CN116913993A - 带有模式选择结构的光电探测器及光子芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有模式选择结构的光电探测器及光子芯片，涉及集成光学技术领域，其技术方案要点是：包括依次连接的入射波导、模斑转换器、探测部分；模斑转换器，用于保持多种模式的光耦合进入探测部分；探测部分，自下而上依次包括衬底层、模式选择结构、吸收层和电极层；模式选择结构，位于衬底层的表面，用于使多种模式的光依次耦合到吸收层，模式选择结构的折射率小于衬底层的折射率及吸收层的折射率，模式选择结构靠近入射波导一侧的端面的宽度大于模式选择结构远离入射波导一侧的端面的宽度，模式选择结构的宽度逐渐减小。其特点是将不同模式的光依次耦合进吸收层，提高吸收层光场均匀性和器件的线性度，同时保证器件具有较高的带宽。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，特别涉及一种带有模式选择结构的光电探测器及光子芯片。
背景技术
硅基光子芯片与标准半导体工艺兼容，具备成本低，集成度高的优点，在业界得到广泛使用。目前的波导型光电探测器主要采用矩形结构，光从波导一端入射，耦合进入吸收层，在有限长度内进行吸收，这样的结构在吸收区靠前部分光场较强，中后段的光场较弱，吸收层内产生的光生载流子在空间上分布不均匀，存在空间电荷效应，降低探测器的响应和带宽，因此，需要能够均匀光场的探测器结构。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种带有模式选择结构的光电探测器，其特点是将不同模式的光依次耦合进吸收层，提高吸收层光场均匀性和器件的线性度，同时保证器件具有较高的带宽。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带有模式选择结构的光电探测器，其特征在于，包括：依次连接的入射波导、模斑转换器、探测部分；其中，
入射波导，用于传输入射光；
模斑转换器，用于保持多种模式的光耦合进入探测部分；
探测部分，自下而上依次包括衬底层、模式选择结构、吸收层和电极层；其中，
衬底层，用于进行掺杂；
模式选择结构，位于衬底层的表面，用于使多种模式的光依次耦合到吸收层，模式选择结构的折射率小于衬底层的折射率及吸收层的折射率，模式选择结构靠近入射波导一侧的端面的宽度大于模式选择结构远离入射波导一侧的端面的宽度，模式选择结构的宽度逐渐减小；
吸收层，覆盖模式选择结构，用于产生光生载流子；
电极层，用于收集光生载流子。
优选地，模式选择结构的材料包括二氧化硅或氮化硅。
优选地，模式选择结构的形状包括锥形或梯形或多边形。
优选地，模式选择结构在宽度方向上的中垂面与模斑转换器在宽度方向上的中垂面对应设置。
优选地，吸收层在宽度方向上的中垂面与模式选择结构在宽度方向上的中垂面对应设置。
优选地，衬底层上设置有第一掺杂区，第一掺杂区由衬底层的顶面掺杂扩散至衬底层的内部形成；吸收层上设置有第二掺杂区，第一掺杂区由衬底层的顶面掺杂扩散至衬底层的内部形成。
优选地，电极层包括第一电极层和第二电极层；第一电极层包括第一子电极层和第二子电极层，第一子电极层和第二子电极层设置于第一掺杂区的表面，并且分别位于吸收层的两侧；第二电极层设置于第二掺杂区的表面。
优选地，衬底上间隔设置有第一掺杂区和第二掺杂区，第一掺杂区和第二掺杂区分别设置于吸收层的两侧，第一掺杂区及第二掺杂区均由衬底层的顶面掺杂扩散至衬底层的内部形成。
优选地，电极层包括第一电极层和第二电极层，第一电极层设置于第一掺杂区的表面，第二电极层设置于第二掺杂区的表面。
本发明的另一目的在于提供一种光子芯片，其特点是将不同模式的光依次耦合进吸收层，提高吸收层光场均匀性和器件的线性度，同时保证器件具有较高的带宽。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光子芯片，其特征在于，包括上述的一种光电探测器。
