基于非周期亚波长光栅的窄线宽可调谐高性能光探测器的制作方法

本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种利用非周期亚波长光栅实现多次反射功能的窄线宽可调谐高性能的光探测器。

背景技术：

随着信息时代的不断发展，更大容量、更长距离的数据传输成为人们不断追求的目标。由于光通信系统和网络的变革进步往往取决于器件在材料、工艺和结构上的发展，因而，在面对日益增长的高速光通信业务要求的严峻挑战时，有效提高光通信系统中关键光电子器件的性能将成为一种行之有效的途径。

在光通信系统中，高速高量子效率的光探测器是其中的一种关键光电子器件，起着不可或缺的作用。目前，虽然传统的垂直型PIN光探测器尚能满足当前高速光通信的带宽要求，但受其固有的效率带宽积的限制，带宽的提高是要以牺牲效率为前提的。为解决这一矛盾，谐振腔增强型(RCE)光探测器应运而生。它的基本结构是将吸收层插入到谐振腔中，利用谐振腔的增强效应，可以在减薄吸收层厚度的情况下，保证较高的量子效率，与此同时，响应速度也将有较大的提高。但由于传统的半导体器件以磷化铟(InP)系材料为主，折射率差较小，很难获得具有实用价值的分布式布拉格反射镜(DBR)，从而实现具有较大增强效果的谐振腔。

为解决这一困难，急需设计一种新型高性能的光探测器，以满足光通信系统对于器件带宽和效率日益提高的要求。

技术实现要素：

本发明为解决半导体光探测器的量子效率和频率响应带宽的相互制约问题，在谐振腔增强型(RCE)PIN光探测器基础上做进一步改进，设计出一种基于非周期亚波长光栅实现多次偏转反射的具有窄线宽可调谐高性能的光探测器，以达到高速、高量子效率、较好的波长选择性和较宽的波长调谐范围。

本发明提供的基于非周期亚波长光栅的窄线宽可调谐高性能光探测器，为三镜两腔结构，三镜指两组分布布拉格反射镜(DBR)和一个非周期亚波长光栅斜反射镜；两腔指滤波腔和吸收腔。器件结构自下而上分别为：第一组DBR、滤波腔、第二组DBR、吸收腔和非周期亚波长光栅斜反射镜。

其中，第一组DBR、滤波腔和第二组DBR共同构成具有波长选择功能的法布里-波罗谐振腔，两组DBR分别构成滤波腔的顶镜和底镜，作为顶镜和底镜的DBR由具有较大折射率差的两种材料构成。吸收腔由光探测器结构构成，位于滤波腔顶镜和非周期亚波长光栅斜反射镜之间，对经滤波腔的入射光进行多次反复吸收。

其中，所述非周期亚波长光栅斜反射镜是由高折射率差材料制成的具有特定光栅结构的平面介质斜反射镜。所述非周期亚波长光栅斜反射镜能够按照设计要求改变反射光相对于入射光的方向，实现具有一定角度的斜反射，同时保持较高的反射率。

其中，所述特定光栅结构为一维、二维或三维的非周期亚波长光栅。

优选地，所述一维的非周期亚波长光栅为周期和占空比在一维方向上随位置改变的条状光栅；所述二维的非周期亚波长光栅为周期和占空比在二维平面上随位置变化的同心圆环光栅，以及块状、柱状或孔状等图形阵列分布型光栅；所述三维的非周期亚波长光栅为在所述的二维非周期亚波长光栅的基础上的各光栅条或图形阵列块高度改变的光栅。

优选地，所述非周期亚波长光栅斜反射镜的每个光栅周期在0.3μm～1.8μm之间，光栅占空比为15％～85％，光栅高度为0.1～1.2μm，反射率达70％以上，实现反射光束方向改变0.1°～30°。

本发明的优点和积极效果在于：本发明的基于非周期亚波长光栅的窄线宽可调谐高性能光探测器，通过电调谐或热调谐来改变滤波腔的光学腔长，实现波长的选择调谐功能，利用非周期亚波长光栅与滤波腔顶镜DBR形成的多次反射机制，实现不同角度的高效率斜反射作用，有效地减小了光探测器的量子效率和频率响应带宽之间的制约关系，同时达到高速率和高量子效率。本发明具有易集成、窄线宽、可调谐、高量子效率、高频率响应带宽等特点，能够广泛应用于光通信及光信号处理领域。

