CN111413757B - 一种柱状透镜、柱状分束透镜、光探测器及光探测器阵列 - Google Patents

一种柱状透镜、柱状分束透镜、光探测器及光探测器阵列 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种柱状透镜、柱状分束透镜、光探测器及光探测器阵列，该柱状透镜包括：包括底层、氧化层和光栅层，所述柱状透镜为SOI结构，其中：所述氧化层设置在所述底层和所述光栅层之间；所述光栅层，用于对入射平行光进行相位调制，以使得透射光会聚成一条线状光斑；所述光栅层是由多种预设规格的方形光栅块按照预设排列顺序组成的，其中，每个方形光栅块的周期相同，相同预设规格的方形光栅块的长度和宽度相同，且每个方形光栅块的高度相同本发明实施例克服了传统柱状透镜体积大、不易制备及难于集成的缺点，具有易设计、体积小、易集成以及与CMOS工艺相兼容等优点，广泛应用于光显示和光通信系统，光探测器阵列实现大功率特性。

Description

一种柱状透镜、柱状分束透镜、光探测器及光探测器阵列
技术领域
本发明涉及光载无线通信技术领域，尤其涉及一种柱状透镜、柱状分束透镜、探测器及光探测器阵列。
背景技术
光栅是一种重要的光学元件，被广泛应用于显示、传感、精密仪器及通信系统当中，而亚波长光栅作为一种新型的微纳光栅结构，由于其易实现宽光谱范围的高反射特性，主要用于替代垂直腔表面发射激光器中的分布布拉格反射镜或其他集成光器件中的反射镜。此外，由于亚波长光栅优异的波前相位控制特性，可实现光束偏转、会聚、分束及偏振选择等功能，主要用于成像装置、滤波器和耦合器等，并与光探测器、激光器等微纳结构集成，实现多种新的功能。
传统的光学元件虽然能够很好的实现光束控制，但由于尺寸较大而难于实现集成，较小尺寸的透镜等元件，制备工艺复杂且难于控制，如何合理设计亚波长光栅的结构，用它替代传统的光学元件，例如，会聚透镜、柱状透镜、棱镜和高反射镜等，并将其与光探测器、激光器、光调制器集成，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化，目前还没有一种较好的方法。此外，在光探测器阵列的研究当中，光纤阵列式耦合成本高、结构复杂，且只适用于圆形结构的光探测器。
因此，现在亟需一种柱状透镜、柱状分束透镜、光探测器及光探测器阵列来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种柱状透镜、柱状分束透镜、光探测器及光探测器阵列。
第一方面，本发明实施例提供了一种柱状透镜，包括：底层、氧化层和光栅层，所述柱状透镜为SOI结构，其中：
所述氧化层设置在所述底层和所述光栅层之间；
所述光栅层，用于对入射光进行相位调制，以使得透射光会聚成一条线状光斑；所述光栅层是由多种预设规格的方形光栅块按照预设排列顺序组成的，所有预设规格的方形光栅块具有相同的周期和高度，且占空比不同。
进一步地，所述底层为硅衬底层，所述氧化层为二氧化硅氧化层，所述光栅层为硅亚波长光栅层。
进一步地，所述二氧化硅氧化层的厚度为0.323λ，所述硅亚波长光栅层的厚度为0.419λ，其中，λ表示入射光的波长。
进一步地，每个方形光栅块的周期为0.387λ，所述方形光栅块的占空比为20％至80％。
第二方面，本发明实施例提供了一种柱状分束透镜，所述柱状分束透镜包括多个第一方面所述的柱状透镜。
第三方面，本发明实施例提供了一种光探测器，所述光探测器包括第一方面所述的柱状透镜，其中：
所述柱状透镜的光栅层通过键合层集成在光探测器结构的下方，其中，所述光探测器的光耦合方式为垂直耦合，以使得入射光从所述柱状透镜的底层入光。
进一步地，所述光探测器为PIN光探测器、单行载流子光探测器或雪崩光探测器。
进一步地，所述键合层的材质为苯并环丁烯或聚酰亚胺。
第四方面，本发明实施例提供了一种光探测器阵列，所述光探测器阵列包括多个第三方面所述的光探测器，其中，所述光探测器的连接方式为并联。
在上述实施例的基础上，所述光探测器为PIN光探测器、单行载流子光探测器和雪崩光探测器中的一种或多种。
本发明实施例提供的一种柱状透镜、柱状分束透镜、光探测器及光探测器阵列，通过将多种预设规格的方形光栅块按照预设排列顺序进行组合，构建柱状透镜的光栅层，从而将入射光会聚成一条直线，克服了传统柱状透镜体积大、不易制备及难于集成的缺点，具有易设计、体积小、易集成以及与CMOS工艺相兼容等优点，可广泛应用于光显示和光通信系统中，并且，集成结构的光探测器具有更高的量子效率和灵敏度，光探测器阵列结构可实现大功率特性。
