本发明专利技术涉及一种用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，包括从上到下依次层叠的本征层、吸收层、上波导层、间隙层、下波导层、覆盖层和衬底，所述间隙层做为上波导层与下波导层之间的一层低折射率耦合层，所述上波导层与下波导层构成垂直方向的耦合器（相当于垂直方向耦合的光电二极管）用于使光从下波导层入射逐渐耦合到上波导层并使光一边在上波导层与下波导层中传输，一边被吸收层吸收。本发明专利技术的有益效果是：解决了水平方向耦合光电二极管结构中当空气间隙改变时，耦合长度和吸收长度都会改变，以及光刻腐蚀加工工艺制作难的弊端。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电
，具体涉及一种光电二极管。
技术介绍
光电探测器是宽带通信系统、无线通信系统和高频测量系统中不可少的器件之一，也是光接收机中的核心器件。光电二极管是光电探测器中用于光电转换的光波导结构。大功率高速光电二极管的研制，开始是在传统的PIN (positive intrinsicnegative diode)光电二极管结构上进行改进；90年代末20世纪初提出了波导光电二极管(Waveguide Diode, WD)方案；最近两年提出了方向I禹合光电二极管(Directional Coupling Photo Diode, DCPD)方案。如图I所示，传统的PIN光电二极管中，入射光从垂直于PN结的方向入射，在中间本征层中吸收。这种结构称为表面垂直型(Surface Normal)。对于大功率和高速要求,表面垂直型光电二极管有三个明显的问题，一是具有严重的饱和效应；二是渡越时间长(载流子通过本征层的时间)三是光在本征层吸收时指数衰减的，光吸收集中在很薄的体积内，限制了总光电流。饱和效应限制了光电二极管的光电流，从而限制了光电二极管输出的光功率；长的渡越时间限制了光电二极管的响应频率；薄吸收层也是限制总的光电流的一个因素。90年代末提出了波导光电二极管的方案。如图2所示，波导光电二极管将光吸收层置于波导顶部，光从波导端面入射，在波导中一边传播，一边从波导耦合到吸收层被吸收。波导光电二极管光吸收分布在很长的范围内(几百微米)，因此吸收面积比较大。另一个优点是光入射的方向和漂移电场方向相垂直，所以吸收层可以比表面垂直型光电二极管薄很多，这样载流子的漂移时间快很多。但到目前为止，波导光电二极管并没有在大功率方面取得突破。波导光电二极管功率不能作大，比较明确的重要原因有光电流沿波导分布不均匀，是指数衰减的；有较大的耦合损耗。在波导的前端，光电流很强，在波导的后端，光电流却很弱。一旦波导前端光电流达到饱和时，虽然波导后端光电流还很弱，也不能再增加入射光功率，否则就会出现与饱和相关的非线性问题，出现严重失真，甚至因过热烧毁波导前端。2008年，美国加州大学圣地亚哥分校提出了方向耦合光电二极管的方案，解决了波导光电二极管光电流分布不均匀和耦合损耗大的问题。如图3所示，方向耦合光电二极管由两个相隔一个耦合层的波导(波导A和波导B)平行放置构成，光从没有吸收层的波导入射，一边传播一边耦合到顶部有吸收层波导，吸收层也是位于波导瞬逝场位置。两个波导内的光会互相耦合。在方向耦合器的前端，光功率较强，但主要集中在没有吸收层波导，顶部有吸收层的波导中光功率很弱，相应的吸收层光功率也很弱。这样在方向稱合器前端，光电流就比波导光电二极管中前端光电流要弱得多。随着光沿耦合器传播和吸收，耦合到有吸收层波导的光比例越来越大，但总光功率由于波导前面的吸收会下降，所以在方向耦合器的后端，光电流既不会像波导光电二极管那样很快指数衰减，也不会很快增加，在一定的长度内，光电流沿波导分布就比较均匀。在某个合适的条件下，光电流会有一个最均匀分布。但是这种结构也有一定的弊端首先，水平方向耦合器的耦合长度和吸收长度受耦合层上的空气间隙的影响。当空气间隙改变时，耦合长度和吸收长度都会改变。而对于基超模的吸收长度和一阶超模的吸收长度由于两模式在吸收层的瞬逝场存在差异也有着不同。当吸收长度和耦合长度都改变后，就无法满足超模匹配条件，导致光电流分布不均匀。另外，对于水平方向耦合器，两个波导之间耦合层上的空气间隙是通过光刻腐蚀加工工艺制作的，深而窄的空气间隙的腐蚀是不容易做到的。如果需要耦合长度很短，就需要腐蚀加工深而窄的空气间隙，这是很难做到的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中，当耦合层上的空气间隙改变时，该光电二极管的耦合长度和吸收长度都会改变而带来的缺陷，提出了用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构。