本发明的另一目的在于提供一种光模块，其特点是将不同模式的光依次耦合进吸收层，提高吸收层光场均匀性和器件的线性度，同时保证器件具有较高的带宽。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光模块，其特征在于，包括上述的一种光子芯片。
本发明的有益效果在于:本发明提供的一种带有模式选择结构的光电探测器，相比传统光电探测器而言，具有明显优势。本发明的光电探测器通过在吸收层中增设模式选择结构，使多种模式的光能够依次耦合进入模式选择结构两侧或尾端附近的吸收层中，避免了吸收层中光场集中在前部的问题，使吸收层中的光场更均匀，从而提高光电探测器的线性度。同时，本发明的光电探测器的器件的面积较小，使得器件的寄生参数减小，从而提高了器件的带宽。
附图说明
图1为本发明的光电探测器的俯视结构示意图；
图2为本发明的光电探测器的探测部分结构示意图；
图3为本发明的用于显示锥形模式转换结构的结构示意图；
图4为本发明的用于显示多边形模式转换结构的结构示意图；
图5为本发明的光电探测器的工作原理示意图；
图6为本发明的具体实施例1的俯视结构示意图；
图7为本发明的具体实施例1的探测部分结构示意图；
图8为本发明的具体实施例1的沿模斑转换器在宽度方向上的中垂面的剖视图；
图9为常规矩形光电探测器的光场仿真图；
图10为本发明的具体实施例1的光电探测器的光场仿真图；
图11为本发明的具体实施例2的俯视结构示意图；
图12为本发明的具体实施例2的探测部分结构示意图；
图13为本发明的具体实施例2的沿模斑转换器在宽度方向上的中垂面的剖视图。
附图标记：1、入射波导；2、模斑转换器；3、探测部分；31、衬底层；32、模式选择结构；33、吸收层；34、电极层；341、第一电极层；3411、第一子电极层；3412、第二子电极层；342、第二电极层；35、第一掺杂区；36、第二掺杂区。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
现有的波导型锗硅光电探测器主要采用以下方案实现：目前的光电探测器大多都是采用方形直波导结构，光从一端入射，经过方形直波导单次吸收后，耦合进入锗吸收层33，进行光电转换，锗吸收层33内产生的光生载流子在空间上分布不均匀。
针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种带有模式选择结构的光电探测器，如图1-2所示，该光电探测器包括依次连接的入射波导1、模斑转换器2、探测部分3，即入射波导1和探测部分3通过模斑转换器2连接。
其中，入射波导1用于传输入射光，模斑转换器2用于保持多种模式的光耦合进入探测部分3。入射波导1接收到的入射光的特征波长包括但不限于1310nm、1550nm等。
上述探测部分3，包括自下而上依次堆叠的衬底层31、模式选择结构32、吸收层33和电极层34。
其中，衬底层31，用于进行掺杂。衬底层31的材料包括锗、硅或其他三五族材料。
吸收层33，覆盖模式选择结构32，用于产生光生载流子。吸收层33的材料可以包括锗。
电极层34，用于收集光生载流子。
模式选择结构32，位于衬底层31的表面，用于使多种模式的光依次耦合到吸收层33，模式选择结构32的折射率小于衬底层31的折射率及吸收层33的折射率。模式选择结构32的靠近入射波导1一侧的端面的宽度大于模式选择结构32的远离入射波导1一侧的端面的宽度，模式选择结构32的宽度沿靠近入射波导一侧至远离入射波导一侧的方向逐渐减小；即模式选择结构32的宽度沿其长度方向逐渐减小。
作为一种可选的实施例，模式选择结构32靠近入射波导1一侧的宽度小于模斑转换器2远离入射波导一侧的宽度。
作为一种可选的实施例，模式选择结构32的长度小于吸收层33的长度。
