[发明专利]斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器

说明书

本发明公开了一种斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器，包括InP基底和InP基底上的覆盖层、置于覆盖层上的脊波导和两个地电极，两个地电极水平放置在覆盖层上并关于脊波导对称，脊波导从下到上依次包括波导层、收集层、耗尽层、吸收层和阻挡层，信号电极层位于脊波导的阻挡层上，波导探测器的横截面呈“凸”字型；光倾斜一定角度从波导层端面入射，最后传播到吸收层被吸收产生光电流。本发明改善了一般光波导探测器的光电流分布不均匀的问题，针对不同的波导结构，可以调整不同的入射倾角使其达到光电流均匀分布，采用斜入射式的方法，可以不再受超模匹配严苛条件的限制，调整合适的角度最终达到光电流分布均匀。

技术领域

本发明属于微波光子领域，特别涉及一种斜入射光纤直接耦合的大横截面光波导探测器。

背景技术

光电探测器是一种光与物质相互作用的光电子器件，通过将入射到器件上的光信号转变成微波射频信号，从而实现光电信号之间的转换。在微波光子领域中，模拟光电探测器是不可或缺的器件之一，其性能对整个微波光子系统起着决定性作用。探测器的带宽影响着通信系统的传输容量，而高饱和输出功率制约了信号的传输距离。因此设计并制备大带宽、高饱和输出功率的光电探测器至关重要。然而光电探测器本身固有的物理特性又限制着既满足大带宽，又满足高饱和输出功率的要求。如探测器带宽受到载流子渡越时间和RC时间常数限制，响应度又受到波导长度等影响，但增大波导长度会使结电容增大导致RC时间常数增大，从而减小了带宽，因此难以同时实现大带宽和高饱和功率输出。

对于PIN光电探测器明显存在着两个问题：第一，在高光强注入下，耗尽区的光生空穴引起的空间电荷效应会限制器件饱和电流的输出。第二，由于PIN光电探测器的光入射方式采用的是垂直入射，因此光被本征层吸收产生的光生电子的运动方向与光传播方向相同，要增大光电流输出(即量子效率)就意味着必须增加本征层厚度，但增加本征层厚度的同时也会增大光生电子的渡越时间，从而导致器件响应速度下降，带宽减小。为解决上述问题，又提出了单行载流子光电探测器(Uni-traveling-Carrier Photodiode，UTC-PD)，UTC-PD只采用电子作为有源载流子，电子的输运决定了整个器件的响应时间，由于电子的运动速度远高于空穴运动速度，因此电子可以快速通过耗尽区，使空间电荷效应得到抑制，同时又获得了较高的带宽和较大的饱和输出功率。

随着微波光子系统的发展，对带宽和输出功率的要求也越来越高。随之提出波导探测器(Waveguide Photodetector，WGPD)，光从波导前端入射，光的传播方向与光生载流子的渡越方向相互垂直，克服了一般光电探测器中量子效率和带宽之间的矛盾。但波导探测器同样也存在着以下问题：光在沿垂直于端面的波导中传输，入射光会被前端波导层上方的吸收层迅速吸收，光电流在波导前端饱和，在末端趋近于零，导致光电流分布不均匀，呈指数形式衰减，光耦合损耗大，且当波导前端光电流很强时，可能会导致波导前端因功率过高而烧毁。为了解决波导探测器光电流分布不均匀且耦合损耗大的问题，提出了方向耦合波导探测器(Directional Coupling Waveguide Photodetector，DCPD)，如图1所示，两个水平放置的波导，光从没有吸收层的波导A端面入射，入射光沿着波导A一边传播一边向着带有吸收层的波导B耦合，一开始入射光功率主要集中在波导A中，由于耦合效应，波导B中的光功率很小，因此吸收层中的光功率也很小，产生的光电流也很小。随着光在耦合器中的传播，越来越多的光从波导A耦合到波导B中，由于波导B中的吸收层对光有吸收作用，因此总光功率会有所下降。所以在方向耦合器后端光电流不会迅速衰减，而是在一定波导长度内分布较均匀。然而在这种结构中，两波导之间的空气间隙会对耦合长度和吸收长度有较大的影响，空气间隙发生变化时，会导致光电流分布不均匀。与此同时，在实际制作过程中光刻腐蚀加工也难以保证其精度控制。