[发明专利]用于垂直方向耦合的光电探测器的光波导结构

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种光电二极管。

背景技术

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 intrinsic negative 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耦合光电二极管（Directional Coupling Photo Diode,DCPD）方案。

如图1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。这样在方向耦合器前端，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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案是：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。