以下分情况对模式选择结构32的工作原理和方式进行说明。
情况1：模式选择结构32采用的材料的折射率能够匹配高阶模式的光。根据一维光波导理论，只有有效折射率满足条件的光模式才能在波导中稳定传播。一方面，模式越高的光，其稳定传播所需的媒介的有效折射率越低。另一方面，波导的有效折射率随波导宽度变化而变化，在波导折射率固定的情况下，波导宽度越小，则越能够与低阶模式的光的有效折射率匹配。设置低折射率的模式选择结构32，使其在靠近入射波导1一侧具有较大的宽度，则高阶模式的光能够耦合进入模式选择结构32并通过模式选择结构32耦合进入吸收层33。在模式选择结构32的宽度减小后，较低阶模式的光能够耦合进入模式选择结构32并通过模式选择结构32耦合进入吸收层33。因此，设置模式选择结构32的宽度逐渐减小，以使多种模式的光沿模式选择结构32的长度方向依次耦合进入模式选择结构32并通过模式选择结构32耦合进入吸收层33，避免光集中在光吸收区靠近入射波导1的部分，增加了吸收层33内光场的均匀性，提高器件的线性度。
情况2：模式选择结构32的材料折射率无法匹配高阶模式的光。低折射率的模式选择结构32对光从其下方衬底层31耦合进入上方吸收层33有一定的抑制作用。由于在模斑转换器2的末端，即模斑转换器2远离入射波导1的一端，基模的光存在于宽度方向上的中心位置，高阶模式的光在宽度方向上是均匀分布的，因此，当多种模式的光耦合进入衬底层31时，基模的光在衬底层31宽度方向的中间位置传播，高阶模式的光在衬底层31的宽度方向上均匀传播。由于设置有模式选择结构32，模式选择结构32两侧的高阶模式的光能够直接接触到上方的吸收层33，会优先与吸收层33耦合。随着模式选择结构32的宽度逐渐减小，多种高阶模式的光可以在不同位置接触到上方的吸收层33，并依次耦合进入吸收层33。由于模式选择结构32的长度小于吸收层33的长度，基模的光最终也能够接触到上方的吸收层33，并最终完全耦合进入吸收层33。综上，模式选择结构32可以在空间上将耦合进入吸收层33的光场均匀化，增加吸收层33内光场的均匀性，提高器件的线性度。
上述两种情况可能在同一器件中同时存在，两种情况中模式选择结构32均能增加吸收层33内光场的均匀性，提高器件的线性度。同时，模式选择结构32嵌入衬底层31与吸收层33之间，因此器件的整体尺寸没有因为增设模式选择结构32而增加，对决定带宽的RC延迟和渡越时间影响不大，能够保证器件具有较高的带宽。再有，器件的有源区的面积得以减小，以垂直型的光电探测器为例，即在光电探测器的吸收层33上设置有电极，嵌入的模式选择结构32能够占用的一定的吸收层空间，使得器件有源区的面积减小，从而减小器件的寄生参数，提高器件的带宽。相比传统矩形锗硅探测器，具有明显优势。
图5中的箭头用于示意光的传播方向，其中，粗箭头用于示意基模的光的传播方向，细箭头用于示意多种高阶模式的光的传递方向。该光电探测器的工作原理为：如图5所示，入射光先进入入射波导1中，然后从入射波导1耦合传播到模斑转换器2内，在模斑转换器2远离入射波导1的一段，基模的光信号沿模斑转换器2中部传播进入衬底层31，多种高阶模式的光信号依次耦合进入模式转换结构，并通过模式转换结构耦合进入两侧或尾端（即模式选择结构32上远离入射波导1的一端）附近的吸收层33，在吸收层33中生成电子和空穴（即光生载流子），在电场的作用下，电子和空穴分别被第一电极层341和第二电极层342收集，形成光电流，实现光电转换。
具体地，模式选择结构32的材料包括二氧化硅或氮化硅，还可以包括铌酸锂等。作为一个具体实施例，当衬底层31采用硅材料，吸收层33采用锗材料时，则衬底层31的折射率约为3.5，吸收层33的折射率约为4.1，此时，采用折射率为1.45的二氧化硅或折射率为1.97的氮化硅或折射率为2.297的铌酸锂材料制作形成模式选择结构32，均可以满足模式选择结构32的折射率小于衬底层31的折射率及吸收层33的折射率。
