CN113555454A - 一种光探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光探测器，自上而下包括光反射单元、光探测单元和滤波单元，光反射单元的中心、光探测单元的中心与滤波单元的中心位于同一直线上，光反射单元、光探测单元以及滤波单元关于直线镜像对称，光反射单元包含对称斜反射结构，对称斜反射结构的反射率不小于预设反射率，对称斜反射结构的斜反射角度不小于预设角度，光探测单元包含光吸收层，滤波单元包含第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜平行相对放置。本发明通过多次吸收增强效应和独立的滤波选择特性，极大缓解了量子效率、响应速度和光谱线宽三者之间的相互制约关系，实现易集成、超窄光谱线宽、大调谐范围、高量子效率和高响应速度等特性。

Description

一种光探测器
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种光探测器。
背景技术
随着信息时代的不断发展，高速大容量的数据传输成为人们不断追求的目标。由于光通信系统和网络的变革进步往往取决于器件在材料、工艺和结构上的发展，因而，在面对日益增长的高速大容量光通信业务需求时，有效提高光通信系统中关键光电子器件的性能将成为一种行之有效的途径。随着各种性能优异的光学功能器件不断涌现，不断推动光电子学向微型化、集成化发展。
在光通信系统中，高速高量子效率的光探测器是其中的一种关键光电子器件，起着不可或缺的作用。在大容量的密集波分复用光传输系统中，光探测器具有较窄的光谱线宽意味着更大的传输容量。传统的光探测器受其固有的效率带宽积的限制，频率响应带宽的提高是要以牺牲量子效率为前提的。为解决这一矛盾，谐振腔增强型(RCE)光探测器应运而生。它的基本结构是将吸收层插入到谐振腔中，利用谐振腔的增强效应，可以在减薄吸收层厚度的情况下，保证较高的量子效率，与此同时，响应速度也将有较大的提高。但由于光探测器的光吸收作用，会使RCE光探测器的光谱线宽展宽，通常大于20nm，使其难以直接应用于密集波分复用系统中。
综上，目前亟需一种光探测器，能够缓解量子效率、频率响应速度和光谱线宽三者之间的相互制约关系，用于解决上述现有技术存在的问题。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出一种光探测器。
第一方面，本发明实施例提供了一种光探测器，自上而下包括：光反射单元、光探测单元和滤波单元；所述光反射单元的中心、所述光探测单元的中心与所述滤波单元的中心位于同一直线上；
所述光反射单元、所述光探测单元以及所述滤波单元关于所述直线镜像对称；
所述光反射单元包含对称斜反射结构，所述对称斜反射结构的反射率不小于预设反射率，所述对称斜反射结构的斜反射角度不小于预设角度；
所述光探测单元包含光吸收层；
所述滤波单元包含第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜和所述第二反射镜平行相对放置。
进一步地，所述对称斜反射结构包含第一亚波长光栅和第二亚波长光栅；
所述第一亚波长光栅、所述第二亚波长光栅关于所述直线镜像对称；
所述第一亚波长光栅、所述第二亚波长光栅分别由多种不同材料的光栅条或光栅块组成；
所述光栅条或所述光栅块的几何结构参数由所述预设反射率和所述预设角度确定。
进一步地，所述亚波长光栅由磷化铟和空气组成。
进一步地，所述预设角度为3度，所述预设反射率为97％，所述光栅条或所述光栅块的厚度为0.5μm。
进一步地，所述亚波长光栅为一维、二维或三维的非周期亚波长光栅。
进一步地，所述光探测单元为垂直型光探测结构，所述光探测单元还包含多个半导体层；
所述多个半导体层的堆叠方向与待测入射光方向平行。
进一步地，所述光探测单元还包含2个半导体层；所述光吸收层的材料为砷化镓铟；2个半导体层的材料均为磷化铟。
进一步地，所述滤波单元还包含调谐电极；
所述第一反射镜和所述第二反射镜均由两种不同折射率的材料交替排列组成；所述第一反射镜与所述第二反射镜之间为滤波腔；
所述滤波单元的谐振中心波长由所述第一反射镜与所述第二反射镜之间的距离、所述滤波腔的腔层材料的折射率确定；所述腔层材料的折射率由所述调谐电极调节。
进一步地，所述光探测单元包含M个光探测区域；M由所述预设角度、所述光反射单元与所述第二反射镜之间的真空等效距离确定；
所述光吸收层根据所述待测入射光入射时所在的光探测区域确定对所述待测入射光吸收的次数为4M次。