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介绍，显而易见，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的柱状透镜的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的柱状透镜的侧视示意图；
图3为本发明实施例提供的柱状透镜的俯视示意图；
图4为本发明实施例提供的柱状透镜的光路示意图；
图5为本发明实施例提供的柱状透镜的波阵面示意图；
图6为本发明实施例提供的柱状透镜的相位条件示意图；
图7为本发明实施例提供的柱状分束透镜的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的1×2柱状分束透镜的波阵面示意图；
图9为本发明实施例提供的1×2柱状分束透镜的相位条件示意图；
图10为本发明实施例提供的光探测器的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的光探测器的横截面及传输光路示意图；
图12为本发明实施例提供的光探测器阵列的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的光探测器阵列的顶部电极示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的柱状透镜的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种柱状透镜，包括底层101、氧化层102和光栅层103，所述柱状透镜为SOI结构，其中：
所述氧化层102设置在所述底层101和所述光栅层103之间；
所述光栅层103，用于对入射光进行相位调制，以使得透射光会聚成一条线状光斑；所述光栅层103是由多种预设规格的方形光栅块按照预设排列顺序组成的，所有预设规格的方形光栅块具有相同的周期和高度，且占空比不同。
在本发明实施例中，柱状透镜的结构为SOI(Silicon-On-Insulator)结构，即柱状透镜的底部为高折射率的衬底层，中间为低折射率的氧化层，顶部为高折射率的光栅层，需要说明的是，在实际应用中，任何可制备SOI结构的材料均可作为柱状透镜的制备材料。优选地，在本发明实施例中，所述底层101为硅衬底层，所述氧化层102为二氧化硅氧化层，所述光栅层103为硅亚波长光栅层。
进一步地，在上述实施例的基础上，图2为本发明实施例提供的柱状透镜的侧视示意图，可参考图2所示，硅衬底层的厚度l1为380μm左右，在实际应用中，可对硅衬底层进行适当的抛光和减薄；所述二氧化硅氧化层的厚度l2为0.323λ，所述硅亚波长光栅层的厚度为0.419λ，其中，λ表示入射光的波长。图3为本发明实施例提供的柱状透镜的俯视示意图，可参考图3所示，在本发明实施例中，光栅层103是由多种预设规格的方形光栅块(如图3的1031、1032和1033等)按照预设排列顺序组成的，其中，所有的方形光栅块具有相同的周期Λ，取值为0.387λ，且相同预设规格的方形光栅块的长度d1和宽度d2相同，即方形光栅块的上表面为正方形。
在本发明实施例中，可参考图2所示，所有方形光栅块具有相同的高度h，由于方形光栅块的高度确定了光栅层的厚度，方形光栅块的高度h即为光栅层的厚度，取值为0.419λ；进一步地，方形光栅块的占空比取值范围为20％至80％，以使得整个光栅层的理论透射率高于85％。
具体地，图4为本发明实施例提供的柱状透镜的光路示意图，可参考图4所示，在本发明实施例中，入射光经过柱状透镜时，柱状透镜的光栅层会对入射光进行相位调制，使得透射光会聚成一条直线，呈现为一条有宽度的线状光斑，称之为焦线。图5为本发明实施例提供的柱状透镜的波阵面示意图，可参考图4和5所示，透射光的波阵面为一圆柱面，进一步地，参考图5所示，可通过不同的观测角度获取波阵面的示意图；图6为本发明实施例提供的柱状透镜的相位条件示意图，可参考图6所示，为了使透射光会聚为一条直线，入射光在经过方形光栅块之后，柱状透镜不同位置处的方形光栅块需要满足相应的相位条件，具体地，在本发明实施例中，平面坐标x和y表示入射光的入射位置，纵坐标表示相位分布，即不同位置处入射光经光栅调制后相位的变化需要满足图6的要求，相位变化与光栅块尺寸一一对应，当相位确定了，即确定了光栅块的尺寸。在确定相位条件之后，通过电子束曝、显影、干法刻蚀和去胶等步骤，完成方形光栅块的制备。