可选地，模式选择结构32的横截面的形状包括锥形或梯形或多边形，以实现模式选择结构32的宽度沿其长度方向逐渐减小。如图1所示，模式选择结构32的横截面的形状为梯形。如图3所示，模式选择结构32的横截面的形状可为锥形。如图4所示，模式选择结构32的横截面的形状同样可为多边形。
在实际应用中，本领域技术人员可以根据实际需求设置模式选择结构32的宽度变化方式。模式选择结构32的宽度可以设置为线性减小，也可以分不同区域，设置不同的线性减小比例。当然，也可以根据光电探测器的用途，设置模式选择结构32的宽度为非线性减小。例如，通过设置模式选择结构32的宽度为非线性减小，加强对特定模式的光的筛选能力。
优选地，模式选择结构32在宽度方向上的中垂面与模斑转换器2在宽度方向上的中垂面对应设置。可选地，模式选择结构32在宽度方向上的中垂面与模斑转换器2在宽度方向上的中垂面重合。需要注意的是，本申请的方案，包括由于量产的需求或产业化过程中不可避免的误差，使模式选择结构32在宽度方向上的中垂面与模斑转换器2在宽度方向上的中垂面之间的垂直距离存在100nm量级的误差的情况。这样设置可以使多种模式的光从模式选择结构32的两侧或尾端附近耦合进入吸收层33，使吸收层33内光场分布更均匀，提高器件的响应度。
优选地，吸收层33在宽度方向上的中垂面与模式选择结构32在宽度方向上的中垂面对应设置。优选地，模式选择结构32在宽度方向上的中垂面与吸收层33在宽度方向上的中垂面重合。需要注意的是，本申请的方案，包括由于量产的需求或产业化过程中不可避免的误差，使模式选择结构32在宽度方向上的中垂面与吸收层33在宽度方向上的中垂面之间的垂直距离存在100nm量级的误差的情况。这样设置可以使吸收层33的侧边区域分别吸收多种高阶模式的光，使吸收层33内光场分布更均匀，提高器件的响应度。
优选地，将模式选择结构32设置为在宽度方向上的左右对称结构。具体而言，可设置模式选择结构32的结构相对于其在宽度方向上的中垂面对称。需要注意的是，本领域技术人员也可根据实际需要，将模式选择结构32设置为非对称结构。
作为一种可选的实施例，将模式选择结构32靠近入射波导1一侧的端面设置为接近吸收层33靠近入射波导1一侧的端面，或模式选择结构32靠近入射波导1一侧的端面与吸收层33靠近入射波导1一侧的端面在同一平面。
具体地，吸收层33的厚度不低于模式选择结构32的厚度。
衬底层31的材料可以与入射波导1、模斑转换器2的材料相同，也可以不同，当衬底层31的材料与第二波导的材料相同时，衬底层31可以与第二波导一体成型，也可分别设置再做无缝贴合连接。
以上是本发明的核心思想，基于本发明中的实施例，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例，都属于本申请保护的范围。下面将根据光电探测器的载流子输运方向，对各类光电探测器进行具体的介绍说明。
具体实施例1：一种带有模式选择结构的光电探测器，如图6-8所示，为垂直PIN结光电探测器。
在衬底层31上设置第一掺杂区35，第一掺杂区35由衬底层31的顶面掺杂扩散至衬底层31的内部形成。具体地，第一掺杂区35可以覆盖衬底层31的顶面的整个表面，或第一掺杂区35覆盖衬底层31的顶面的局部表面。即第一掺杂区35可以由衬底层31顶面的整个表面掺杂扩散设定类型的离子形成，第一掺杂区35也可以由衬底层31顶面的局部表面掺杂扩散设定类型的离子形成。第一掺杂区35的厚度小于或等于衬底层31的厚度。
在吸收层33上设置第二掺杂区36，第二掺杂区36由吸收层33的顶面掺杂扩散至吸收层33的内部形成。具体地，第二掺杂区36可以覆盖吸收层33的顶面的整个表面，或第二掺杂区36覆盖吸收层33的顶面的局部表面。即第二掺杂区36可以由吸收层33顶面的整个表面掺杂扩散设定类型的离子形成，第二掺杂区36也可以由吸收层33顶面的局部表面掺杂扩散设定类型的离子形成。第二掺杂区36的厚度小于或等于吸收层33的厚度。
