[发明专利]波导耦合表面等离子体激元光检测器

说明书

技术领域

本发明的实施例针对光检测器，并且更具体针对通过将光从波导模式转换到表面等离子体激元模式(SPP)来检测波导中的光。

背景技术

许多应用依赖检测波导中行进的光信号的能力。光在已知为射线的直线路径中传播。射线可在材料表面折射、反射和散射。在介质波导中，高指数(index)核心区可由较低指数包覆层(cladding layer)来包围。射线可由核心/包覆界面的内部反射限定在高指数核心区中。反射的射线可相互干扰以形成波导内的电磁场图。

在波导中，光可仅具有称为“模式”的某些允许的状态。波导的“模式”指核心区中无色散(即，改变形状)传播的场图。如果波导只支持一个模式，则它能够是“单模式”。“多模式”波导支持许多模式。模式的类推(analogy)可认为是概率函数，其中，模式类似于原子中的电子壳。电子被限定在壳内，就像光子在其模式中发现的那样。通过改变波导的形状，不再能够支持波导模式，并且光可被放出、定向、转向或“强制”离开波导并进入更高指数检测器。

波导可引导光到光检测器。为了电检测波导中的光，光检测器可吸收辐射，收集光生电荷，并产生电流。目前，隐失耦合(evanescentlycoupled)波导光检测器或部分隐失耦合/对接耦合(butt coupled)光检测器用于检测波导中的光。一般情况下，用隐失耦合光检测器，耦合较弱，并且需要装置20-100微米长以有效地捕捉光。这导致可能限制装置的速度的更高暗电流和检测器电容。

发明内容

本发明提供一种设备，包括：波导，携带波导模式中的光信号；金属半导体金属(MSM)光检测器，包括第一电极、第二电极以及夹在所述第一电极与所述第二电极之间的半导体材料。其中所述MSM光检测器将所述光信号从波导模式转变为表面等离子体激元(SPP)模式。

本发明还提供一种用于检测光信号的方法，包括：将光信号发出到波导中，所述光信号在波导模式中；接近金属半导体金属(MSM)装置来路由所述波导；以及通过所述MSM装置将所述光信号从波导模式转换到表面等离子体激元(SPP)模式以检测所述光信号。

附图说明

当连同附图阅读时从布置和示例实施例及权利要求的以下详细描述，本发明的上述内容和更好理解可变得明显，所有附图形成本发明的公开的一部分。虽然上述内容和以下书面的和示出的公开集中于公开本发明的布置和示例实施例，但应明确理解的是，它们只是作为说明和示例，并且本发明并不限于此。

图1是根据一个实施例的波导耦合等离子体检测器的截面视图；

图2是图1中所示的波导耦合等离子体检测器的顶视图；

图3A和3B分别是检测在TE模式中偏振的光信号的波导耦合等离子体检测器和检测器响应；

图4A和4B分别是检测在TM模式中偏振的光信号的波导耦合等离子体检测器和检测器响应；

图5A和5B分别是波导耦合等离子体光检测器的另一个实施例的顶视图和截面视图。

具体实施方式

实施例描述用于感应或检测光波导中的光强度并将光强度(光子)转换成电流(电子/空穴)的设备和方法。

遍及此说明书对“一个实施例”或“一实施例”的引用指连同该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，遍及本说明书各个位置中出现的短语“在一个实施例”或“在一实施例中”不一定全部指相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可在一个或多个实施例中以任何适合的方式来组合。

实施例针对波导耦合的光检测器。波导可以是任何常见波导材料(只要它具有比包围的包覆更高的折射率)，并且波导和包覆均是光透明的。

在一个实施例中，检测器基于金属半导体金属(MSM)光检测器。在其它实施例中，检测器可以是PIN二极管。在金属半导体金属光检测器的情况下，金属电极用作应用电压、清除光生载流子的触点以及表面，由此表面等离子体激元(SPP)模式被激励并将光带入检测器的半导体区以允许有效地创建电子空穴对和光生电流。

表面等离子体激元是在两种材料的边界的电子密度中的波动。激元是包围金属的原子晶格点(atomic lattice site)的电子气(或等离子体)的集体振动。当等离子体与光子耦合时，结果的颗粒可称为激元。此激元沿金属的表面传播，直到它由于吸收而衰退，由此能量被转换成光子，或者由于辐射跃迁成光子而衰退，或者在能量高于半导体的带隙时，它创建电子空穴对。