一种光纤集成光学倍频光电探测器制造技术

本实用新型专利技术涉及光电探测、非线性光学领域，更具体地，涉及一种光纤集成光学倍频光电探测器。本实用新型专利技术的目的在于解决现有基于单层过渡金属硫族化合物的光电探测器探测光波段的范围较窄的问题，具体包括衬底以及自下而上依次层叠设置在衬底上的栅极、绝缘层、叉指电极、单层过渡金属硫族化合物薄膜和具有双锥形结构的微纳光纤，叉指电极的上表面紧贴于单层过渡金属硫族化合物薄膜的下表面，具有双锥形结构的微纳光纤对应紧贴于单层过渡金属硫族化合物薄膜的上表面。族化合物薄膜的上表面。族化合物薄膜的上表面。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤集成光学倍频光电探测器


[0001]本技术涉及光电探测、非线性光学领域，更具体地，涉及一种光纤集成光学倍频光电探测器。

技术介绍

[0002]过渡金属硫族化合物(TMDCs)具有合适的带隙、稳定的耐环境性和优异的光电性能。作为TMDCs家族的代表，单层二硫化钨的奇异结构赋予了它许多令人着迷的特性，例如大的激发结合能、高载流子迁移率、大的自旋轨道分裂和不闪烁的光子发射，在晶体管、光电探测器和发光二极管等各个领域显示出令人兴奋的应用潜力。此外，由于过渡金属硫族化合物的带隙范围有限，致使利用过渡金属硫族化合物制作的片上光电探测器探测的波段较窄，限制了过渡金属硫族化合物制作的片上光电探测器的探测波长范围，若能将不在探测波段范围内的入射光的频率转换至所用单层过渡金属硫族化合物能探测的频率范围内，则可大大拓宽单层过渡金属硫族化合物光电探测器的可探测波段范围。因此，迫切需要一种可实现入射光频率转换的光电探测器。
[0003]光纤由于其无需借助其他光学元件便可实现远距离低损耗光传输，通过将微纳光纤与具有强二阶非线性系数和多模式重叠的材料集成实现具有二阶非线性的混合系统，可能实现基于光纤的谐波源、光学参量振荡器、自发参量下转换变频源以及基于光纤的量子通信。

