于：还包括一导光波导(4)，所述导光波导(4)与上波导层(1)相互耦合。
2.如权利要求1所述的高饱和集成波导探测器，其特征在于：所述导光波导(4)与上波导层(1)呈条状，相互处于同一水平面内。
3.如权利要求2所述的高饱和集成波导探测器，其特征在于：定义靠近导光波导(4)光输入部位的一端为前端，远离导光波导(4)光输入部位的一端为后端，前端与上波导层(1)之间的间距大于后端。
4.如权利要求3所述的高饱和集成波导探测器，其特征在于：所述上波导层(1)与导光波导(4)之耦合面上各点所接收到的功率相等。
5.如权利要求1所述的高饱和集成波导探测器，其特征在于：所述导光波导(4)采用的导波材料包括锗、硅、氧化硅或Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。
6.如权利要求1所述的高饱和集成波导探测器，其特征在于：所述金属电极(3)材料包括Al、Au、Ni或Ti。
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