[发明专利]一种方向耦合光波导探测器的前端输入波导结构

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种波导光电二极管，特别涉及一种方向耦合光波导探测器的前端输入波导结构。

背景技术

大功率高速光电探测器是一种基于光与物质相互作用探测器件，其作用是将入射光信号转换成大功率高频信号。大功率高速光探测器在光控相控阵雷达、超高速测试系统和光纤局域网通信中，是一个不可缺少的器件，其性能对整个系统起着决定性作用。

传统的垂直入射型光电探测器无法同时满足高速和大功率要求。主要原因如下：一是饱和效应，限制了光电流；二是渡越时间长，限制了响应频率；三是本征层的光吸收是指数衰减的，吸收区体积薄，总的光电流较小。

为了克服大功率和高速之间的矛盾，大功率高速光探测器采用波导结构(waveguide photodetector，WGPD)以消除电子在耗尽层渡越时间对响应速影响，从而克服了传统光电探测器中高速响应性能和量子效率的矛盾。波导探测器结构如图1所示，光从波导10端面入射后，在波导10传播的同时，耦合到吸收层6被吸收，转化为电子空穴对，保证了在器件长度方向吸收更加均匀，光生载流子的渡越时间由吸收层6的厚度决定，量子效率由探测器的长度决定，解决了响应效率和量子效率的矛盾。光入射的方向和漂移的电场方向是垂直的，吸收层6比表面垂直型探测器薄很多，所以载流子的漂移时间快很多。渐变耦合性波导光探测器适合单片集成，加上光纤和探测器耦合效率的不断提高，使量子效率得到进一步提升。

1986年，J.E.BOWERS等人，得到了第一个高速边耦合的WGPD，量子效率为25％，3dB带宽达到28GHz。由于光纤直径和探测器光场直径等原因，入射光和探测器的耦合效率很低。K.Kato和D.Wake等人在1991年，提出了一种双芯波导探测器的结构，如图2所示，在铟镓砷(InGaAs)吸收层6周围加一层掺杂的波导10，使光纤和探测器耦合效率达到80％，量子效率达40％，带宽达50GHz，是波导探测器迈向实用性阶段的重要突破。

根据探测器结构的分类有，边入射WGPD，双波导WGPD，渐变耦合WGPD，行波光探测器(traveling-wave photodetector，TWPD)等。

目前波导型探测器存在的问题是：光电流沿波导方向分布不均匀，是指数衰减的，耦合损耗较大；在波导前端光电流很强，传播方向上逐渐衰弱，波导前端决定了光电流的饱和值，限制了入射光功率。

2008年，为解决了波导探测器光电流分布不均匀和耦合损耗大的问题，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。如图3所示，两个平行放置的波导加上中间的耦合层4，光从没有耦合层的波导A8端面入射，传播的同时，耦合到有吸收层6的波导B9中，吸收层6位于波导瞬逝场位置。刚开始入射光功率集中在没有吸收层6的波导A8上，有吸收层6的波导B 9中光功率很弱，即吸收层6中光功率也很弱。因此，这种光电流比波导型的前端光电流要弱很多，随着光在耦合器中传播，耦合到有吸收层的波导的光功率逐渐增大，总功率由于波导的吸收会下降，所以在方向耦合器的后端，光电流不会快速衰减，在一定长度内，光电流沿波导分布比较均匀，在合适的条件下，光电流可以达到分布最均匀。这种结构缺陷是：耦合层4上端的空气间隙对耦合长度和吸收长度影响较大，空气间隙宽度改变时，会导致光电流分布不均匀。耦合层4上的空气间隙的光刻腐蚀加工也是不容易制作。

为了改进垂直方向耦合波导二极管结构，还提出了垂直方向耦合器。方向耦合波导光电探测器，必须满足一个称为超模匹配的条件才能实现大功率运转。超模匹配条件：方向耦合器基超模和一阶超模的耦合长度等于基超模的吸收长度，也等于一阶超模的吸收长度。实验证明，这种垂直方向耦合波导探测器有效的克服了波导探测器和水平方向耦合波导探测器缺点，能有效增加光电流。限制进一步提高光电流的因素是波导前端模式演化。在波导前端，入射光主要激励基超模和一阶超模，也不可避免激励高阶超模。所激励基超模和一阶超模是探测器工作所必需的，但高阶超模则会引起波导前端烧毁，原因是高阶超模很强、很快，引起多模干涉，使得波导前端几微米处波导局部过热烧毁。

发明内容

本发明旨在提供一种方向耦合光波导探测器的前端输入波导结构，其结构简单，很好的解决了上述问题，同时克服了波导探测器和水平方向耦合波导探测器缺点，能有效增加光电流，还解决波导前端由于模式演化问题导致过热烧毁问题。