第一掺杂区35所掺杂的离子的种类与第二掺杂区36所掺杂的离子的种类不同。此处的种类不同，有电学性质不同的意思，如第一掺杂区35采用N-型掺杂，则第二掺杂区36采用P+型掺杂；反之，若第二掺杂区36采用N-型掺杂，则第一掺杂区35采用P+型掺杂。可选的，第一掺杂区35的材料包括硼离子或镓离子；第二掺杂区36的材料包括磷离子或砷离子，这样设置，可使第一掺杂区35吸收环形吸收层33内的空穴，第二掺杂区36吸收环形吸收层33内的电子。
电极层34包括第一电极层341和第二电极层342。第一电极层341包括第一子电极层3411和第二子电极层3412。
第一子电极层3411和第二子电极层3412设置于第一掺杂区35的表面，并且分别位于吸收层33的两侧；即第一子电极层3411和第二子电极层3412设置于第一掺杂区35远离衬底层31的表面，并且第一子电极层3411设置于吸收层33的一侧，第二子电极层3412设置于吸收层33的另一侧。第一子电极层3411和第二子电极层3412在衬底层31上的垂直投影均落入第一掺杂区35在衬底层31上的垂直投影中，即第一子电极层3411和第二子电极层3412在衬底层31上的垂直投影在各个方向上均不超出第一掺杂区35在衬底层31上的垂直投影。并且第一子电极层3411和第二子电极层3412在衬底层31上的垂直投影均与吸收层33在衬底层31上的垂直投影相离。第一子电极层3411和第二子电极层3412可以收集第一掺杂区35中的电子或空穴。
第二电极层342设置于第二掺杂区36的表面，即第一子电极层3411和第二子电极层3412设置于第一掺杂区35远离衬底层31的表面。第二电极层342在衬底层31上的垂直投影均落入第二掺杂区36在衬底层31上的垂直投影中，即第二电极层342在衬底层31上的垂直投影在各个方向上的尺寸均小于或等于第二掺杂区36在衬底层31上的垂直投影的尺寸。第二电极层342可以收集第二掺杂区36中的电子或空穴。
本实施例中，模式选择结构32的形状为梯形，采用二氧化硅材料制成。衬底层31采用硅材料制成，吸收层33采用锗材料制成。
本发明实施例的光场均匀的高速锗硅光电探测器的工作原理为：入射光从入射波导1通过模斑转换器2过渡到探测部分3。在探测部分3，随着模式选择结构32宽度逐渐减小，多种模式的光可以依次耦合进入模式选择结构32两侧或尾端附近的吸收层33中，在吸收层33中产生电子和空穴。生成的电子和空穴分别进入第一掺杂区35和第二掺杂区36。其中进入第一掺杂区35的电子或空穴被第一掺杂区35上的第一电极层341收集，而进入第二掺杂区36的空穴或者电子被第二掺杂区36上的第二电极层342收集，实现光电转换功能。第一掺杂区35和第二掺杂区36分别用于吸收电子、空穴，当第一掺杂区35吸收电子时，第二掺杂区36吸收空穴，当第一掺杂区35吸收空穴时，第二掺杂区36吸收电子。从而提高吸收层33的光场均匀性和器件的线性度，同时保证器件具有较高的带宽。
将本实施例中器件结构参数定义为：衬底层31的厚度为SOI_height,入射波导1的宽度为 wg_width;模斑转换器2靠近入射波导1一侧的宽度为taper_width1，模斑转换器2远离入射波导1一侧的宽度为taper_width2；模式选择结构32靠近入射波导1一侧的宽度为SiO2_width1，模式选择结构32远离入射波导1一侧的宽度为SiO2_width2,模式选择结构32的长度为SiO2_longth,模式选择结构32的高度为SiO2_height；吸收层33的宽度为Ge_width，吸收层33的长度为Ge_longth,吸收层33的高度为Ge_height。