附图说明

图1为本发明的基于非周期亚波长光栅的窄线宽可调谐高性能光探测器的结构示意图；

图2为本发明的光探测器中一维非周期亚波长光栅斜反射镜示意图；

图3a～图3c为本发明的光探测器中二维非周期亚波长光栅斜反射镜的三种结构示意图；图3a为矩形阵列光栅，图3b为六边形阵列光栅，图3c为同心圆环光栅；

图4为本发明的光探测器中三维非周期亚波长光栅斜反射镜示意图。

图中：

1-入射光；2-滤波腔底镜；3-滤波腔顶镜；4-非周期亚波长光栅斜反射镜；

5-滤波腔；6-吸收腔。

具体实施方式

结合本发明实施例和附图，下面将对发明实施例中的结构、技术方案进行完整清晰地描述。本实施例只是本发明的部分实施例之一，而不是全部的实施例。所有在本发明实施例基础上，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见图1，本发明的基于非周期亚波长光栅的窄线宽可调谐高性能光探测器，生长在砷化镓(GaAs)衬底上，由下至上依次形成的滤波腔底镜2、滤波腔5、滤波腔顶镜3、吸收腔6、非周期亚波长光栅斜反射镜4，构成三镜两腔结构。器件利用分子束外延(MBE)或金属有机元化学气相沉淀(MOCVD)等技术外延生长。窄线宽为光谱线宽度小于2nm，本发明的光探测器可调谐范围大于10nm。

所述滤波腔底镜2是由砷化镓GaAs/铝砷化镓AlGaAs材料制成的DBR结构，滤波腔5由GaAs材料制成，滤波腔顶镜3是由GaAs/AlGaAs材料制成的DBR结构。

所述吸收腔6由光探测器结构构成，所述光探测器结构可以采用PIN结构、单行载流子(UTC)结构、部分耗尽吸收(PDA)结构或雪崩(APD)光电二极管结构。

本发明实施例中，所述吸收腔6由磷化铟InP/铟砷化镓InGaAs PIN光探测器结构组成。所述非周期亚波长光栅斜反射镜4由具有高折射率差的材料制成。其中，InP/GaAs的大失配异质外延生长，采用InP低温缓冲层方法，有效缓解InP系材料和GaAs系材料的晶格失配问题，实现器件的单片集成。

滤波腔5对入射光波长具有选择调谐作用，其法布里-波罗谐振腔型的结构对入射光1有波长选择功能；为了实现器件的调谐性能，通常会根据量子阱受限斯坦克效应(QCSE)、载流子注入、热调谐以及Kerr效应，在滤波腔两侧添加调谐电极，利用电调谐或热调谐来改变滤波腔5的光学腔长，从而使入射光峰值波长改变，达到调谐目的。

本发明中将非周期亚波长光栅斜反射镜4置于吸收腔6顶部，实现入射光在吸收腔内的多次反射，达到多次吸收光的作用。非周期亚波长光栅采用具有高折射率差的InP/空气材料制备，也包括其它具有较高折射率差的材料。

入射光1经滤波腔底镜2进入滤波腔5，经滤波腔5滤波选择后，进入吸收腔6，经吸收层后，到达非周期亚波长光栅斜反射镜4，并在其作用下，发生某一小角度偏转式的反射(区别于正常反射路径)，再次经过吸收层到达滤波腔顶镜3，并被反射。如此，经滤波腔后的入射光1将会在吸收腔6内往复多次反射，被吸收层多次吸收。

所述的非周期亚波长光栅斜反射镜4具有周期和占空比随位置而改变的光栅结构，组成光栅的每个周期的光学长度小于或接近入射光波长。参见图2、图3a～图3c、图4，为本发明中的非周期亚波长光栅斜反射镜4的一维、二维、三维结构的示例，其周期、占空比、光栅条块的高度和大小均随位置按设计变化，以达到控制反射光波前的效果，从而实现不同位置一定角度的斜反射作用；所述的周期、占空比、光栅条块的厚度和大小随位置变化的方案，除本例之外，也包括其它各种实现此功能的变化方案。

如图2所示，一维非周期亚波长光栅斜反射镜的光栅结构为条形，适用于TE/TM偏振光。二维的非周期亚波长光栅的结构为周期和占空比在二维平面上随位置变化的同心圆环光栅，以及块状、柱状或孔状等图形阵列分布型光栅。图3a～图3c为例举的光探测器中二维非周期亚波长光栅的三种结构，包括矩形阵列光栅、六边形阵列光栅和同心圆环光栅，其中同心圆环图案的光栅适用于轴向/角向偏振光，图形阵列分布型光栅对偏振不敏感。三维的非周期亚波长光栅为在二维非周期亚波长光栅的基础上的各光栅条或图形阵列块高度改变的光栅。如图4所示，为在二维非周期的矩形阵列光栅的基础上，高度改变的光栅，矩形阵列块光栅对偏振不敏感。

优选地，所述非周期亚波长光栅斜反射镜的每个光栅周期在0.3μm～1.8μm之间，光栅占空比为15％～85％，光栅高度为0.1～1.2μm，反射率达70％以上，实现反射光束方向改变0.1°～30°。

上述实施方式仅用于说明本发明，相关的技术领域普通技术人员在无任何创造性劳动的情况下，在本发明的精神和范围内，对本发明做出各种变化和变型，都属于等同的技术方案，都在本发明的范畴内。本发明实际保护范畴应有权利要求限定。