CN109616532B - 基于硅基锗光电探测器的光电探测方法和系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅基锗光电探测器的光电探测方法和系统及设备。其中，所述硅基锗光电探测器包括光波导层、硅氧化层、锗氧化层、第一电极、第二电极、第三电极，该第一电极与该第二电极之间形成的电场用于对第一耦合区域的其中一束光进行耦合，该第三电极与该第二电极之间形成的电场用于对第二耦合区域的其中另一束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。通过上述方式，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种基于硅基锗光电探测器的光电探测方法和系统及设备。
背景技术
近年来，随着物联网的迅猛发展，光纤通信系统作为物联网的重要依托，其发展受到更多的重视。在长途骨干网领域，随着光传输技术的成熟和发展，世界范围内出现了干线传输网络的建设热潮，传输带宽、传输容量快速发展。
随着光纤通信系统的发展，光器件的发展也同样面临着机遇和挑战，如何开发出性能优良、价格低廉的光器件已经成为人们所面临的首要问题。硅基光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。Si(硅)材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优势，硅基光电子集成技术应运而生。作为硅基光电集成技术中的重要的代表元件之一的光电探测器，它的作用就是把入射的光信号转化为电信号，以便后续的信号处理电路进行分析。硅基锗光电探测器经过十几年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高。
近年来，在学术界和工业界的持续创新努力下，各种高性能指标的波导集成的硅基锗光电探测器不断被提出，部分指标已经达到了商用三五族探测器的水平。
在硅基锗光电探测器中，主要有空间入射、端面耦合、倏逝波耦合三种方式。对于集成的光电系统来讲，光信号主要在集成芯片内通过波导进行传播，因此无需进行空间入射。端面耦合由于工艺的限制，对于入射光的反射较大。因此，目前硅基锗光电探测器中硅波导中的信号光主要通过倏逝波耦合到锗吸收层中。根据倏逝波在传输的过程中呈现出在硅/锗材料中来回周期性耦合的特性，这会引起锗吸收层中光功率的分布严重的不均匀，呈现出较大的梯度，这会引起载流子屏蔽效应。载流子屏蔽效应会降低光电探测器的带宽。此外，传统入射结构的光电探测器光功率的分布不均匀会降低器件的饱和特性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于硅基锗光电探测器的光电探测方法和系统及设备，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
根据本发明的一个方面，提供一种硅基锗光电探测器，包括：
光波导层、硅氧化层、锗氧化层、第一电极、第二电极、第三电极；
所述硅氧化层包括第一部分硅氧化层和第二部分硅氧化层，所述第二部分硅氧化层设置于所述光波导层之上，所述第一部分硅氧化层由所述第二部分硅氧化层向外延伸，所述锗氧化层设置于所述第二部分硅氧化层之上，所述第二电极设置于所述锗氧化层之上，所述第一电极和所述第三电极设置于所述光波导层之上，所述第一电极与所述第二电极平行且间隔设置，所述第三电极与所述第二电极平行且间隔设置，所述第一电极和所述第三电极分别设置于所述第二电极两侧；
所述第一电极与所述第二电极之间的间隔区域形成第一耦合区域，所述第三电极与所述第二电极之间的间隔区域形成第二耦合区域；
所述光波导层，用于接收经过第一部分硅氧化层的两束光的光信号并对所述两束光的光信号的传播方向进行引导，将其中一束光的传播方向引导至所述第一耦合区域，将其中另一束光的传播方向引导至所述第二耦合区域；其中，所述两束光为对入射光经功率分束后的两束光；
所述第一电极与所述第二电极之间形成的电场用于对所述第一耦合区域的其中一束光进行耦合，所述第三电极与所述第二电极之间形成的电场用于对所述第二耦合区域的其中另一束光进行耦合，使所述两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
其中，所述光波导层的构成材料是硅基材料。
其中，所述硅氧化层的构成材料是二氧化硅。
其中，所述锗氧化层的构成材料是二氧化锗。
其中，所述第一电极和所述第二电极和所述第三电极是相同的电极。
其中，所述第一电极和所述第二电极和所述第三电极间距平行设置。
其中，所述两束光的功率相同。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于硅基锗光电探测器的光电探测方法，所述硅基锗光电探测器包括上述任意一项所述的硅基锗光电探测器，包括：
dB分束器在硅基波导的输入端将入射光的功率分束为两束光，将所述两束光同时入射到所述硅基锗光电探测器；
所述硅基锗光电探测器对所述两束光进行耦合，使所述两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
根据本发明的又一个方面，提供一种基于硅基锗光电探测器的光电探测系统，包括：
dB分束器、硅基锗光电探测器；
所述dB分束器，用于在硅基波导的输入端将入射光的功率分束为两束光，将所述两束光同时入射到硅基锗光电探测器；
