一种激光选择聚焦器件及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种激光选择聚焦器件及其设计方法，激光选择聚焦器件是将具有聚焦功能的激光选择性透镜与普通的光电探测器集成在一起。其中的激光选择性透镜是按照菲涅尔波带片原理蒸镀金属的明暗环制作而成，可以承载在载玻片上，外置于光电探测器外，也可以直接蒸镀在普通的光电探测器的衬底上。该结构器件不仅能够显著削弱激光通信中接收信号的背景噪声，直接提取激光信号并对激光信号进行聚焦，同时能够扩大探测器件的有效光敏面积，提高系统的信噪比。同时，器件的制备也比较简单、易于操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利涉及光电探测器元器件技术，具体是指一种利用干涉效应对激光进行选择 性聚焦的器件及其设计方法，它用于制作激光通信中的激光选择聚焦器件。
技术介绍
不论是对于光纤通信，自由空间通信，还是对于激光主动探测，尤其随着量子通信 的发展，高灵敏、高信噪比的探测器技术都是至关重要的。为了降低器件的暗电流，一般通 过减小器件的面积，但是器件光敏面的减小会削弱与前端光学系统的耦合效率，造成器件 响应的降低。由于激光在大气传输过程中的衰减、光束发散和漂移，致使接收器接收到的激 光信号非常微弱，同时，由于较强的天空背景噪声的存在，微弱的激光信号往往淹没在背景 光形成的噪声之中。为了准确的捕获激光信号，获得较高的信噪比，接收系统往往需要使用 超窄的带通滤光片来有效地抑制天空背景噪声的干扰。但是滤光片在衰减背景能量的同 时，也降低了信号能量，一般为20%至80%，同时光谱滤波系统一般也比较复杂、烦琐。因 此，任何一种能够直接过滤接收信号中的背景光，直接提取激光信号的接收方法都是很有 技术价值的。专利技术一种能够省略滤光片直接过滤背景光，提取激光信号，同时具有较大光接 收面积的探测器技术对于激光通信则是有着更为重大的技术意义。
技术实现思路
本专利的目的就是提出一种能够显著削弱接收信号中的背景噪声，直接提取激光 信号并对激光信号进行聚焦，同时能够等效地扩大了探测器件的有效光敏面积，提高系统 信噪比的光电探测器件。本专利的目的是这样实现的利用普通生长技术生长光电探测器，通过普通制备工艺制备光电探测器，包括台 面、上下电极制备等。为了得到尽可能小的暗电流与尽可能大的器件响应速率，光电探测器 的实际光敏面应尽可能的小，一般为几十微米。制备激光选择性透镜，可以通过如下两种方法制备— .在载玻片(宝石片或者玻璃片等)上按照菲涅尔波带片原理蒸镀金属，形成 明暗环。将承载明暗环的载玻片置于半导体光电探测器前方，使两者的间距正好等于菲涅 尔波带片的焦距。二 .对制备好的光电探测器的衬底进行减薄抛光处理，直至衬底厚度满足焦距要 求，在处理好的衬底上按照菲涅尔波带片原理蒸镀金属，形成明暗环。在此，我们可以根据载玻片离光电探测器的距离或者衬底的厚度来决定菲涅尔波 带片的焦距(主焦点距离波带片的距离)，根据确定好的焦距、激光波长来确定菲涅尔波带 片的明暗环的半径大小。菲涅尔波带片明暗环的环数需要取得比较多，从而形成整个菲涅 尔波带片的面尺寸线度远大于本底背景光的相干长度(约几微米到几十微米)，如取到1毫 米左右乃至更大，在可能的条件下尽可能取得大些，因为激光的相关长度往往可以达到米的量级。对于一个按要求制备好的固定结构尺寸的菲涅尔波带片，只有特定波长的激光才 能在光电探测器上聚焦。在此，为了增强前端光学系统与探测器的耦合效率，因为已经将菲 涅尔波带片的直径设置的很大，可以为毫米量级，这样整个接收器件的有效光敏面就被极 大的提高，可以按面积比将光电探测器的响应至少提高2个数量级。然而这样的聚焦过程 形成的探测器光敏元等效面积扩大仅对于相关长度长的激光有效，对于本底背景光由于相 干长度小，聚焦作用已经不能实现了，所以对于本底背景光探测器光敏元的等效面积没有 增加，相反由于菲涅尔波带片上金属环还挡去了部分本底背景光，所以本底背景光的影响 被进一步减小了。本专利的核心是在普通的光电探测器上通过外置或者在衬底上按照菲涅尔波带 片原理蒸镀金属明暗环，从而形成了一个具有较大光敏面、可以过滤杂散光、选择性吸收激 光并对其有聚焦性能的光电探测器。为了便于说明，下面以1. 5微米波长的激光选择聚焦 器件为例加以说明。