本实施例中器件结构参数分别设定为：SOI_height=0.22μm；wg_width=0.5μm；taper_width1=0.5μm，taper_width2=2μm；SiO2_width1=1.2μm，SiO2_width2=0.4μm，SiO2_height=0.2μm，SiO2_longth=2μm；Ge_width=1μm，Ge_longth=6μm，Ge_height=0.5μm。模拟实验选用的入射光的波长为1310nm。
图9为常规矩形锗硅探测器光场仿真图，图10为本实施例的光电探测器光场仿真图。对比上述两张图，可以发现，常规矩形探测器光场集中在探测器前2um，2um后光场能量仅占30%，而本实施例中的探测器结构光场更均匀，2um后光能量占比高达68%，能保证器件具有更好的线性度，同时保证器件具有较高的带宽。
具体实施例2：一种带有模式选择结构的光电探测器，如图11-13所示，为横向PIN结光电探测器。
在衬底层31上设置第一掺杂区35和第二掺杂区36。第二掺杂区36与第一掺杂区35间隔设置，第二掺杂区36与第一掺杂区35分别设置在吸收层33的两侧，即第一掺杂区35设置在吸收层33的一侧，第二掺杂区36设置在吸收层33的另一侧。
第一掺杂区35由衬底层31的顶面掺杂扩散至衬底层31的内部形成。具体地，第一掺杂区35覆盖衬底层31的顶面的第一预设区域，即第一掺杂区35可以由衬底层31顶面的第一预设区域掺杂扩散设定类型的离子形成。第一掺杂区35的厚度小于或等于衬底层31的厚度。
第二掺杂区36也由衬底层31的顶面掺杂扩散至衬底层31的内部形成。具体地，第二掺杂区36覆盖衬底层31的顶面的第二预设区域，即第二掺杂区36可以由衬底层31顶面的第二预设区域掺杂扩散设定类型的离子形成。第二掺杂区36的厚度小于或等于衬底层31的厚度。
第一掺杂区35所掺杂的离子的种类与第二掺杂区36所掺杂的离子的种类不同。此处的种类不同，有电学性质不同的意思，如第一掺杂区35采用N-型掺杂，则第二掺杂区36采用P+型掺杂；反之，若第二掺杂区36采用N-型掺杂，则第一掺杂区35采用P+型掺杂。
电极层34包括第一电极层341和第二电极层342。
第一电极层341设置于第一掺杂区35的表面。具体而言，第一电极层341设置于第一掺杂区35远离衬底层31的表面。第一电极层341在衬底层31上的垂直投影落入第一掺杂区35在衬底层31上的垂直投影中，即第一电极层341在衬底层31上的垂直投影在各个方向上的尺寸均小于或等于第一掺杂区35在衬底层31上的垂直投影的尺寸。第一电极层341可以收集第一掺杂区35中的电子或空穴。
第二电极层342设置于第二掺杂区36的表面。具体而言，第二电极层342设置于第二掺杂区36远离衬底层31的表面。第二电极层342在衬底层31上的垂直投影均落入第二掺杂区36在衬底层31上的垂直投影中，即第二电极层342在衬底层31上的垂直投影在各个方向上的尺寸均小于或等于第二掺杂区36在衬底层31上的垂直投影的尺寸。第二电极层342可以收集第二掺杂区36中的电子或空穴。
本实施例中，模式选择结构32的形状为梯形，采用二氧化硅材料制成。衬底层31采用硅材料制成，吸收层33采用锗材料制成。
本发明实施例的光场均匀的高速锗硅光电探测器的工作原理为：入射光从入射波导1通过模斑转换器2过渡到探测部分3。在探测部分3，随着模式选择结构32宽度逐渐减小，多种模式的光可以依次耦合进入两侧或尾端附近的吸收层33中，生成光生载流子，并在电场的作用下被第一电极层341和第二电极层342收集，形成光电流。从而提高吸收层33的光场均匀性和器件的线性度，同时保证器件具有较高的带宽。
本发明实施例还提供了一种光子芯片，包括上述的一种带有模式选择结构的光电探测器。具体而言，光子芯片的接收端上设置有若干个上述任意实施例提供的带有模式选择结构的光电探测器。由于本发明任意实施例提供的带有模式选择结构的光电探测器具有较高的线性度和较大的带宽，因此，本发明提供的光子芯片的接收端同样具有较高的线性度和较大的带宽。
