一种具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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親合波导探测器（DCPD, Directional Coupling Waveguide Photodetector)的方案。如图I (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。
[0006] 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)所不， 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， VDcro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】
[0007] 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。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提供的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。
[0009] 首先，对于本发明的工作机理进行以下阐述：根据超模理论，方向耦合器作为一个 整体结构，其模式称为超模。在弱耦合下，基超模近似是三个独立波导中的基模的同相叠 加，一阶超模近似为三个独立波导中的基模的反相叠加。假设上波导层、中波导层、下波导 层中的基模分别用Φ τ来表示，则可知方向耦合器中，在弱耦合的情况下，基超 模和一阶超模可被表示为如下形式：
[0012] 其中，和O1(Xj)均是归一化的。在波导的任意位置处，模场为基超模 和一阶超模的组合，则在波导ζ处的光场为
[0014] 其中，X。和X i为常数，由入射光场确定；β。和β 1分别为基超模和一阶超模的 传播常数。
[0015] 与非对称结构垂直方向耦合波导探测器相比，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，而不需要或者 较少的引入高阶波导模式的修正。由于高阶波导模式衰减很快，导致波导前端局部过热，而 本结构有效的抑制了高阶波导模式，因此能有效的减轻波导发热导致器件烧毁的问题。
[0016] 本发明的研究对象是针对波导探测器，特别是探测器中光波导结构工作波长为 0.8~2 μπι的波导探测器。本发明给出的波导探测器的改进结构可以不限于上述工作波长 的范围，只要利用本发明中给出的探测器结构解决与本发明类似问题的均落入本发明的保 护范围。
[0017] 实施方式之一，本发明中，下波导层、耦合层、中波导层与中波导层、耦合层和上波 导层分别构成垂直方向的耦合器（相当于垂直方向耦合的光电二极管），用于使光从中波 导层入射，分两部分逐渐耦合到上波导层和下波导层并使光一边在中波导层、上波导层和 下波导层中传输，一边被吸收层吸收。下波导层、中波导层和上波导层的材料可以相同。本 发明中，下波导层、中波导层和上波导层的材料选择的是In xGa1 AsyP1 y，根据X和y的不 同选择存在多种实现方式。为了保证模式在波导层内对称分布，下波导层和上波导层的材 料和厚度相同。本发明对于上波导层、中波导层、下波导层和耦合层的厚度没有特殊的规 定，只要选择上波导层、中波导层、下波导层和耦合层的厚度使垂直方向耦合器满足超膜匹 配条件即可。本发明中，下波导层的厚度为2. 95~3. 05 μπι ;中波导层的厚度为2. 75~ 2. 85 μ m ;上波导层的厚度为2. 95~3. 05 μ m。
[0018] 实施方式之一，上述衬底和耦合层的材料可以相同，也可以不同，衬底材料可以选 择本领域中波导探测器常用的其它材料，耦合层材料则应选择折射率低于波导层折射率 的材料。例如选择耦合层材料InP，波导层材料InGaAsP，此时本发明中耦合层的厚度为 0· 085 ~0· 095 μ m。衬底厚度为 100 ~300 μ m。
[0019] 实施方式之一，吸收层材料可以选择本领域中作为吸收层的各种常规材料；本发 明中采用的材料主要为In xGa1 xAs，根据X的不同选择存在多种实现方式。吸收层的厚度为 低于〇. 3 μ m。
[0020] 本发明提供的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，具有以下至少一项有益 效果：
[0021] 1、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
[0022] 2、最终获得的光电流分布更加均匀。
【附图说明】
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
[0024] 图1为现有技术中提供的两种波导探测器的结构示意图：(a)为一种方向耦合波 导探测器的结构示意图；(b)为一种垂直方向耦合波导探测器的结构示意图；
[0025] 图2为本发明给出的一个实施例的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器的 结构示意图；
[0026] 图3为本发明给出的一个实施例的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器的 简化不意图；
[0027] 图4为图I (b)提供的非对称结构的垂直方向耦合波导探测器波导的折射率分布 图；
[0028] 图5为将输入光照射到图I (b)提供的非对称结构的垂直方向耦合波导探测器下 波导层端面上时得到的仿真结果图；
[0029] 图6为根据图5的仿真结果计算得到的光电流分布图；
[0030] 图7为图2提供的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器波导的折射率分布 图；
[0031] 图8为将输入光照射到图2提供的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器中波 导层端面上时得到的仿真结果图；
[0032] 图9为根据将输入光照射到图2提供的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测 器中波导层端面上时得到的仿真结果得到的总光功率数据，经归一化处理后得到的光功率 图；
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