[发明专利]一种硅基混合集成雪崩光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及硅基混合集成光电探测器技术领域，具体是指一种在SOI上集成的消逝场耦合的雪崩光电探测器。

背景技术

近年来，硅基光子学有了飞速的发展，硅基芯片上同时集成多种光有源和无源器件使得硅基集成的前景更加广阔。光电探测器是光子学系统中重要的元件，未来随着光子系统对高带宽、高集成度的要求越来越高，对探测器性能的要求也就越高。因为传统面入射探测器存在着带宽和响应度相互制约的问题，同时面入射器件与波导功能结构的集成也受到极大制约。波导型雪崩探测可以同时满足高响应度和带宽特性，并且相对于PIN探测器，雪崩二极管(APD)由于其内部增益和高灵敏度而更具竞争力，多用于探测具有高灵敏度的低功率信号。

在硅基集成探测器领域，将光纤中的光高效耦合进硅波导一直是一个待解决的问题。之前报导过的硅基集成探测器多用周期性的光栅耦合器，耦合效率较低且对偏振敏感。而耦合器的发展趋势是追求耦合损耗低，工作带宽大和制作简便。因此发展一种适用于硅基集成的高耦合效率的波导型的探测器是很有意义的工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种高响应度、高带宽的硅基集成的倏逝场耦合波导雪崩探测器结构，来解决耦合器耦合效率低、面入射探测器响应度与带宽相互制约以及不利于片上互连等问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种硅基混合集成雪崩光电探测器，包括自下而上叠置的SOI倒锥耦合结构、键合层、波导和光学匹配层，以及雪崩光电探测结构，波导和光学匹配层包括波导区和光学匹配区，所述雪崩光电探测结构位于光学匹配区上。

根据本发明的具体实施方式，所述SOI倒锥耦合结构包括硅衬底、二氧化硅埋氧层和顶层硅，二氧化硅埋氧层制作在硅衬底上，顶层硅制作在埋氧层上。

根据本发明的具体实施方式，所述SOI基倒锥耦合结构的顶层硅与埋氧层具有折射率差。

根据本发明的具体实施方式，所述顶层硅的一端为条形波导，另一端为倒锥耦合器。

根据本发明的具体实施方式，所述顶层硅的厚度为220nm，条形波导的波导宽度为450nm～500nm。

根据本发明的具体实施方式，所述倒锥耦合器的结构为直线锥形倒锥耦合器结构，其尖端宽度为100nm～150nm，taper长度为150μm～200μm。

根据本发明的具体实施方式，所述键合层为厚度100nm的BCB键合层。

根据本发明的具体实施方式，所述波导和光学匹配层的波导区的材料是聚酰亚胺，截面尺寸为3μm×1.3μm。

根据本发明的具体实施方式，通过倏逝波耦合的方式，光学匹配区可以实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收层中，并提供n型欧姆接触。

根据本发明的具体实施方式，所述光学匹配区的折射率为3.41的InGaAsP材料，其中Ga的组分为0.3，As的组分为0.64。

根据本发明的具体实施方式，所述雪崩光电探测结构具有内部增益，宽3μm～7μm。

根据本发明的具体实施方式，所述雪崩光电探测结构包括从下而上的倍增层、电荷层和吸收层。

根据本发明的具体实施方式，所述倍增层为InAlAs材料，In的组分是0.52，倍增层、电荷层和吸收层分别为：i-InAlAs倍增层、p-InAlAs电荷层和i-InGaAs吸收层。

根据本发明的具体实施方式，所述倍增区为InP材料，倍增层、电荷层和吸收层分别为：i-InP倍增层、n-InP电荷层和i-InGaAs吸收层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，与现有的器件比较，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的是硅基集成的雪崩光电探测器，结合硅波导和APD的优良特性，首次提出了将SOI上的倒锥耦合结构与Ⅲ-ⅤAPD二者集成的结构。透镜光纤中的光模式能与聚合物波导中的光模式较好的匹配，光耦合进入锥形耦合器，并最终进入硅条形波导中，硅波导中的光振荡耦合进入光学匹配区以及吸收层区域，大大提高了光的耦合效率，可以实现在M＝1的条件下0.89A/W的器件响应度。

2、本发明提供的硅基集成的雪崩光电探测器，其光学匹配区部分可实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收层中，并将光限制在APD吸收层中，直至被完全吸收。由于倒锥结构的高效耦合和SOI衬底中SiO₂层的泄露阻挡作用，此集成器件可以达到高于纯粹波导型InGaAs/InAlAsAPD的量子效率(M＝1)。