本发明专利技术公开了一种100GHz行波垂直方向耦合光波导探测器，包括双锥形模式转换器、矩形波导结构和行波垂直方向耦合光波导探测器；双锥形模式转换器为一个左右侧面是直角梯形、上下底面为等腰梯形、前后侧面为大小不同的矩形的棱台结构；矩形波导结构与双锥形模式转换器结构对接耦合；行波垂直方向耦合光波导探测器包括衬底层、放置在衬底上的波导结构、两个地电极，波导结构位于衬底和信号电极之间，所述波导结构从下往上依次为：下波导层、耦合层、上波导层、耗尽层、吸收层、包层，下波导层和耦合层与矩形波导对接耦合。本发明专利技术在探测器前端集成了一个双锥形模式转换器，使得耦合效率接近95％；采用双波导结构，使得光电流分布均匀，输出功率增加。
【技术实现步骤摘要】
100GHz行波垂直方向耦合光波导探测器
本专利技术属于光电技术和微波光子学领域，特别涉及一种100GHz行波垂直方向耦合光波导探测器。
技术介绍
光电探测器是一种光与物质相互作用的光电子元器件，在光通信和光电子技术等领域具有重要的作用，将入射到器件上的光信号转换成射频信号，实现光电信号之间的转换。在有线和无线通信系统中，光电探测器的带宽决定通信系统的容量，高饱和功率决定信号的传输距离，因此，大带宽、高饱和功率的光电探测器是不可或缺的。在光电探测器中，这两个重要参数受其结构和材料等固有物理因素的限制很难同时达到最佳状态。例如，传统的垂直入射型光电探测器的带宽受载流子渡越时间和RC电路时间的限制，而量子效率又与其本征层的厚度有关，使得带宽和功率之间相互矛盾；虽然边缘入射的波导探测器结构改善了载流渡越时间限制的带宽和功率之间的矛盾关系，但是，为了实现大功率的目标，需要较长光波导，导致结电容较大，探测器总的带宽下降。因此，在传统的垂直入射型光电探测器和边缘入射型的波导探测器中，大带宽和高饱和输出功率不能同时实现。长期以来，为了改善光电探测器大带宽和高功率相互制约的问题，各式各样的光电探测器先后被报道。从传统的PIN光电探测器到单行载流子光电探测器(UTCPD，Uni-TravelingPhotodetector)结构，再到光波导探测器。在半导体物理中，由动量守恒可知电子的质量比空穴的小很多，因此电子的速度比空穴的要大。单行载流子光电探测器中利用这一规律，引入P型掺杂的吸收层，以电子作为源载流子，在耗尽层中参与渡越，使得光电探测器的带宽得以改善，同时抑制了空间电荷效应，使得探测器的输出功率增加。随着通信的快速发展，对带宽和功率的要求越来越高。波导探测器(WGPD，WaveguidePhotodetector)被提出来，光的吸收方向和载流子的渡越方向相互垂直，克服了传统光电探测器中带宽和量子效率的相互制约关系。但在单波导光电探测器中存在以下问题：光电流沿波导方向呈指数分布、光耦合损耗较大，在波导前端光电流很强，会导致波导前端因功率过高而烧毁。为解决了波导探测器光电流分布不均匀和耦合损耗大的问题，方向耦合波导探测器(DCPD，DirectionalCouplingWaveguidePhotodetector)被提出来。如图1(a)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，入射光信号边沿波导A传播边被耦合到有吸收层的波导B中，吸收层位于波导瞬逝场位置。刚开始入射光功率主要集中在波导A中，由于耦合作用，有吸收层的波导B中光功率很弱，即吸收层中光功率也很弱，产生的光电流较小。因此，这种结构的光电探测器的光电流比单波导型的前端光电流要弱很多，随着光在耦合器中传播，波导B中的光功率逐渐增大，由于波导对光功率具有吸收作用，总光功率会下降，所以在方向耦合器的后端，光电流不会快速衰减，在一定长度内，沿波导的光电流会比较均匀分布，在满足模式匹配的条件下，光电流可以实现均匀分布。水平耦合波导光电探测器中的耦合层是空气间隙层，而环境对耦合长度和吸收长度影响较大，会导致光电流分布不均匀。同时，两波导间身而直的空气间隙在工艺上很难刻蚀。为解决这些问题，一种垂直方向耦合波导探测器(VDCPD，VerticalDirectionalCouplingWaveguidePhotodetector)被提出，如图1(b)所示。图中，CladdingLayer为包层，Absorber为吸收层，Signalelectrode为信号电极，Groundelectrode为地电极，UpperWaveguide为上波导，CouplingLayer为耦合层，LowerWaveguide为下波导，InPSubstrate为InP衬底。VDCPD的两个波导在垂直方向上平行放置，上、下波导之间嵌入一层低折射率薄膜耦合层。在该结构中，当光的耦合长度和光的吸收长度相等时，光电流会沿光电探测器均匀分布，如图2所示。在垂直方向耦合波导探测器中，入射光在双波导中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，探测器中的光功率不再是单纯的指数分布。