本发明实施例提供的柱状透镜，通过将多种预设规格的方形光栅块按照预设排列顺序组合，构建柱状透镜的光栅层，从而将入射光会聚成一条直线，克服了传统柱状透镜及柱状透镜阵列体积大、不易制备及难于集成的缺点，具有易设计、体积小、易集成以及与CMOS工艺相兼容等优点，可广泛应用于光显示和光通信系统中。
图7为本发明实施例提供的柱状分束透镜的结构示意图，如图7所示，本发明实施例提供了一种柱状分束透镜，所述柱状分束透镜包括多个上述各实施例所述的柱状透镜。
在本发明实施例中，以1×2柱状分束透镜进行说明，可参考图7所示，该柱状分束透镜仍采用SOI结构，除了方形光栅块占空比选取不同，其余参数与上述各实施例相同。图8为本发明实施例提供的1×2柱状分束透镜的波阵面示意图，可参考图8所示，入射光经光栅调制之后，透射光将会聚成两条相互平行的直线，透射光的波阵面为两个相交的抛物柱面；图9为本发明实施例提供的1×2柱状分束透镜的相位条件示意图，可参考图9所示，为了使透射光会聚为一条直线，入射光在经过方形光栅块之后，柱状分束透镜不同位置处的方形光栅块需要满足相应的相位条件。需要说明的是，本发明实施例虽然给出的是1×2柱状分束透镜，但1×N柱状分束透镜原理与之类似，1×2柱状分束透镜仅为1×N柱状分束透镜的一种实施例。
本发明实施例提供的一种柱状分束透镜，通过将多种预设规格的方形光栅块按照预设排列顺序进行组合，构建柱状分束透镜的光栅层，从而将入射光会聚成一条直线，克服了传统柱状透镜阵列体积大、不易制备及难于集成的缺点，具有易设计、体积小、易集成以及与CMOS工艺相兼容等优点，可广泛应用于光显示和光通信系统中。
图10为本发明实施例提供的光探测器的结构示意图，如图10所示，本发明实施例提供了一种光探测器，所述光探测器包括上述各实施例所述的柱状透镜，其中：
所述柱状透镜的光栅层通过键合层集成在光探测器结构的下方，其中，所述光探测器的光耦合方式为垂直耦合，以使得入射光从所述柱状透镜的底层入光。
在本发明实施例中，将上述各实施例的柱状透镜集成在光探测器中，具体地，图11为本发明实施例提供的光探测器的横截面及传输光路示意图，可参考图11所示，在本发明实施例中，该光探测器的柱状透镜参数与上述各实施例的柱状透镜参数相同，该光探测器的光栅层将入射光会聚为一条直线，焦距等于光栅上表面至光探测器吸收层的距离。其中，在图11中，各附图标记分别为：柱状透镜SOI结构的光栅衬底层21、柱状透镜SOI结构中的氧化层22、柱状透镜SOI结构的光栅层23、光栅层23和光探测器衬底25之间的键合层24、光探测器衬底25、钝化材料26、N电极27、P电极28和光探测器单元29。
具体地，本发明实施例提供的光探测器制备在半绝缘的衬底上，利用化学刻蚀制作N型与P型台面，并制备接触电极，再涂覆聚酰亚胺等进行表面钝化，制备大电极。进一步地，该光探测器的衬底经过减薄和抛光之后，通过苯并环丁烯、聚酰亚胺或其他键合材料，将该光探测器的衬底与柱状透镜的光栅层进行键合。其中，该光探测器的表面覆盖有绝缘的钝化层，通过将该钝化层进行开孔，从而蒸镀大电极。
进一步地，可参考图11所示，垂直于光栅底面的入射光经光栅会聚后，聚焦在光探测器单元29的吸收层附近，再经P型接触电极28反射再次到达吸收层，由于光栅对光束的会聚及吸收层的二次吸收，使得光探测器外量子效率及灵敏度明显提升。此外，由于会聚光栅的存在，可减小光探测器吸收层的尺寸，从而提高探测器的响应度。
在上述实施例的基础上，所述光探测器为PIN光探测器、单行载流子光探测器或雪崩光探测器。
在上述实施例的基础上，所述键合层的材质为苯并环丁烯或聚酰亚胺。
本发明实施例提供的光探测器，集成在光探测器中的光栅柱状透镜，可将较大面积范围的入射光会聚于光探测器的吸收层附近，增加了光探测器吸收层的光子密度，提高了器件的量子效率和灵敏度，同时可减小光探测器的宽度，从而提高响应速度。
图12为本发明实施例提供的光探测器阵列的结构示意图，如图12所示，本发明实施例提供了一种光探测器阵列，所述光探测器阵列包括多个上述各实施例所述的光探测器，其中，所述光探测器的连接方式为并联。