本专利技术的技术方案是用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，其特征在 于，包括从上到下依次层叠的本征层、吸收层、上波导层、间隙层、下波导层、覆盖层和衬底，所述间隙层做为上波导层与下波导层之间的一层低折射率耦合层，所述上波导层与下波导层构成垂直方向的I禹合器(相当于垂直方向I禹合的光电二极管)用于使光从下波导层入射逐渐耦合到上波导层并使光一边在上波导层与下波导层中传输，一边被吸收层吸收。本专利技术的有益效果是本专利技术的用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构由
技术介绍
中所述的“水平方向耦合光电二极管结构”发展而来，解决了水平方向耦合光电二极管结构中当空气间隙改变时，耦合长度和吸收长度都会改变，以及光刻腐蚀加工工艺制作难的弊端。本专利技术的技术方案具有以下优点1、可以改变上下波导的厚度调整两个超模的吸收长度；2、可以改变耦合层厚度调整耦合长度；3、从光纤端口输出的圆形激光束，有更多的光耦合到两个超模中，因此耦合损耗很低；4、光电流对激光偏振方向不敏感。同时，垂直耦合的方向耦合器没有这个加工困难问题，需要短耦合长度时，耦合层厚度就生长薄一些，几十纳米的膜层厚度误差对耦合长度的影响不是很大，这个膜厚误差在膜层生长中是很容易控制的。5、本专利技术结构所应用的光电探测器能够满足超模匹配条件使光电流分布最均勻，从而使探测器的功率能够大幅度提闻，实现大功率突破，同时具有低I禹合损耗和偏振非敏感性。同时，器件采用单载流子技术，单载流子是指光生电子和空穴中，只有电子对光电流有贡献，空穴对光电流没有贡献。单载流子器件的响应速度很快，耗尽区两侧的电荷积累导致的光电流饱和效应很低，能够大功率高速运转。附图说明图I是现有技术中传统的PIN光电二极管的结构示意图。图2是现有技术中波导光电二极管的结构示意图。图3是现有技术中水平方向耦合光电二极管的结构示意图。图4是本专利技术的用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构示意图。图5是本专利技术的用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构的光波导结构简化示意图。图6是本专利技术的横截面折射率分布示意图。图7是本专利技术的仿真结果示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的说明如图4和5所示，用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，包括从上到下依次层叠的本征层I、吸收层2、上波导层3、间隙层4、下波导层5、覆盖层6和衬底7，所述间隙层4做为上波导层3与下波导层5之间的一层低折射率耦合层，所述上波导层3与下波导层5构成垂直方向的I禹合器(相当于垂直方向I禹合的光电二极管)用于使光从下波导层5入射逐渐耦合到上波导层3并使光一边在上波导层3与下波导层5中传输，一边被吸收层2吸收。 本实施例中的用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，其工作波长为I.55iim、吸收层2的材料为InGaAs (铟砷化镓)、上波导层3、下波导层5和覆盖层6的材料为InGaAsP (铟砷镓磷)；本征层I、间隙层4、衬底I的材料为InP (磷化铟)。在确定垂直方向耦合的光电探测器器的结构参数之前，先列出一些该结构的基本理论参数，见表3-1，结构参数如表3-2。表3-1垂直方向耦合的光电探测器所采用的各种材料的折射率 波导材料折射率 InP3 23InGaAsP 3 49InGaAs3.56-0. Ii~表3-2垂直方向耦合的光电探测器的结构参数 本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构，其特征在于，包括从上到下依次层叠的本征层、吸收层、上波导层、间隙层、下波导层、覆盖层和衬底，所述间隙层做为上波导层与下波导层之间的一层低折...
【专利技术属性】
技术研发人员：余学才，古燕西，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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