] 图10为根据图8的仿真结果计算得到的光电流分布图。
[0034] 其中，11、21、31_ 衬底，12-波导 A，13、24、34_ 耦合层，14-波导 B，15、26、32-吸收 层，22-覆盖层，23、33_下波导层，25、36_上波导层，27-本征层，35-中波导层。
【具体实施方式】
[0035] 以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描 述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本 发明所保护的范围。
[0036] 本实施例提供的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，如图2和图3所示，包 括在衬底31上自下而上依次为吸收层32、下波导层33、親合层34、中波导层35、親合层34、 上波导层36和吸收层32 ;相邻的吸收层32、下波导层33、耦合层34与相邻的耦合层34、上 波导层36和吸收层32相对于中波导层35对称排布。
[0037] 上述探测器的工作波长为1. 55 μ m，吸收层32材料为InGaAs，波导层（包括上波 导层36、中波导层35、下波导层33)材料为InGaAsP，衬底31和親合层34材料为InP。
[0038] 在对本发明的技术方案进行理论分析之前，首先列出一些具有对称结构的垂直方 向耦合波导探测器的基本理论参数以及结构参数，上述探测器所有材料的折射率如表1所 不，其各层厚度如表2所不。
[0039] 表1具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器所采用的各种材料的折射率
[0040]
[0041] 表2具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器结构各层厚度
[0043] 下面在上述实施例的基础上对本发明的技术方案进行理论分析：
[0044] 运用有效折射率法分析对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其波导简化图如图 3所示，建立如图所示的坐标轴，首先将其等效成y方向的平板波导，求出中心波导及两侧 波导的有效折射率然后再等效成X方向的平板波导，最终求出整个脊波导的有效折 射率Ilrff。根据已求得的中心波导的有效折射率，便可绘出中心波导层的零阶超模和一阶超 模的场分布图。根据零阶超模和一阶超模的场分布图可验证该结构参数是否满足上述超模 理论，达到预期效果。
[0045] 本发明提供的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器的工作过程为：光从中波 导层35入射，经两侧的耦合层34分别耦合到上波导层36和下波导层33传播，最后在两个 吸收层32被吸收。在传播过程中，由于基超模和一阶超模的传播常数的差别，两个模式在 方向耦合器中干涉。在无吸收或无损耗情况下，两个模式的传播常数是实数，光功率在中波 导层和上下波导层中周期变化。上波导层36和下波导层33中的光功率最大时，中波导层 35中光功率最小，光功率周期性从中间波导层35耦合到上波导层36和下波导层33,总光 功率不变。在有吸收层32情况下，基超模和一阶超模的传播常数为复数，波导中光功率沿 波导纵向周期变化，总光功率同时受吸收衰减和干涉的影响。
[0046] 下面通过BeamProp软件对对称结构的垂直方向親合器进行仿真，对仿真结果图 进行分析，再通过Matlab绘出光电流分布图，对比非对称结构的光电流初始端分布波动情 况，从而验证对称结构的垂直方向耦合器的优越性。
[0047] 运用BeamPROP软件对上述结构参数进行数值模拟仿真，输入光采用高斯光束。对 于非对称结构的垂直方向耦合波导探测器（如图I (b)所示），输入光照射在下波导层23端 面上。得到的波导的折射率分布图和仿真结果图分别如图4和图5。
[0048] 在图5仿真结果图中，左边方框图代表非对称波导探测器内部光场分布沿z方向 (波导的长度方向）的变化。右边方框图则为光功率的变化图，在波导长度（包括上波导 层25和下波导层23,这里即z = 0时）为0时，左边第一条曲线为波导内总功率的变化，第 二条曲线为下波导层23中功率的变化，第三条曲线为上波导层25中功率的变化。由于吸 收层26的存在，光在波导内传播被吸收层26吸收，使得波导内总光功率整体呈现衰减的趋 势。
[0049] 根据beamprop导出的总光功率数据，运用matlab计算光功率对传播方向z求导 得出的光电流分布图如图6。
[0050] 由图6非对称波导光电流分布图可知，整体上光电流分布均匀，但在每个较小的 区间上光电流分布波动较大。
[0051] 对于具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器情况，输入光照射在中波导层35 端面上。波导的折射率分布图和仿真结果图分别如图7和图8所示。
[0052] 在图8仿真结果图中，左边方框图代表对称波导探测器内部光场分布沿z方向 (波导的长度方向）的变化。右边方框图则为光功率的变化图，在波导长度（包括上波导层 36、中波导层35和下波导层33,这里即z = 0)为0时，左边第一条曲线为波导内总功率的 变化，第二条曲线为中波导层35中功率的变化，第三条曲线为上波导层36、下波导层33中 功率的变化。由于吸收层32的存在，光在波导内传播被吸收层32吸收，使得波导内总光功 率整体呈现衰减的趋势。
[0053] 根据beamprop导出的总光功率数据，绘出归一化光功率图如图9,再运用matlab 计算光功率对传播方向z求导得出的光电流分布图如图10。
[0054] 由图10知，对于对称波导探测器而言，光电流分布较非对称波导结构更加均匀， 且在波导前端光电流较小，不会因为过热而烧毁波导。说明该波导结构有利于基模和一阶 模的激励，抑制高阶模的激励。
[0055] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发 明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的 普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各 种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 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（31)上自 下而上依次为吸收层（32)、下波导层（33)、耦合层（34)、中波导层（35)、耦合层（34)、上波 导层（36)和吸收层（32);所述相邻的吸收层（32)、下波导层（33)、耦合层（34)与所述相 邻的耦合层（34)、上波导层（36)和吸收层（32)相对于中波导层（35)对称排布。2. 根据权利要求1所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在于，探 测器中光波导结构的工作波长为0. 8~2 y m。3. 根据权利要求1所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在于，所 述下波导层（33)、中波导层（35)和上波导层（36)的材料相同，为In xGa1 ^iAsyP1 y。4. 根据权利要求1或3所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在于， 所述耦合层材料的折射率低于上波导层、中波导层和下波导层材料的折射率。5. 根据权利4所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在于，所述耦 合层材料为InP。6. 根据权利要求1所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在于，所 述吸收层材料为InxGa 1 xAs。7. 根据权利要求1或3所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在于， 所述下波导层（33)和上波导层（36)的厚度相同。8. 根据权利要求1或3所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在 于，所述下波导层（33)的厚度为2. 95~3.05 ym;所述中波导层（35)的厚度为2. 75~ 2. 85 y m ;所述上波导层（36)的厚度为2. 95~3. 05 y m。9. 根据权利要求4所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在于，所 述耦合层（34)的厚度为0. 085~0. 095 ym。10. 根据权利要求1或6所述的具有对称结构的垂直方向耦合波导探测器，其特征在 于，所述吸收层（32)的厚度为低于0.3 ym。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G02B6/26, G02B6/24, G02B6/12, H01L31/0232
【公开号】CN105044844
【申请号】CN201510556238
【发明人】余学才, 李林松, 马朝阳
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年9月2日