第二方面，本发明提供一种终端设备，包括如上述第一方面所述的光探测器。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的光探测器通过多次吸收增强效应和独立的滤波选择特性极大缓解了量子效率、响应速度和光谱线宽三者之间的相互制约关系，实现易集成、超窄光谱线宽、大调谐范围、高量子效率和高响应速度等特性。
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，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明提供的光探测器的结构示意图；
图2为本发明提供的光探测器的光反射单元的结构示意图；
图3为本发明提供的光探测器的光反射单元实现对称斜反射示意图；
图4为本发明提供的光探测器的光探测单元的结构示意图；
图5为本发明提供的光探测器的滤波单元的结构示意图；
图6为本发明提供的光探测器的滤波单元的反射率图；
图7为本发明提供的光探测器的区域1的等效镜像原理示意图；
图8为本发明提供的光探测器的示意图；
图9为本发明提供的光探测器的光谱响应的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
首先，对本申请中的部分用语进行解释说明，以便使本领域技术人员理解。
量子效率：是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数，它是在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。
谱线宽度：是指光谱曲线最大强度的一半处所对应的两个波长之差，定义为该光谱的谱线的宽度，也称作半宽度。
亚波长光栅：由于结构周期小于入射波长,对入射光只存在零级反射和衍射,因此具有很高的反射效率,是一种性能很好的反射镜。
法布里-珀罗谐振腔：即平行平面腔，是光学谐振腔的一种，由两个平行平面反射镜组成。
谐振腔增强型光探测器：将光吸收层内置于谐振腔中，利用谐振腔的谐振来增强光的吸收的一种光探测器结构。
图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种光探测器的结构，如图1所示，自上而下的，1为光反射单元，2为光探测单元、3为滤波单元。
光反射单元1的中心、光探测单元2的中心与滤波单元3的中心位于同一直线上，光反射单元1、光探测单元2以及滤波单元3关于该直线镜像对称。
光反射单元1包含对称斜反射结构。
进一步地，对称斜反射结构的反射率不小于预设反射率，对称斜反射结构的斜反射角度不小于预设角度。
光探测单元2包含光吸收层。
滤波单元3包含第一反射镜和第二反射镜。
进一步地，第一反射镜和第二反射镜平行相对放置。
本发明实施例中，光探测单元2中的光吸收层处于吸收腔，第一反射镜和第二反射镜之间为滤波腔，光探测器整体构成垂直型三镜两腔型结构。
进一步地，图2为光探测器光反射单元1的结构示意图。光反射单元1共由两部分101以及102组成。具体的，对称斜反射结构包含第一亚波长光栅101和第二亚波长光栅102。
进一步地，第一亚波长光栅101、第二亚波长光栅102关于上述直线镜像对称。
第一亚波长光栅101、第二亚波长光栅102分别由多种不同材料的光栅条或光栅块组成，光栅条或光栅块的几何结构参数由预设反射率和预设角度确定。
进一步地，亚波长光栅由两种或两种以上的高折射率差的材料组成，由光栅条或者光栅块按维度分布排列构成。光栅条或光栅块的厚度、周期和占空比等几何结构参数由预设反射率和预设角度确定。
在一种可能的实施方式中，高折射率差的两种材料为磷化铟和空气。
需要说明的是，高折射率差的材料还可以为其它半导体材料，比如硅和二氧化硅等，本发明实施例对此不做具体限定。
如图3所示，第一亚波长光栅101和第二亚波长光栅102可等效为两个对称斜置的平面反射镜，构成一个对称的屋脊状反射面。
进一步地，反射面与水平面夹角的角度为斜反射角度的一半。也就是说，光栅设计的斜反射角度为θ，可以等效为倾角为θ/2的平面反射镜。
上述方案，通过采用平面化的亚波长光栅作为光反射单元的对称斜反射镜在获得高反射率的同时实现平面化集成。
需要说明的是，亚波长光栅还可以为其他高反射率的反射镜，从而构成对称屋脊状反射面的结构，本发明实施例对此不做具体限定。
在一种可能的实施方式中，预设角度为3度，预设反射率为97％，光栅条或光栅块的厚度为0.5μm。
进一步地，亚波长光栅为一维、二维或三维的非周期亚波长光栅。