所述硅基锗光电探测器，用于对所述两束光进行耦合，使所述两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
其中，所述硅基锗光电探测器包括上述任意一项所述的硅基锗光电探测器。
可以发现，以上方案，硅基锗光电探测器中的第一电极与该第二电极之间形成的电场可以用于对第一耦合区域的其中一束光进行耦合，第三电极与第二电极之间形成的电场可以用于对第二耦合区域的其中另一束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
进一步的，以上方案，硅基锗光电探测器中的光波导层的构成材料可以是硅基材料，可以与互补金属氧化物半导体工艺兼容，成本更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明硅基锗光电探测器一实施例的结构示意图；
图2是本发明基于硅基锗光电探测器的光电探测方法一实施例的流程示意图；
图3是本发明基于硅基锗光电探测器的光电探测系统一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种硅基锗光电探测器，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
请参见图1，图1是本发明硅基锗光电探测器一实施例的结构示意图。本实施例中，该硅基锗光电探测器包括光波导层11、硅氧化层12、锗氧化层13、第一电极14、第二电极15、第三电极16。
该硅氧化层12包括第一部分硅氧化层121和第二部分硅氧化层122，该第二部分硅氧化层122设置于该光波导层11之上，该第一部分硅氧化层121由该第二部分硅氧化层122向外延伸，该锗氧化层13设置于该第二部分硅氧化层122之上，该第二电极15设置于该该锗氧化层13之上，该第一电极14和该第三电极16设置于该光波导层11之上，该第一电极14与该第二电极15平行且间隔设置，该第三电极16与该第二电极15平行且间隔设置，该第一电极14和该第三电极16分别设置于该第二电极15两侧。
该第一电极14与该第二电极15之间的间隔区域形成第一耦合区域101，该第三电极16与该第二电极15之间的间隔区域形成第二耦合区域102。
该光波导层11，用于接收经过第一部分硅氧化层121的两束光的光信号并对该两束光的光信号的传播方向进行引导，将其中一束光的传播方向引导至该第一耦合区域101，将其中另一束光的传播方向引导至该第二耦合区域102；其中，该两束光为对入射光经功率分束后的两束光。
该第一电极14与该第二电极15之间形成的电场用于对该第一耦合区域101的其中一束光进行耦合，该第三电极16与该第二电极15之间形成的电场用于对该第二耦合区域102的其中另一束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
可选地，该光波导层11的构成材料可以是硅基材料，与CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容，成本更低，本发明不加以限定。
可选地，该硅氧化层12的构成材料可以是二氧化硅，当然也可以是其他任意适用的化合物半导体材料，本发明不加以限定。
可选地，该锗氧化层13的构成材料可以是二氧化锗，当然也可以是其他任意适用的化合物半导体材料，本发明不加以限定。
可选地，该第一电极14和该第二电极15和该第三电极16可以是相同的电极。
可选地，该第一电极14和该第二电极15和该第三电极16可以等间距平行设置。
可选地，该两束光的功率可以相同，也可以不相同，本发明不加以限定。
在本实施例中，该光波导层11的几何形状可以是任意的，可以根据器件的实际应用选择对应的几何形状，比如片形、条形或脊形等波导结构，本发明不加以限定。
可以发现，在本实施例中，硅基锗光电探测器中的第一电极与该第二电极之间形成的电场可以用于对第一耦合区域的其中一束光进行耦合，第三电极与第二电极之间形成的电场可以用于对第二耦合区域的其中另一束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
进一步的，在本实施例中，硅基锗光电探测器中的光波导层的构成材料可以是硅基材料，可以与互补金属氧化物半导体工艺兼容，成本更低。
本发明还提供一种基于硅基锗光电探测器的光电探测方法，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
请参见图2，图2是本发明基于硅基锗光电探测器的光电探测方法一实施例的流程示意图。本实施例中，该硅基锗光电探测器为上述实施例中的硅基锗光电探测器。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图2所示的流程顺序为限。如图2所示，该方法包括如下步骤：
S201：3dB分束器在硅基波导的输入端将入射光的功率分束为两束光，将该两束光同时入射到硅基锗光电探测器。
S202：硅基锗光电探测器对该两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
可以发现，在本实施例中，3dB分束器可以在硅基波导的输入端将入射光的功率分束为两束光，将该两束光同时入射到硅基锗光电探测器，硅基锗光电探测器可以对该两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