本专利基于的工作原理是对于从远处传来的接收信号，可以近似为平面波，当接 收信号入射到激光选择聚焦器件3上时，入射光经由1发生干涉效应，并在2处产生会聚主 焦点，由于干涉效应只发生在相干光之间，只有相干长度大于聚光器件中菲涅尔环尺寸的 光才能够产生干涉现象。对于激光，其相干长度一般大于1米，为此远大于器件中1的横向 尺寸，因此，激光信号经由1发生干涉效应，并在光电探测器2处发生会聚，被器件有缘层吸 收。然而对于其他的杂散光，由于不是相干光，其相干长度只有微米量级，例如对于1. 5微 米波长的杂散光，其相干长度通常在50微米左右，为此1上明暗条纹之间的距离大于50微 米时光波的相干性就消失了，此时透过1的1. 5微米的杂散光就不能发生干涉效应，也就不 会在2处发生会聚被器件吸收，从而在2处1. 5微米的杂散光直接被极大的削弱了。同时， 由于1的焦距固定在2处，只有特定波长(波长等于1. 5微米)的激光才能在2处会聚，所 以，对于波长不匹配的光(波长不等于1. 5微米)，经过1后，就不会聚焦在2处被器件吸 收，而是直接发散传播。在此，1的面积一般要比2的面积大几个量级，透过1的激光都会聚 焦在2上被有缘层吸收，从而器件2的有效光敏面被提高了几个量级，光响应得到了极大的 增强。因此，器件3就能够直接滤除背景噪声，只吸收激光信号，既实现了超窄带通滤光片 的作用，又能够在一定程度上增大器件的有效光敏面，从而提高器件的信噪比。本专利的优点在于该探测器不仅能够对特定波长的激光进行聚焦吸收，同时还 能够有效抑制激光信号以外的杂散光，削弱背景噪声。同时，由于透镜的直径远大于光电探 测器实际的光敏面，在增大器件的有效光敏面的同时，也提高了探测器与前端光学系统的耦 合效率，增强了器件的光响应，提高系统的信噪比。同时，器件的制备也比较简单、易于操作。附图说明图1为本专利的激光选择聚焦器件的原理示意图。其中，1为按菲涅尔波带片原理 制造的激光选择性透镜，2为光电探测器，3为整个激光选择聚焦器件。图2为本实施例的InGaAs p-i-n聚焦器件的结构示意图。具体实施例方式下面以激光选择性InGaAs p-i_n聚焦器件为例，结合附图对本专利的具体实施方式做进一步的详细说明。采用薄膜生长技术在半绝缘InP衬底上依次生长n掺杂的InP下电极层，掺杂浓度为1 X 1018/cm3，厚度为1 y m ；非故意掺杂的InGaAs吸收层，厚度为2iim ；p掺杂的InP上电极层，掺杂浓度为lX1018/cm3，厚度为500nm。刻蚀p掺杂的InP上电极层和InGaAs吸收层，直至n掺杂的InP下电极层上方， 形成上台面；刻蚀n型InP下电极层直至InP衬底，形成下台面；在器件表面生长钝化膜SiNx，厚度为600nm ；在p型InP上电极层和n型InP下电极层上刻蚀电极孔，蒸镀Ti/Pt/Au，分别形成 上下电极。至此，完成了一个普通InGaAs p-i_n光电探测器的制备。对InP衬底进行减薄抛光，直至衬底的厚度等于设计的焦距大小。根据波长、焦距、InGaAs p-i_n光电探测器的台面大小以及前端光学系统的要求， 在InP衬底上按照菲涅尔波带片原理蒸镀铬金的明暗环，形成激光选择性透镜1。到此完成 了一个以InGaAs p-i_n光电探测器为原型的激光选择性聚焦器件。在此，激光选择性透镜1的形成，也可以通过在载玻片上蒸镀铬金，形成明暗环， 然后将承载1的载玻片置于距离普通InGaAs p-i_n光电探测器一个焦距的地方即可。如果要做成阵列或线列器件，依然是上述工艺，只是现在的单元器件应该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光选择聚焦器件，它由光电探测器和激光选择性透镜组成，其特征在于：在光电探测器（２）上集成有一块可以对激光波长进行选择性聚焦的激光选择性透镜（１）；所述的激光选择性透镜（１）制作在宝石片或玻璃片制成的载玻片上，并外置于距离普通的光电探测器一个焦距处，或者直接制作在普通的光电探测器的衬底上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆卫，王文娟，王少伟，李天信，李宁，甄红楼，陈平平，张波，李志锋，陈效双，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]