CN114823940A - 斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器，包括InP基底和InP基底上的覆盖层、置于覆盖层上的脊波导和两个地电极，两个地电极水平放置在覆盖层上并关于脊波导对称，脊波导从下到上依次包括波导层、收集层、耗尽层、吸收层和阻挡层，信号电极层位于脊波导的阻挡层上，波导探测器的横截面呈“凸”字型；光倾斜一定角度从波导层端面入射，最后传播到吸收层被吸收产生光电流。本发明改善了一般光波导探测器的光电流分布不均匀的问题，针对不同的波导结构，可以调整不同的入射倾角使其达到光电流均匀分布，采用斜入射式的方法，可以不再受超模匹配严苛条件的限制，调整合适的角度最终达到光电流分布均匀。

Description

斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器
技术领域
本发明属于微波光子领域，特别涉及一种斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器。
背景技术
光电探测器是一种光与物质相互作用的光电子器件，通过将入射到器件上的光信号转变成微波射频信号，从而实现光电信号之间的转换。在微波光子领域中，模拟光电探测器是不可或缺的器件之一，其性能对整个微波光子系统起着决定性作用。探测器的带宽影响着通信系统的传输容量，而高饱和输出功率制约了信号的传输距离。因此设计并制备大带宽、高饱和输出功率的光电探测器至关重要。然而光电探测器本身固有的物理特性又限制着既满足大带宽，又满足高饱和输出功率的要求。如探测器带宽受到载流子渡越时间和RC时间常数限制，响应度又受到波导长度等影响，但增大波导长度会使结电容增大导致RC时间常数增大，从而减小了带宽，因此难以同时实现大带宽和高饱和功率输出。
对于PIN光电探测器明显存在着两个问题：第一，在高光强注入下，耗尽区的光生空穴引起的空间电荷效应会限制器件饱和电流的输出。第二，由于PIN光电探测器的光入射方式采用的是垂直入射，因此光被本征层吸收产生的光生电子的运动方向与光传播方向相同，要增大光电流输出(即量子效率)就意味着必须增加本征层厚度，但增加本征层厚度的同时也会增大光生电子的渡越时间，从而导致器件响应速度下降，带宽减小。为解决上述问题，又提出了单行载流子光电探测器(Uni-traveling-Carrier Photodiode，UTC-PD)，UTC-PD只采用电子作为有源载流子，电子的输运决定了整个器件的响应时间，由于电子的运动速度远高于空穴运动速度，因此电子可以快速通过耗尽区，使空间电荷效应得到抑制，同时又获得了较高的带宽和较大的饱和输出功率。
随着微波光子系统的发展，对带宽和输出功率的要求也越来越高。随之提出波导探测器(Waveguide Photodetector，WGPD)，光从波导前端入射，光的传播方向与光生载流子的渡越方向相互垂直，克服了一般光电探测器中量子效率和带宽之间的矛盾。但波导探测器同样也存在着以下问题：光在沿垂直于端面的波导中传输，入射光会被前端波导层上方的吸收层迅速吸收，光电流在波导前端饱和，在末端趋近于零，导致光电流分布不均匀，呈指数形式衰减，光耦合损耗大，且当波导前端光电流很强时，可能会导致波导前端因功率过高而烧毁。为了解决波导探测器光电流分布不均匀且耦合损耗大的问题，提出了方向耦合波导探测器(Directional Coupling Waveguide Photodetector，DCPD)，如图1所示，两个水平放置的波导，光从没有吸收层的波导A端面入射，入射光沿着波导A一边传播一边向着带有吸收层的波导B耦合，一开始入射光功率主要集中在波导A中，由于耦合效应，波导B中的光功率很小，因此吸收层中的光功率也很小，产生的光电流也很小。随着光在耦合器中的传播，越来越多的光从波导A耦合到波导B中，由于波导B中的吸收层对光有吸收作用，因此总光功率会有所下降。所以在方向耦合器后端光电流不会迅速衰减，而是在一定波导长度内分布较均匀。然而在这种结构中，两波导之间的空气间隙会对耦合长度和吸收长度有较大的影响，空气间隙发生变化时，会导致光电流分布不均匀。与此同时，在实际制作过程中光刻腐蚀加工也难以保证其精度控制。