在垂直耦合波导光电探测器中，当耦合长度等于0阶超模吸收长度等于1阶超模吸收长度的时，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零阶超模和一阶超模的吸收长度；(2)改变间隙层的厚度就可以调整零阶超模和一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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在探测器前端集成了一个双锥形模式转换器，使得耦合效率接近95％；采用单行载流子结构，对其波导截面进行设计使其特性阻抗与负载阻抗相匹配，实现了光波和微波在同一波导结构中传输的100GHz行波垂直方向耦合光波导探测器本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：100GHz行波垂直方向耦合光波导探测器，包括水平和竖直方向均为锥形的双锥形模式转换器、矩形波导结构和行波垂直方向耦合光波导探测器；所述双锥形模式转换器为一个左右侧面是直角梯形、上下底面为等腰梯形、前后侧面为两个大小不同的矩形的棱台结构，其中，面积大的矩形侧面作为波导输入端，面积小的矩形侧面作为波导输出端；所述矩形波导结构与双锥形模式转换器结构的波导输出端对接耦合，矩形波导结构的横截面尺寸与对接耦合的双锥形模式转换器结构的侧面相同；矩形波导结构从下到上依次包括波导层和包层；所述行波垂直方向耦合光波导探测器包括衬底层、放置在衬底上的波导结构、信号电极、两个地电极，波导结构位于衬底和信号电极之间，波导结构与衬底层组成的结构横截面呈“凸”字型，两个地电极关于波导结构对称设置；所述波导结构从下往上依次为：下波导层、耦合层、上波导层、耗尽层、吸收层、包层，下波导层横截面尺寸与矩形波导相同，下波导层和耦合层与矩形波导对接耦合。进一步地，所述双锥形模式转换器输入端与光纤相连，通过渐变式波导结构将从光纤耦合进来的圆形光斑逐渐转换成矩形波导结构中的矩形光斑，实现模式的转化，双锥形模式转换器结构的波导输入端尺寸为6μm×6μm，波导输出端尺寸为2.91μm×3μm，长度为1mm。进一步地，所述矩形波导结构用于稳定从模式转换器中输出的矩形光斑，其横截面尺寸为2.91μm×3μm，长度为0.5mm。进一步地，所述行波垂直方向耦合光波导探测器的下波导层和耦合层与矩形波导耦合对接，入射光在行波垂直方向耦合光波导探测器中边传播边向上波导耦合，在吸收层中被吸收，产生光生载流子，在外加反向偏压(信号电极接直流电源负极、地电极接直流电源正极)的作用下形成光流，沿波导向负载传输；所述行波垂直方向耦合光波导探测器的长度为0.5mm，地电极与信号电极均采用厚度为0.1μm的金属电极。进一步地，所述双锥形模式转换器的下底面下方设有底面与双锥形模式转换器下底面尺寸相同，高度与本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.100GHz行波垂直方向耦合光波导探测器，其特征在于，包括水平和竖直方向均为锥形的双锥形模式转换器、矩形波导结构和行波垂直方向耦合光波导探测器；/n所述双锥形模式转换器为一个左右侧面是直角梯形、上下底面为等腰梯形、前后侧面为两个大小不同的矩形的棱台结构，其中，面积大的矩形侧面作为波导输入端，面积小的矩形侧面作为波导输出端；/n所述矩形波导结构与双锥形模式转换器结构的波导输出端对接耦合，矩形波导结构的横截面尺寸与对接耦合的双锥形模式转换器结构的侧面相同；矩形波导结构从下到上依次包括波导层和包层；/n所述行波垂直方向耦合光波导探测器包括衬底层、放置在衬底上的波导结构、信号电极、两个地电极，波导结构位于衬底和信号电极之间，波导结构与衬底层组成的结构横截面呈“凸”字型，两个地电极关于波导结构对称设置；所述波导结构从下往上依次为：下波导层、耦合层、上波导层、耗尽层、吸收层、包层，下波导层横截面尺寸与矩形波导相同，下波导层和耦合层与矩形波导对接耦合。/n
【技术特征摘要】
1.100GHz行波垂直方向耦合光波导探测器，其特征在于，包括水平和竖直方向均为锥形的双锥形模式转换器、矩形波导结构和行波垂直方向耦合光波导探测器；
所述双锥形模式转换器为一个左右侧面是直角梯形、上下底面为等腰梯形、前后侧面为两个大小不同的矩形的棱台结构，其中，面积大的矩形侧面作为波导输入端，面积小的矩形侧面作为波导输出端；
所述矩形波导结构与双锥形模式转换器结构的波导输出端对接耦合，矩形波导结构的横截面尺寸与对接耦合的双锥形模式转换器结构的侧面相同；矩形波导结构从下到上依次包括波导层和包层；
所述行波垂直方向耦合光波导探测器包括衬底层、放置在衬底上的波导结构、信号电极、两个地电极，波导结构位于衬底和信号电极之间，波导结构与衬底层组成的结构横截面呈“凸”字型，两个地电极关于波导结构对称设置；所述波导结构从下往上依次为：下波导层、耦合层、上波导层、耗尽层、吸收层、包层，下波导层横截面尺寸与矩形波导相同，下波导层和耦合层与矩形波导对接耦合。
2.根据权利要求1所述的100GHz行波垂直方向耦合光波导探测器，其特征在于，所述双锥形模式转换器输入端与光纤相连，通过渐变式波导结构将从光纤耦合进来的圆形光斑逐渐转换成矩形波导结构中的矩形光斑，实现模式的转化，双锥形模式转换器结构的波导输入端尺寸为6μm×6μm，波...
【专利技术属性】
技术研发人员：余学才，秦宗，郭甜，李陈，
申请(专利权)人：成都多极子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51
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