[发明专利]集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器

说明书

本发明涉及集成芯片领域，公开了一种集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器，包括：路由光波导和多端口光波导均形成于衬底上，多端口光波导由N≥4个锥形输入光波导和一个中心多模光波导组成；1×2第一光分束器设置在路由光波导的光耦合输入端，每两个锥形输入光波导的输入端连接一个分别与1×2第一光分束器连接的1×2第二光分束器；低维材料异质结薄膜覆盖在多端口光波导的表面，在其两端、中心多模光波导的四周还分别对角覆盖有第一、第二正电极以及第一、第二负电极；低维材料异质结薄膜与中心多模光波导的传输方向垂直设置。本探测器能够探测出高功率和多波段的光信号，响应度较高，光‑电响应带宽较大。

技术领域

本发明涉及集成芯片领域，特别涉及一种集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器。

背景技术

光-电探测器一般被用于探测光或其他电磁能量。目前探测器在有线或无线通信、传感、监控、国家安全领域等方面具有重要实际应用。具体在光-电子集成芯片中，光-电探测器是接收端核心芯片之一，它将高速光数据转换成电信号。光-电探测器一般来说是利用材料具有热电效应、光电效应、电吸收效应，来探测光的强度大小。在光通信波段，目前基于的主要材料体系有III-V族材料、锗（Ge）、硅（Si）。虽然基于这些材料体系的探测器取得具有良好的性能并且实现商用化，还是有诸多不足之处，例如，光学响应波长单一，器件尺寸较大，制备工艺复杂，成本较高等。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器，该光电探测器能够探测出高功率和多波段的光信号，响应度较高，光-电响应带宽较大。

技术方案：本发明提供了一种集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器，衬底，路由光波导和多端口光波导均形成于所述衬底上，所述多端口光波导由N个锥形输入光波导和一个中心多模光波导组成，其中N为偶数且大于等于4；1×2第一光分束器设置在所述路由光波导的光耦合输入端，每两个所述锥形输入光波导的输入端连接一个1×2第二光分束器，各所述1×2第二光分束器分别与所述1×2第一光分束器连接；低维材料异质结薄膜覆盖在所述多端口光波导的表面，第一正电极、第二正电极、第一负电极和第二负电极部分覆盖在所述低维材料异质结薄膜的四周，且第一正电极和第二正电极相对所述中心多模光波导对角设置，第一负电极和第二负电极相对所述中心多模光波导对角设置，所述低维材料异质结薄膜与所述中心多模光波导的传输方向垂直设置。

优选地，所述低维材料异质结薄膜由自上而下或自下而上依次覆盖的二硫化钼薄膜材料层、氮化硼薄膜材料层和黑鳞薄膜材料层组成。由于二硫化钼薄膜材料层和黑鳞薄膜材料层分别具有不同的带隙范围，使得本探测器能够探测到波段为400-690nm和1100nm~4000nm的光信号，光-电响应带宽较大。

优选地，所述二硫化钼薄膜材料层的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为1.2eV~1.9eV。

优选地，所述黑鳞薄膜材料层的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为0.3eV~1eV。

优选地，在各所述1×2第二光分束器与各所述锥形输入光波导的输入端之间的所述路由光波导上，还分别设置有石墨烯电阻加热器。经1×2光分束器分成两路的光信号分别从两侧的路由光波导传输至各锥形输入光波导的路径会有差别，这样两侧光信号到达探测区的时间就会不同，导致探测高速的光信号质量差，本发明中在各锥形输入光波导的输入端与各1×2第二光分束器之间的路由光波导上分别设置石墨烯电阻加热器，能够对两侧的路由光波导进行加热，从而调节两侧路由光波导的折射率，进而调节两侧光信号的传播速率，使得经两侧路由光波导传输的光信号能够同时到达探测区，使得探测到的光信号质量较好，响应度较高。

优选地，各所述石墨烯电阻加热器分别距离各所述锥形输入光波导的输入端200nm-3000nm。

优选地，所述路由光波导和所述多端口光波导的材料均为在400-4000nm光波段范围具有低传输损耗的材料。