用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構的製作方法

2023-05-26 19:10:01 2

專利名稱：用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電技術領域，具體涉及一種光電二極體。
背景技術：
光電探測器是寬帶通信系統、無線通信系統和高頻測量系統中不可少的器件之一，也是光接收機中的核心器件。光電二極體是光電探測器中用於光電轉換的光波導結構。大功率高速光電二極體的研製，開始是在傳統的PIN (positive intrinsicnegative diode)光電二極體結構上進行改進；90年代末20世紀初提出了波導光電二極體(Waveguide Diode, WD)方案；最近兩年提出了方向I禹合光電二極體(Directional Coupling Photo Diode, DCPD)方案。如圖I所示，傳統的PIN光電二極體中，入射光從垂直於PN結的方向入射，在中間本徵層中吸收。這種結構稱為表面垂直型(Surface Normal)。對於大功率和高速要求,表面垂直型光電二極體有三個明顯的問題，一是具有嚴重的飽和效應；二是渡越時間長(載流子通過本徵層的時間)三是光在本徵層吸收時指數衰減的，光吸收集中在很薄的體積內，限制了總光電流。飽和效應限制了光電二極體的光電流，從而限制了光電二極體輸出的光功率；長的渡越時間限制了光電二極體的響應頻率；薄吸收層也是限制總的光電流的一個因素。90年代末提出了波導光電二極體的方案。如圖2所示，波導光電二極體將光吸收層置于波導頂部，光從波導端面入射，在波導中一邊傳播，一邊從波導耦合到吸收層被吸收。波導光電二極體光吸收分布在很長的範圍內(幾百微米)，因此吸收面積比較大。另一個優點是光入射的方向和漂移電場方向相垂直，所以吸收層可以比表面垂直型光電二極體薄很多，這樣載流子的漂移時間快很多。但到目前為止，波導光電二極體並沒有在大功率方面取得突破。波導光電二極體功率不能作大，比較明確的重要原因有光電流沿波導分布不均勻，是指數衰減的；有較大的耦合損耗。在波導的前端，光電流很強，在波導的後端，光電流卻很弱。一旦波導前端光電流達到飽和時，雖然波導後端光電流還很弱，也不能再增加入射光功率，否則就會出現與飽和相關的非線性問題，出現嚴重失真，甚至因過熱燒毀波導前端。2008年，美國加州大學聖地牙哥分校提出了方向耦合光電二極體的方案，解決了波導光電二極體光電流分布不均勻和耦合損耗大的問題。如圖3所示，方向耦合光電二極體由兩個相隔一個耦合層的波導(波導A和波導B)平行放置構成，光從沒有吸收層的波導入射，一邊傳播一邊耦合到頂部有吸收層波導，吸收層也是位于波導瞬逝場位置。兩個波導內的光會互相耦合。在方向耦合器的前端，光功率較強，但主要集中在沒有吸收層波導，頂部有吸收層的波導中光功率很弱，相應的吸收層光功率也很弱。這樣在方向稱合器前端，光電流就比波導光電二極體中前端光電流要弱得多。隨著光沿耦合器傳播和吸收，耦合到有吸收層波導的光比例越來越大，但總光功率由于波導前面的吸收會下降，所以在方向耦合器的後端，光電流既不會像波導光電二極體那樣很快指數衰減，也不會很快增加，在一定的長度內，光電流沿波導分布就比較均勻。在某個合適的條件下，光電流會有一個最均勻分布。但是這種結構也有一定的弊端首先，水平方向耦合器的耦合長度和吸收長度受耦合層上的空氣間隙的影響。當空氣間隙改變時，耦合長度和吸收長度都會改變。而對於基超模的吸收長度和一階超模的吸收長度由於兩模式在吸收層的瞬逝場存在差異也有著不同。當吸收長度和耦合長度都改變後，就無法滿足超模匹配條件，導致光電流分布不均勻。另外，對於水平方向耦合器，兩個波導之間耦合層上的空氣間隙是通過光刻腐蝕加工工藝製作的，深而窄的空氣間隙的腐蝕是不容易做到的。如果需要耦合長度很短，就需要腐蝕加工深而窄的空氣間隙，這是很難做到的。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術中，當耦合層上的空氣間隙改變時，該光電二極體的耦合長度和吸收長度都會改變而帶來的缺陷，提出了用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構。本發明的技術方案是用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構，其特徵在 於，包括從上到下依次層疊的本徵層、吸收層、上波導層、間隙層、下波導層、覆蓋層和襯底，所述間隙層做為上波導層與下波導層之間的一層低折射率耦合層，所述上波導層與下波導層構成垂直方向的I禹合器(相當於垂直方向I禹合的光電二極體)用於使光從下波導層入射逐漸耦合到上波導層並使光一邊在上波導層與下波導層中傳輸，一邊被吸收層吸收。本發明的有益效果是本發明的用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構由背景技術中所述的「水平方向耦合光電二極體結構」發展而來，解決了水平方向耦合光電二極體結構中當空氣間隙改變時，耦合長度和吸收長度都會改變，以及光刻腐蝕加工工藝製作難的弊端。本發明的技術方案具有以下優點1、可以改變上下波導的厚度調整兩個超模的吸收長度；2、可以改變耦合層厚度調整耦合長度；3、從光纖埠輸出的圓形雷射束，有更多的光耦合到兩個超模中，因此耦合損耗很低；4、光電流對雷射偏振方向不敏感。同時，垂直耦合的方向耦合器沒有這個加工困難問題，需要短耦合長度時，耦合層厚度就生長薄一些，幾十納米的膜層厚度誤差對耦合長度的影響不是很大，這個膜厚誤差在膜層生長中是很容易控制的。5、本發明結構所應用的光電探測器能夠滿足超模匹配條件使光電流分布最均勻，從而使探測器的功率能夠大幅度提聞，實現大功率突破，同時具有低I禹合損耗和偏振非敏感性。同時，器件採用單載流子技術，單載流子是指光生電子和空穴中，只有電子對光電流有貢獻，空穴對光電流沒有貢獻。單載流子器件的響應速度很快，耗盡區兩側的電荷積累導致的光電流飽和效應很低，能夠大功率高速運轉。