本发明又提供一种基于硅基锗光电探测器的光电探测系统，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
请参见图3，图3是本发明基于硅基锗光电探测器的光电探测系统一实施例的结构示意图。本实施例中，该硅基锗光电探测器30包括3dB分束器31、硅基锗光电探测器32。
该3dB分束器31，用于在硅基波导的输入端将入射光的功率分束为两束光，将该两束光同时入射到硅基锗光电探测器。
该硅基锗光电探测器32，用于对该两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
可选地，该硅基锗光电探测器32可以是上述实施例中的硅基锗光电探测器。
可以发现，在本实施例中，3dB分束器可以在硅基波导的输入端将入射光的功率分束为两束光，将该两束光同时入射到硅基锗光电探测器，硅基锗光电探测器可以对该两束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
可以发现，以上方案，硅基锗光电探测器中的第一电极与该第二电极之间形成的电场可以用于对第一耦合区域的其中一束光进行耦合，第三电极与第二电极之间形成的电场可以用于对第二耦合区域的其中另一束光进行耦合，使该两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，能够实现硅基锗光电探测器能对入射光经功率分束后的两束光进行耦合，使该两束光经耦合后呈现出强弱相互叠加的态势，从而使硅基锗光电探测器中的光场分布更加均匀，提高硅基锗光电探测器的带宽、饱和特征以及可靠性。
进一步的，以上方案，硅基锗光电探测器中的光波导层的构成材料可以是硅基材料，可以与互补金属氧化物半导体工艺兼容，成本更低。
在本发明所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。
另外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种硅基锗光电探测器，其特征在于，包括：
光波导层、硅氧化层、锗氧化层、第一电极、第二电极、第三电极；
所述硅氧化层包括第一部分硅氧化层和第二部分硅氧化层，所述第二部分硅氧化层设置于所述光波导层之上，所述第一部分硅氧化层由所述第二部分硅氧化层向外延伸，所述锗氧化层设置于所述第二部分硅氧化层之上，所述第二电极设置于所述锗氧化层之上，所述第一电极和所述第三电极设置于所述光波导层之上，所述第一电极与所述第二电极平行且间隔设置，所述第三电极与所述第二电极平行且间隔设置，所述第一电极和所述第三电极分别设置于所述第二电极两侧；
所述第一电极与所述第二电极之间的间隔区域形成第一耦合区域，所述第三电极与所述第二电极之间的间隔区域形成第二耦合区域；
所述光波导层，用于接收经过第一部分硅氧化层的两束光的光信号并对所述两束光的光信号的传播方向进行引导，将其中一束光的传播方向引导至所述第一耦合区域，将其中另一束光的传播方向引导至所述第二耦合区域；其中，所述两束光为对入射光经功率分束后的两束光；
所述第一电极与所述第二电极之间形成的电场用于对所述第一耦合区域的其中一束光进行耦合，所述第三电极与所述第二电极之间形成的电场用于对所述第二耦合区域的其中另一束光进行耦合，使所述两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
2.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述光波导层的构成材料是硅基材料。
3.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述硅氧化层的构成材料是二氧化硅。
4.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述锗氧化层的构成材料是二氧化锗。
5.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极和所述第三电极是相同的电极。
6.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极和所述第三电极间距平行设置。
7.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述两束光的功率相同。
8.一种基于硅基锗光电探测器的光电探测方法，所述硅基锗光电探测器包括如权利要求1至7任意一项所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，包括：
dB分束器在硅基波导的输入端将入射光的功率分束为两束光，将所述两束光同时入射到所述硅基锗光电探测器；
所述硅基锗光电探测器对所述两束光进行耦合，使所述两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
9.一种基于硅基锗光电探测器的光电探测系统，其特征在于，包括：
dB分束器、硅基锗光电探测器；其中，所述硅基锗光电探测器包括如权利要求1至7任意一项所述的硅基锗光电探测器；
所述dB分束器，用于在硅基波导的输入端将入射光的功率分束为两束光，将所述两束光同时入射到硅基锗光电探测器；
所述硅基锗光电探测器，用于对所述两束光进行耦合，使所述两束光经分别耦合后呈现出强弱相互叠加的态势。
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