具体的，一维光栅为不同周期和占空比的光栅条在一维方向上随位置特定排列的亚波长光栅；二维光栅为不同周期和占空比的光栅块在二维方向所决定的平面内随位置特定分布的亚波长光栅；三维光栅是在二维非周期亚波长光栅的基础上，光栅块的高度随位置改变的光栅。
进一步的，为了更好的解释上述实施例，图4为光探测器光探测单元2的结构示意图。
本发明实施例中，光探测单元2为垂直型光探测结构，光探测单元还包含多个半导体层，多个半导体层的堆叠方向与待测入射光方向平行。
如图4所示，光探测单元2包含半导体层401、光吸收层404、半导体层405、第一电极402以及第二电极403。
其中，光吸收层404的材料为砷化镓铟；半导体层401和半导体层405的材料均为磷化铟。
在一种可能的实施方式中，光吸收层404厚度为400nm。
本发明实施例中，在3V反向偏压下，3dB带宽可达50.2GHz。
需要说明的是，光探测单元2可以为p-i-n、单行载流子(Uni-Traveling-Carrier,UTC)、部分耗尽吸收(Partially Depleted Absorber,PDA)或雪崩光电二极管(Avalanchephotodiode,APD)等垂直型光探测结构，本发明实施例对此不做具体限定。
进一步的，图5为光探测器滤波单元3的结构示意图。
具体的，滤波单元3还包含调谐电极501；
第一反射镜502和第二反射镜503均由两种不同折射率的材料交替排列组成；
本发明实施例中，滤波单元3的第一反射镜与第二反射镜之间为滤波腔。
滤波单元3的谐振中心波长由第一反射镜与第二反射镜之间的距离、滤波腔的腔层材料的折射率确定；腔层材料的折射率由所述调谐电极调节。
进一步地，谐振中心波长由法布里-珀罗腔的真空等效腔长确定。其中，真空等效腔长为第一反射镜502和第二反射镜503之间的距离乘以腔层材料的折射率。
在一种可能的实施方式中，第一反射镜502和第二反射镜503均由3对四分之一波长的磷化铟和空气交替排列组成。
需要说明的是，磷化铟的折射率为3.167，空气的折射率为1。
上述方案，第一反射镜和第二反射镜由折射率高低交替的介质材料构成，能够在较宽光谱范围内实现高反射特性。
需要说明的是，第一反射镜和第二反射镜也可以由其他具有高反射特性的反射镜代替，本发明实施例对此不做具体限定。
本发明实施例中，第一反射镜和第二反射镜之间的滤波腔的腔层由介质材料填充，比如磷化铟，其两端镀有调谐电极501，可以改变腔层介质材料的折射率。滤波腔的谐振条件是其真空等效腔长为半波长的整数倍。
在一种可能的实施方式中，滤波腔的真空等效腔长为2个波长。
需要说明的是，本发明实施例中的滤波单元3具有波长选择功能，在中心波长处具有接近于1的峰值透射率，且具有较小的光谱线宽。同时，在入射光以小角度斜入射时，滤波单元3将对入射光具有高反射特性，此时，滤波单元3等效为平面反射镜。
基于此，当入射光垂直入射到光探测器中，经由滤波单元3滤波后，进入到光探测单元2被第一次吸收。然后入射到对称斜反射结构，被斜反射到光探测单元2被第二次吸收。再然后以斜入射回滤波单元3，被再次反射回光探测单元2。
本申请实施例中，在第二反射镜503和对称斜反射结构之间的吸收腔内，入射光被多次往复吸收。由于对称斜反射结构的对称结构，入射光最终仍会从滤波单元3出射。
上述方案，把滤波单元作为一个反射镜，与对称斜反射结构按照实际光程路径进行相互镜像，可以得到垂直出射的等效光路。
进一步地，如图6所示，本发明实施例中的滤波单元3可以实现良好的波长选择特性。
从图上可以看出，光探测器的光谱线宽为0.12nm。在1550nm波长的入射光的斜入射下，滤波单元3在大于3°入射角时实现大于97％的反射率，可以将其视为平面反射镜。
本发明实施例中，如图7所示，为滤波单元3和屋脊状平面反射镜相互镜像对称形成等效法布里-珀罗谐振腔的区域1的原理图。
需要说明的是，可以通过同样的方式得到其他区域的等效图。
本申请实施例中，各区域的等效法布里-珀罗谐振腔内均有光探测单元2的多次镜像，构成了典型的谐振腔增强型光探测器结构，即本发明结构可等效为多区域的谐振腔增强型光探测器结构，如图8所示。
进一步地，本发明实施例由于在中心波长处，滤波腔的反射率为0，等效法布里-珀罗谐振腔并不谐振，使得并无谐振增强效应，因此每个区域的光探测器可视为无界面反射的光探测器。但是由于光探测单元2也参与了多次镜像的过程，形成了多个光探测单元2的镜像，可等效为存在多个光探测单元，对应于实际光路中多次经过光探测单元2，被多次吸收。因此，在不增加吸收层厚度而保持较高带宽的前提下，通过增加吸收层对入射光的吸收次数让光探测器在吸收层很薄的情况下也能获得很高的量子效率，可以达到接近于1的量子效率。