圖I是現有技術中傳統的PIN光電二極體的結構示意圖。圖2是現有技術中波導光電二極體的結構示意圖。圖3是現有技術中水平方向耦合光電二極體的結構示意圖。圖4是本發明的用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構示意圖。圖5是本發明的用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構的光波導結構簡化示意圖。
圖6是本發明的橫截面折射率分布示意圖。圖7是本發明的仿真結果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明如圖4和5所示，用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構，包括從上到下依次層疊的本徵層I、吸收層2、上波導層3、間隙層4、下波導層5、覆蓋層6和襯底7，所述間隙層4做為上波導層3與下波導層5之間的一層低折射率耦合層，所述上波導層3與下波導層5構成垂直方向的I禹合器(相當於垂直方向I禹合的光電二極體)用於使光從下波導層5入射逐漸耦合到上波導層3並使光一邊在上波導層3與下波導層5中傳輸，一邊被吸收層2吸收。
本實施例中的用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構，其工作波長為
I.55iim、吸收層2的材料為InGaAs (銦砷化鎵)、上波導層3、下波導層5和覆蓋層6的材料為InGaAsP (銦砷鎵磷)；本徵層I、間隙層4、襯底I的材料為InP (磷化銦)。在確定垂直方向耦合的光電探測器器的結構參數之前，先列出一些該結構的基本理論參數，見表3-1，結構參數如表3-2。表3-1垂直方向耦合的光電探測器所採用的各種材料的折射率
波導材料折射率 InP3 23
InGaAsP 3 49InGaAs3.56-0. Ii~表3-2垂直方向耦合的光電探測器的結構參數
對應序號各層材料厚度
1本徵層InPIum
2吸收層 InGaAs0.85 u m
3上波導層 InGaAsP3. 7 u m
4間隙層InP0. Ium
5下波導層 InGaAsP3. 55 Um
6覆蓋層 InGaAsP0. 5 u m
權利要求
1.用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構，其特徵在於，包括從上到下依次層疊的本徵層、吸收層、上波導層、間隙層、下波導層、覆蓋層和襯底，所述間隙層做為上波導層與下波導層之間的一層低折射率耦合層，所述上波導層與下波導層構成垂直方向的耦合器(相當於垂直方向耦合的光電二極體)用於使光從下波導層入射逐漸耦合到上波導層並使光一邊在上波導層與下波導層中傳輸，一邊被吸收層吸收。
全文摘要
本發明涉及一種用於垂直方向耦合的光電探測器的光波導結構，包括從上到下依次層疊的本徵層、吸收層、上波導層、間隙層、下波導層、覆蓋層和襯底，所述間隙層做為上波導層與下波導層之間的一層低折射率耦合層，所述上波導層與下波導層構成垂直方向的耦合器(相當於垂直方向耦合的光電二極體)用於使光從下波導層入射逐漸耦合到上波導層並使光一邊在上波導層與下波導層中傳輸，一邊被吸收層吸收。本發明的有益效果是解決了水平方向耦合光電二極體結構中當空氣間隙改變時，耦合長度和吸收長度都會改變，以及光刻腐蝕加工工藝製作難的弊端。
文檔編號H01L31/0232GK102723383SQ20121020260
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者餘學才, 古燕西 申請人:電子科技大學