为解决这个问题，提出了一种垂直方向耦合波导探测器(Vertical DirectionalCoupling Waveguide Photodetector，VDCPD)，其结构如图2所示，VDCPD的两个波导在垂直方向上平行放置，上波导和下波导之间嵌入一层低折射率的薄膜耦合层。光从下波导端面入射，在传播过程中逐渐从下波导耦合到上波导，最后被吸收层吸收产生光电流。在该结构中，当光的耦合长度等于吸收长度时，即满足超模匹配条件时，光电流沿光电探测器均匀分布，光电流极值从波导前端移到了波导中间段，结果如图3所示，图中，photo current为光电流，waveguide distance为波导长度，super mode matched为超模匹配。在垂直方向耦合波导探测器中，入射光在两波导之间的耦合是两个超模相互干涉的结果。正是由于两个超模的干涉作用，探测器中的光电流不再呈指数分布。在垂直耦合波导光电探测器中，当耦合长度、0阶超模吸收长度以及1阶超模吸收长度相等时，即Lc＝L1＝L2，光电流分布最为均匀，即为超模匹配条件。与DCPD相比，VDCPD的有如下优点：
(1)改变上下波导的厚度即可调整0阶超模和1阶超模的吸收长度；
(2)改变耦合层的厚度就可以调整0阶超模和1阶超模间的耦合长度；
(3)从光纤输出并入射到下波导的激光束，更多地耦合到零阶超模和一阶超模中，因而有更低的耦合损耗；
(4)输出光电流对入射光束的偏振角度不敏感。
虽然可以巧妙的设计波导结构使其在满足超模匹配条件，使光电流不在呈指数形式衰减，光电流极值可以调整到波导中间段，并且分布较均匀，但是这种超模匹配条件即为苛刻，很难实现。
与此同时，将光从光纤直接耦合进入到波导探测器也一直是一个很大的难题。由于一般的波导探测器的横截面尺寸相对于单模光纤的纤芯尺寸较小，想要将光耦合进入波导往往需要借助其他条件，比如高精度光纤耦合平台、模式转换器等。对于高精度光纤耦合平台，这种器件价格昂贵，同时需要操作人员拥有丰富的经验。对于模式转换器虽然可以提高光从光纤到探测器的耦合效率，但这需要结合不同的探测器设计专门的模式转换器，以及在制作过程中相对繁琐。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器，实现了可以将光纤与波导探测器直接耦合，同时克服了垂直方向耦合波导探测器的严苛超模匹配条件，实现将光电流极值从波导前端调整到波导中间段，解决波导前端光功率过大造成前端烧毁，以及光电流分布不均匀的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器，包括InP基底和InP基底上的覆盖层、置于覆盖层上的脊波导和两个地电极，两个地电极水平放置在覆盖层上并关于脊波导对称，脊波导从下到上依次包括波导层、收集层、耗尽层、吸收层和阻挡层，信号电极层位于脊波导的阻挡层上，波导探测器的横截面呈“凸”字型；
光倾斜一定角度从波导层端面入射，最后传播到吸收层被吸收产生光电流。
进一步地，所述脊波导的宽度为9μm，波导层的厚度为9μm，因此波导层横截面为9×9μm2，与单模光纤纤芯截面尺寸匹配；探测器的长度为200μm。
本发明的有益效果是：本发明的斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器有助于提高光纤到波导探测器的光耦合效率，以及改善了一般光波导探测器的光电流分布不均匀的问题。针对不同的波导结构，可以调整不同的入射倾角使其达到光电流均匀分布。相对于垂直方向耦合光波导探测器必须调整波导结构使其满足超模匹配条件才能使光电流分布均匀的缺点，本发明采用斜入射式的方法，可以不再受超模匹配严苛条件的限制，调整合适的角度最终达到光电流分布均匀。
附图说明
图1为水平方向耦合光波导探测器；
图2为垂直方向耦合光波导探测器；
图3为不同条件下波导探测器光电流分布图；
图4为大横截面尺寸光波导探测器；
图5为波导倾斜入射示意图；
图6为波导横截面折射率分布图；
图7为归一化功率等值线图；
图8为不同折射角度的波导探测器归一化光功率分布；
图9为不同折射角度的波导探测器光电流分布。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图4所示，本发明的一种斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器，包括InP基底和InP基底上的覆盖层、置于覆盖层上的脊波导和两个地电极，两个地电极水平放置在覆盖层上并关于脊波导对称，脊波导从下到上依次包括波导层、收集层、耗尽层、吸收层和阻挡层，信号电极层位于脊波导的阻挡层上，波导探测器的横截面呈“凸”字型；
光倾斜一定角度从波导层端面入射，最后传播到吸收层被吸收产生光电流。
进一步地，所述脊波导的宽度为9μm，波导层的厚度为9μm，因此波导层横截面为9×9μm2，与单模光纤纤芯截面尺寸匹配；探测器的长度为200μm。工作波长为1.55μm，吸收层材料为InGaAs，波导层材料为InGaAsP，基底材料为InP，金属电极材料为金。首先列出了一些一种光电流分布均匀的斜入射式光波导探测器的基本理论参数，其用到的材料折射率以及各层厚度如表1和表2所示。