在本发明实施例中，以1×2柱状光栅分束器(柱状分束透镜)集成的光探测器阵列进行说明，可参考图12所示，该光探测器阵列中柱状分束透镜的参数和上述各实施例中柱状分束透镜的参数相同，分束光斑间距与光探测器组中两个独立探测器间距相同，柱状分束透镜的焦距等于光栅上表面至光探测器吸收层的距离。在本发明实施例中，两个光探测器制备在同一衬底上，利用化学刻蚀使二者隔离，再涂覆聚酰亚胺等进行表面钝化，在对光探测器阵列的衬底进行减薄和抛光之后，将光探测器阵列与光栅柱状分束透镜用苯并环丁烯、聚酰亚胺或其他键合材料进行键合(可参考图11中单个光探测器的键合层)。图13为本发明实施例提供的光探测器阵列的顶部电极示意图，可参考图13所示，每个光探测器的N型接触电极31和P型接触电极32分别由各自的大电极相互连通，其中，在N型接触电极31和P型接触电极32之间为钝化层33。每个光探测器对接收到的光信号进行光电转换，然后将各光探测器生成的电信号通过电极叠加。需要说明的是，本发明实施例虽然给出的是1×2光探测器阵列，但1×N光探测器阵列原理与之类似，1×2光探测器阵列仅为1×N光探测器阵列的一种实施例，其中，可根据实际应用需求，将每个光探测器之间的间距设置为等间距或不等间距。另外，本发明实施例提供的光探测器阵列，其传输光路和上述实施例中单个光探测器的传输光路类似，在此不再赘述。
本发明实施例提供的光探测器阵列，提高了入射光子在光探测器有源区的密度，即提高了外量子效率，同时，由于每个探测器尺寸更小，使得光探测器阵列的响应速度提高，且解决了单个光探测器无法处理过大功率信号的缺点，也提高了光场的耦合效率，具有饱和功率大、响应度高、动态范围大和制备工艺简单等优点。
在上述实施例的基础上，所述光探测器为PIN光探测器、单行载流子光探测器和雪崩光探测器中的一种或多种。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种柱状透镜，其特征在于，包括底层、氧化层和光栅层，所述柱状透镜为SOI结构，其中：
所述氧化层设置在所述底层和所述光栅层之间；
所述光栅层，用于对入射光进行相位调制，以使得透射光会聚成一条线状光斑；所述光栅层是由多种预设规格的方形光栅块按照预设排列顺序组成的，所有预设规格的方形光栅块具有相同的周期和高度，且占空比不同；所述方形光栅块的上表面为正方形；
任一所述方形光栅块的周期为0.387l，所述方形光栅块的占空比为20％至80％，其中，λ表示入射光的波长；
所述方形光栅块的尺寸与所述柱状透镜的不同位置处的入射光经光栅调制后的相位变化一一对应。
2.根据权利要求1所述的柱状透镜，其特征在于，所述底层为硅衬底层，所述氧化层为二氧化硅氧化层，所述光栅层为硅亚波长光栅层。
3.根据权利要求2所述的柱状透镜，其特征在于，所述二氧化硅氧化层的厚度为0.323λ，所述硅亚波长光栅层的厚度为0.419λ。
4.一种柱状分束透镜，其特征在于，所述柱状分束透镜包括多个权利要求1至3任一项所述的柱状透镜。
5.一种光探测器，其特征在于，所述光探测器包括权利要求1至3任一项所述的柱状透镜，其中：
所述柱状透镜的光栅层通过键合层集成在光探测器结构的下方，其中，所述光探测器的光耦合方式为垂直耦合，以使得入射光从所述柱状透镜的底层入光；
所述光探测器包括：柱状透镜SOI结构的光栅衬底层、柱状透镜SOI结构中的氧化层、柱状透镜SOI结构的光栅层、光栅层和光探测器衬底之间的键合层、光探测器衬底、钝化材料、N电极、P电极和光探测器单元；所述光探测器的光栅层将入射光会聚为一条直线，所述光栅层的焦距等于光栅上表面至光探测器吸收层的距离。
6.根据权利要求5所述的光探测器，其特征在于，所述光探测器为PIN光探测器、单行载流子光探测器或雪崩光探测器。
7.根据权利要求5所述的光探测器，其特征在于，所述键合层的材质为苯并环丁烯或聚酰亚胺。
8.一种光探测器阵列，其特征在于，所述光探测器阵列包括多个权利要求5至7任一项所述的光探测器，其中，所述光探测器的连接方式为并联。
9.根据权利要求8所述的光探测器阵列，其特征在于，所述光探测器为PIN光探测器、单行载流子光探测器和雪崩光探测器中的一种或多种。
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