本发明实施例中，光探测单元包含M个光探测区域；M由预设角度、光反射单元与第二反射镜之间的真空等效距离确定。
进一步地。光吸收层根据待测入射光入射时所在的光探测区域确定对待测入射光吸收的次数为4M次。
上述方案，通过多次吸收增强效应和独立的滤波选择特性极大缓解了量子效率、响应速度和光谱线宽三者之间的相互制约关系，实现易集成、超窄光谱线宽、大调谐范围、高量子效率和高响应速度等特性，能够广泛应用于光通信及光信号处理领域。
进一步地，如图9所示，为本发明实施例的光谱响应图。从图上可以看出，本发明实施例在1550nm中心波长处达到了95％的量子效率和0.12nm的光谱线宽。
本发明实施例中，通过调谐滤波单元3的腔层折射率，可以改变其中心波长，在保证量子效率大于80％的前提下，本发明实施例实现了28nm即1536nm至1564nm的大调谐范围。
本发明实施例中，通过滤波腔和屋脊状平面反射镜相互镜像对称形成等效法布里珀罗谐振腔，缓解了量子效率、响应速度和光谱线宽三者之间的相互制约关系。
具体的，本发明实施例利用对称斜反射结构打破了平行镜面造成的吸收腔和滤波腔之间的耦合问题。通过对斜反射结构和吸收层之间角度的合理设计，当入射光通过滤波腔滤波之后，可以在吸收腔之间多次反射并被吸收层充分吸收，而不会返回到滤波腔中。
上述方案，通过对吸收腔与滤波腔之间的解耦解决了在RCE光探测器中高量子效率和窄光谱线宽难以同时满足的问题。
此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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 (10)

1.一种光探测器，其特征在于，自上而下包括：光反射单元、光探测单元和滤波单元；所述光反射单元的中心、所述光探测单元的中心与所述滤波单元的中心位于同一直线上；
所述光反射单元、所述光探测单元以及所述滤波单元关于所述直线镜像对称；
所述光反射单元包含对称斜反射结构，所述对称斜反射结构的反射率不小于预设反射率，所述对称斜反射结构的斜反射角度不小于预设角度；
所述光探测单元包含光吸收层；
所述滤波单元包含第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜和所述第二反射镜平行相对放置。
2.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述对称斜反射结构包含第一亚波长光栅和第二亚波长光栅；
所述第一亚波长光栅、所述第二亚波长光栅关于所述直线镜像对称；
所述第一亚波长光栅、所述第二亚波长光栅分别由多种不同材料的光栅条或光栅块组成；
所述光栅条或所述光栅块的几何结构参数由所述预设反射率和所述预设角度确定。
3.根据权利要求2所述的光探测器，其特征在于，所述亚波长光栅由磷化铟和空气组成。
4.根据权利要求2所述的光探测器，其特征在于，所述预设角度为3度，所述预设反射率为97％，所述光栅条或所述光栅块的厚度为0.5μm。
5.根据权利要求2所述的光探测器，其特征在于，所述亚波长光栅为一维、二维或三维的非周期亚波长光栅。
6.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述光探测单元为垂直型光探测结构，所述光探测单元还包含多个半导体层；
所述多个半导体层的堆叠方向与待测入射光方向平行。
7.根据权利要求6所述的光探测器，其特征在于，所述光探测单元还包含2个半导体层；所述光吸收层的材料为砷化镓铟；2个半导体层的材料均为磷化铟。
8.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述滤波单元还包含调谐电极；
所述第一反射镜和所述第二反射镜均由两种不同折射率的材料交替排列组成；所述第一反射镜与所述第二反射镜之间为滤波腔；
所述滤波单元的谐振中心波长由所述第一反射镜与所述第二反射镜之间的距离、所述滤波腔的腔层材料的折射率确定；所述腔层材料的折射率由所述调谐电极调节。
9.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述光探测单元包含M个光探测区域；M由所述预设角度、所述光反射单元与所述第二反射镜之间的真空等效距离确定；
所述光吸收层根据所述待测入射光入射时所在的光探测区域确定对所述待测入射光吸收的次数为4M次。
10.一种终端设备，其特征在于，包括根据权利要求1至9任一项所述的光探测器。
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