表1波导探测器材料及结构参数
Figure BDA0003623220240000041
表2探测器结构参数
参数 t<sub>buf</sub> t<sub>wave</sub> t<sub>col</sub> t<sub>space</sub> t<sub>abs</sub> t<sub>block</sub> t<sub>electrode</sub> W<sub>ridge</sub> L<sub>PD</sub>
数值 0.2μm 9μm 0.2μm 0.04μm 0.1μm 0.8μm 0.1μm 9μm 200μm
制作过程：在InP基底上根据表1数据，依次生长InP应力缓冲层至P_contact金属接触层，在生长过程中使用离子注入技术对每层进行相应掺杂，由此得到波导外延层基片；紧接着使用光刻技术刻蚀出9μm宽脊波导，光刻深度刻蚀至N_contact金属接触层；之后对波导进行电极制作，在制作过程中如果金属电极过厚可能会造成金属电极脱落，过薄会造成欧姆接触较差，可能会形成肖特基势垒影响性能，因此根据大量实验所得经验，本发明中确定金属电极厚度为0.1μm。
本发明的工作原理为：光从光纤出射耦合进入到探测器波导前端，波导层的端面尺寸与光纤尺寸匹配，因此可以实现良好的对接耦合。由于采用斜入射的方式，根据折射定律，光在波导中可以传播至P型掺杂的吸收层，如图5所示，光在此处被吸收产生光生载流子，同时对探测器施加反向偏压，在反向偏压的作用下形成光电流。光在传播过程中，在无吸收或无损耗的情况下，总光功率保持不变；在有吸收层的情况下，总光功率受到吸收衰减的影响，入射光在吸收层中被吸收，不断地产生电信号，电信号在传播过程中又不断被光信号产生的电信号加强，如果探测器特征阻抗与负载阻抗相匹配时，即在负载端无反射，探测器可以获得最大功率输出。
以下对本发明的进行试验：
通过BeamProp软件对上述结构进行模拟仿真，入射光采用高斯入射光束，入射光从波导层端面倾斜入射，当折射角β＝4°时(相应的入射角α＝13°)，波导的折射率分布图和归一化功率图分别如图6和图7所示。在图7中，左图表示光斜入射时(折射角β＝4°)波导探测器内部光场沿z方向(波导长度方向)的变化，可以看到倾斜入射的光会传播到吸收层被吸收。右图表示光功率的变化，图中，Monitor Value指代归一化光功率；pathway monitor是在仿真中设置的监视器，需要看那一层的光功率，就在哪相应的设置。在波导长度为0时，从左往右第一条曲线代表波导总功率的变化，第二条曲线代表波导层中的功率，第三条曲线代表波导层以上的功率变化。光在传播过程中逐渐被吸收层吸收，使得波导内总功率整体呈现衰减趋势。
调整光入射角度，可以得到相应不同的折射角度，根据BeamProp仿真得到的总功率数据，绘制不同折射角度的波导探测器归一化光功率图如图8所示，之后将光功率对传播方向z求导可得光电流分布，结果如图9所示，可以看到光电流不再呈指数衰减分布，而是随波导长度均匀分布。与此同时，在不同的折射角度下(入射角不同)，光电流的分布也有所区别，对于此波导探测器结构而言，在折射角为4°时(相应入射角为13°)，光电流分布最好。因此将入射光采用倾斜入射的方式可以获得较好的均匀分布的光电流，与垂直方向耦合光波导探测器要满足严苛超模匹配条件相比，采用斜入射式的光波导探测器更容易实现。
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 (2)

1.斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器，其特征在于，包括InP基底和InP基底上的覆盖层、置于覆盖层上的脊波导和两个地电极，两个地电极水平放置在覆盖层上并关于脊波导对称，脊波导从下到上依次包括波导层、收集层、耗尽层、吸收层和阻挡层，信号电极层位于脊波导的阻挡层上，波导探测器的横截面呈“凸”字型；
光倾斜一定角度从波导层端面入射，最后传播到吸收层被吸收产生光电流。
2.根据权利要求1所述的斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器，其特征在于，所述脊波导的宽度为9μm，波导层的厚度为9μm，因此波导层横截面为9×9μm2，与单模光纤纤芯截面尺寸匹配；探测器的长度为200μm。
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