[发明专利]一种具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器

说明书

本发明公开了一种具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在于，包括在衬底上自下而上依次为吸收层、下波导层、耦合层、中波导层、耦合层、上波导层和吸收层；相邻的吸收层、下波导层、耦合层与所述相邻的耦合层、上波导层和吸收层相对于中波导层对称排布。该具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，由于波导结构对称，使得波导中任意位置处的光场模式在基超模和一阶超模叠加组合时就能实现较好的还原，避免引入高阶波导模式的修正，有效的抑制了高阶波导模式，简化了计算模型，而且能够有效减轻因高阶波导模式引入导致的波导前端局部过热而使器件烧毁的问题；最终获得的光电流分布更加均匀。

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，具体涉及一种具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器。

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。

之后波导探测器(waveguide photodetector，WGPD)的提出消除了电子在耗尽层渡越时间对响应速度的影响，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。但目前波导型探测器也存在以下问题：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，为了解决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波导探测器(DCPD,Directional Coupling WaveguidePhotodetector)的方案。如图1(a)所示，衬底11上平行放置波导A12和波导B14，两个平行放置的波导加上中间的耦合层13，光从没有耦合层13的波导A12端面入射，传播的同时，耦合到有吸收层15的波导B14中，吸收层15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15的波导A12上，有吸收层15的波导B14中光功率很弱，即吸收层15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15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，光电流可以分布最均匀。

然而，这种结构耦合层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。耦合层上的空气间隙的光刻腐蚀加工也不容易制作。为解决这个问题，2010年，余学才教授提出了一种垂直方向耦合波导探测器(VDCPD,Vertical Directional Coupling Waveguide Photodetector)，如图1(b)所示，自下而上依次是衬底21、覆盖层22、下波导层23、耦合层24、上波导层25、吸收层26、本征层27。VDCPD的两个波导在垂直方向上平行放置，上波导层25和下波导层23中间通过一层低折射率薄膜而不是空气间隙层耦合。在满足一定的条件时，光电流分布最均匀。然而，VDCPD虽然可以很好的抑制高阶模的激励，但在波导中还是不可避免的会产生高阶模式，不能完全消除高阶模，波导发热的问题仍然存在。因此，这里提出了一种对称结构的垂直方向耦合波导探测器，它可以很好的解决这个问题，最大程度的抑制高阶模的激励。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，能够增加垂直方向耦合波导探测器中基超模和一阶超模的激励，减少高阶模的激励，以减少波导发热的问题。