本发明实施例还提供了一种光模块，包括上述的一种光子芯片。具体而言，在光模块的光信号收发接口处设置若干上述光子芯片，并在光子芯片的接收端上设置有若干个上述任意实施例提供的带有模式选择结构的光电探测器。由于本发明任意实施例提供的带有模式选择结构的光电探测器具有较高的线性度和较大的带宽，因此，本发明提供的光模块的接收端同样具有较高的线性度和较大的带宽。
综上所述，本发明提供的光电探测器通过在吸收层33中增设模式选择结构32，使多种模式的光能够依次耦合进入模式选择结构32两侧或尾端附近的吸收层33中，使吸收层33中的光场更均匀，提高了光电探测器的线性度，有效解决了现有技术中光电探测器吸收层33内产生的光生载流子在空间上分布不均匀的技术问题。同时，本发明的光电探测器的器件的面积较小，使得器件的寄生参数减小，从而提高了器件的带宽。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (10)
1.一种带有模式选择结构的光电探测器，其特征在于，包括：依次连接的入射波导、模斑转换器、探测部分；其中，
入射波导，用于传输入射光；
模斑转换器，用于保持多种模式的光耦合进入探测部分；
探测部分，自下而上依次包括衬底层、模式选择结构、吸收层和电极层；其中，
衬底层，用于进行掺杂；
模式选择结构，位于所述衬底层的表面，用于使所述多种模式的光依次耦合到吸收层，所述模式选择结构的折射率小于所述衬底层的折射率及所述吸收层的折射率，所述模式选择结构靠近入射波导一侧的端面的宽度大于模式选择结构远离入射波导一侧的端面的宽度，所述模式选择结构的宽度逐渐减小；
吸收层，覆盖所述模式选择结构，用于产生光生载流子；
电极层，用于收集光生载流子。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述模式选择结构的材料包括二氧化硅或氮化硅。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述模式选择结构的形状包括锥形或梯形或多边形。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述模式选择结构在宽度方向上的中垂面与所述模斑转换器在宽度方向上的中垂面对应设置。
5.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于：所述吸收层在宽度方向上的中垂面与所述模式选择结构在宽度方向上的中垂面对应设置。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述衬底层上设置有第一掺杂区，所述第一掺杂区由所述衬底层的顶面掺杂扩散至衬底层的内部形成；所述吸收层上设置有第二掺杂区，所述第一掺杂区由所述衬底层的顶面掺杂扩散至衬底层的内部形成。
7.根据权利要求6所述的光电探测器，其特征在于：所述电极层包括第一电极层和第二电极层；所述第一电极层包括第一子电极层和第二子电极层，所述第一子电极层和所述第二子电极层设置于所述第一掺杂区的表面，并且分别位于吸收层的两侧；所述第二电极层设置于所述第二掺杂区的表面。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述衬底上间隔设置有第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区分别设置于吸收层的两侧，所述第一掺杂区及所述第二掺杂区均由所述衬底层的顶面掺杂扩散至衬底层的内部形成。
9.根据权利要求8所述的光电探测器，其特征在于：所述电极层包括第一电极层和第二电极层，所述第一电极层设置于所述第一掺杂区的表面，所述第二电极层设置于所述第二掺杂区的表面。
10.一种光子芯片，其特征在于，包括权利要求1-9所述的光电探测器。
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