技术实现思路

[0004]本技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种光纤集成光学倍频光电探测器，用于解决现有基于单层过渡金属硫族化合物的光电探测器探测光波段的范围较窄的问题。
[0005]本技术采取的技术方案是，提供一种光纤集成光学倍频光电探测器，包括衬底以及自下而上依次层叠设置在所述衬底上的栅极、绝缘层、叉指电极、单层过渡金属硫族化合物薄膜和具有双锥形结构的微纳光纤，其中，所述叉指电极的上表面紧贴于所述单层过渡金属硫族化合物薄膜的下表面，具有双锥形结构的所述微纳光纤对应紧贴于所述单层过渡金属硫族化合物薄膜的上表面。
[0006]本方案将具有良好二阶非线性光学系数的单层过渡金属硫族化合物材料覆盖在叉指电极上，单层过渡金属硫族化合物与叉指电极紧密接触，同时，将双锥形微纳光纤转移至单层过渡金属硫族化合物上紧密接触，如此设置，则信号光在由微纳光纤产生的强倏逝场和叉指电极的局域场增强效应的作用下与材料相互作用，激发二阶非线性光学效应的同时满足准相位匹配。在本方案的光电探测器的源极、漏极、栅极处加上偏压，通过调控栅极电压改变单层过渡金属硫族化合物薄膜的载流子浓度，以此来调控光电探测器中器件的二阶非线性转换效率，其中，叉指电极包括位于两侧分别用来引出叉指的长条形电极，该两条长条形电极充当所述光电探测器的源极和漏极。此外，由于叉指电极具有周期性特点，则可
通过调整微纳光纤与叉指电极夹角来改变畴反转周期，以通过准相位匹配对不同波长的光进行二阶非线性倍频转换，将红外波段的光波转换至二硫化钼可响应的波段内，实现了一种光纤集成光学倍频光电探测器，拓宽了光电探测器可探测的光波段范围。与一般的过渡金属硫族化合物光电探测器相比，本方案的光纤集成光学倍频光电探测器利用光学二阶非线性效应，可将不响应的红外波段的光倍频至对应的过渡金属硫族化合物可响应的波段内，实现频率转换，使其波长在过渡金属硫族化合物薄膜的可响应波长范围内，将探测波段拓展至红外波段。
[0007]进一步地，所述衬底为设有不同角度刻度的圆形衬底。
[0008]圆形衬底上的角度刻度可以观察此时微纳光纤与叉指电极夹角的度数，可以实现对不同波长的泵浦光的准相位匹配。信号光从光纤输入端传输至双锥形区域产生强倏逝场沿着光纤表面传播，与材料相互作用产生二阶非线性光学效应，产生的倍频光被二硫化钼薄膜吸收产生光生载流子，在源漏极偏压的作用下形成光电流，从而实现光电探测器的光响应功能。
[0009]优选地，所述衬底与所述微纳光纤的折射率相近。更优选的，所述衬底的材料为玻璃或SiO2。由于衬底的折射率与光纤相近，可利于光纤与该光电探测器的集成。
[0010]进一步地，所述栅极的材料为ITO。ITO为具有优良导电性能的透明材料，作为栅极材料可提高性能。
[0011]优选地，所述栅极的厚度为80nm
‑
120nm，更优选为100nm。
[0012]进一步地，所述绝缘层的材料为Al2O3。
[0013]优选地，所述绝缘层的厚度为50
‑
100nm。通过设置此厚度，可使后续电调控二阶非线性转换效率时所加的电压较小。
[0014]进一步地，所述衬底、所述栅极以及所述绝缘层均为透明结构。
[0015]进一步地，所述叉指电极的厚度为100
‑
200nm。此厚度下金膜的局域场增强效应较强，可增强微纳光纤中光与物质相互作用。
[0016]优选地，相邻所述叉指的间距为10
‑
125um。本方案可控制叉指电极周期为20
‑
250μm，大范围的周期可对不同波长的泵浦光、不同直径的微纳光纤进行准相位匹配产生高效倍频。
[0017]进一步地，所述叉指电极的周期为40
‑
500个。不同周期个数便于匹配不同波长的泵浦光和不同直径的微纳光纤。
[0018]进一步地，所述叉指电极的材料选自金、银、铜或氧化铟锡其中一种。
[0019]进一步地，所述叉指电极优选通过物理气相沉积法(PVD)制备。
[0020]进一步地，所述过渡金属硫族化合物为N型掺杂的二硫化钼或N型掺杂的二硒化钨或N型掺杂的二硒化钼。本方案的材料均具有较高的二阶非线性光学系数。
[0021]进一步地，所述单层过渡金属硫族化合物薄膜的厚度为0.7nm
‑
1.0nm。本方案的单层过渡金属硫族化合物薄膜的厚度为原子级厚度，单层材料相比于多层材料其带隙及光电特性均发生明显变化，其中单层的所述材料才具备二阶非线性光学效应。
[0022]优选地，所述单层过渡金属硫族化合物薄膜的尺寸大于或等于1cm*1.5cm。本方案的尺寸便于与叉指电极集成实现长周期的非线性光学累积，基于该宽度设置便于更大角度范围的调控微纳光纤与叉指电极的夹角。
[0023]进一步地，所述微纳光纤为单模光纤。单模光纤的成本相较多模光纤、光子晶体光纤成本较低且也能产生强倏逝场。
[0024]优选地，所述微纳光纤的直径为1
‑
20um。通过不同直径的光纤可以满足产生倍频时所需的准相位匹配周期。
[0025]进一步地，所述双锥形结构的双锥之间的长度为7
‑
10mm。本方案的尺寸设计便于形成长双锥形区域，有助准相位匹配时的非线性光学累积。双锥形结构之间的直径需具备良好的均匀性，误差在
±
1μm以内，避免误差过大导致双锥形区域不均匀，影响倍频过程所需的准相位匹配。
[0026]与现有技术相比，本技术的有益效果为：
[0027](1)与传统的过渡金属硫族化合物电探测器相比，拓展了可探测波段范围；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤集成光学倍频光电探测器，其特征在于，包括衬底以及自下而上依次层叠设置在所述衬底上的栅极、绝缘层、叉指电极、单层过渡金属硫族化合物薄膜和具有双锥形结构的微纳光纤，其中，所述叉指电极的上表面紧贴于所述单层过渡金属硫族化合物薄膜的下表面，具有双锥形结构的所述微纳光纤对应紧贴于所述单层过渡金属硫族化合物薄膜的上表面。2.根据权利要求1所述的光纤集成光学倍频光电探测器，其特征在于，所述衬底为设有不同角度刻度的圆形衬底；和/或，所述衬底与所述微纳光纤的折射率相近。3.根据权利要求2所述的光纤集成光学倍频光电探测器，其特征在于，所述栅极的材料为ITO；和/或，所述栅极的厚度为80
‑
120nm。4.根据权利要求1所述的光纤集成光学倍频光电探测器，其特征在于，所述绝缘层的材料为Al2O3；和/或，所述绝缘层的厚度为50
‑
100nm。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的光纤集成光学倍频光电探测器，其特征在于，所述衬底、所述栅极以及所述绝缘层均为透明结构。6.根据权利要求1
‑
4任一项所述的光纤集成光学倍频光电探测器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余健辉，林子祺，吕展，韩龙威，张宇，张玉森，钟永春，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：新型
国别省市：