斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。的角度最终达到光电流分布均匀。的角度最终达到光电流分布均匀。

【技术实现步骤摘要】
斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器


[0001]本专利技术属于微波光子领域，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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Carrier Photodiode，UTC<br/>‑
PD)，UTC
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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。
[0004]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。
[0005]为解决这个问题，提出了一种垂直方向耦合波导探测器(Vertical Directional Coupling 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L
c
＝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：
[0006](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；
[0007](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；
[0008](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；
[0009](4)输出光电流对入射光束的偏振角度不敏感。
[0010]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。
[0011]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。

技术实现思路

[0012]本专利技术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。
[0013]本专利技术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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]本专利技术的有益效果是：本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：余学才，李陈，郭甜，陈旭昂，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：