一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器及设备

本发明涉及光通信，尤其涉及一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器及设备。

背景技术：

1、光纤通信已经广泛应用于当前信息产业，随着光通信速率的提高，对于光电转换器件的要求也随之提高。光电探测器在光纤通信中具有重要地位，其灵敏度和带宽是限制通信速率的主要瓶颈之一，雪崩光电探测器由于具有内部增益，能够提供高响应度，受到广泛关注。

2、雪崩光电探测器的响应度和带宽存在相互制约的关系：高响应度需要厚吸收层和高增益，但厚吸收层会增加载流子渡越时间，高增益会带来较大的信号拖尾，降低探测器带宽性能。采用波导型雪崩光电探测器可以将响应度与带宽性能解耦，在薄吸收层的条件下提高响应度，但其与当前光纤通信常用的空间光耦合方法难以兼容，将引入较大插损。如何能降低吸收层厚度、保证器件带宽性能的前提下不损失光响应度，成为高性能雪崩光电探测器一直以来的目标。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器及设备。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，包括表面正六边形金属光栅、底部反射金属，以及处于表面正六边形金属光栅和底部反射金属两层金属之间的gesi雪崩光电二极管；

4、所述表面正六边形金属光栅在入射光的激发下产生表面等离激元，同时实现光场局部增强，配合所述gesi雪崩光电二极管的吸收层实现对入射光的强吸收；

5、所述底部反射金属在透射光的激发下再次产生表面等离激元，同时与所述表面正六边形金属光栅形成mim结构，进一步增强对目标波长入射光的吸收；

6、所述表面正六边形金属光栅和所述底部反射金属充当雪崩光电探测器的电极，用于施加反向偏压使雪崩光电探测器处于工作状态。

7、进一步地，所述表面正六边形金属光栅的材料为au或ag；所述表面正六边形金属光栅包括多个周期性排布的六边形金属光栅，所述表面正六边形金属光栅的周期为0.5μm～3μm，所述表面正六边形金属光栅的边宽为0.05μm～1μm，所述表面正六边形金属光栅的高度为0.01μm～1μm。

8、进一步地，所述底部反射金属的材料应为au或ag；所述底部反射金属的厚度为0.01μm～1μm。

9、进一步地，所述gesi雪崩光电二极管为吸收倍增分离(sam)结构，所述gesi雪崩光电二极管包括依次连接的光栅连接层、吸收层、电荷层、倍增层、底部连接层；其中，所述光栅连接层的一表面与所述表面正六边形金属光栅连接，所述底部连接层的一表面与所述底部反射金属连接。

10、进一步地，所述gesi雪崩光电二极管的光栅连接层为非掺杂i型ge或掺杂浓度量级为1017/cm3～1019/cm3的p型ge；所述光栅连接层的厚度为0.01μm～0.5μm。

11、进一步地，所述gesi雪崩光电二极管的吸收层为非掺杂i型ge或掺杂浓度小于1017/cm3的p型ge；所述吸收层的厚度为0.1μm～2μm。

12、进一步地，所述gesi雪崩光电二极管的电荷层为掺杂浓度量级为1018/cm3～1020/cm3的p型si；所述电荷层的厚度为0.01μm～0.5μm。

13、进一步地，所述gesi雪崩光电二极管的倍增层为非掺杂i型si或掺杂浓度小于1017/cm3的p型si；所述倍增层的厚度为0.1μm～1μm。

14、进一步地，所述gesi雪崩光电二极管的底部连接层为非掺杂i型si或掺杂浓度量级为1018/cm3～1020/cm3的n型si；所述底部连接层的厚度为0.1μm～1μm。

15、本发明所采用的另一技术方案是：

16、一种通信设备，包括如上所述的超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器。

17、本发明的有益效果是：本发明通过引入表面正六边形金属光栅和底部反射金属，集合多种机制对光吸收进行增强；相比于常规金属光栅偏振不敏感，更加适应光纤通信实际应用场景；由于多种机制吸收增强，本发明实现了薄吸收层的强吸收，有效减少载流子渡越时间，避免常规器件光响应和工作带宽无法兼容的问题，实现高光响应和大工作带宽。

技术特征：

1.一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，包括表面正六边形金属光栅、底部反射金属，以及处于表面正六边形金属光栅和底部反射金属两层金属之间的gesi雪崩光电二极管；

2.根据权利要求1所述的一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，所述表面正六边形金属光栅的材料为au或ag；所述表面正六边形金属光栅包括多个周期性排布的六边形金属光栅，所述表面正六边形金属光栅的周期为0.5μm～3μm，所述表面正六边形金属光栅的边宽为0.05μm～1μm，所述表面正六边形金属光栅的高度为0.01μm～1μm。

3.根据权利要求1所述的一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，所述底部反射金属的材料应为au或ag；所述底部反射金属的厚度为0.01μm～1μm。

4.根据权利要求1所述的一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，所述gesi雪崩光电二极管为吸收倍增分离结构，所述gesi雪崩光电二极管包括依次连接的光栅连接层、吸收层、电荷层、倍增层、底部连接层；其中，所述光栅连接层的一表面与所述表面正六边形金属光栅连接，所述底部连接层的一表面与所述底部反射金属连接。

5.根据权利要求4所述的一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，所述gesi雪崩光电二极管的光栅连接层为非掺杂i型ge或掺杂浓度量级为1017/cm3～1019/cm3的p型ge；所述光栅连接层的厚度为0.01μm～0.5μm。

6.根据权利要求4所述的一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，所述gesi雪崩光电二极管的吸收层为非掺杂i型ge或掺杂浓度小于1017/cm3的p型ge；

7.根据权利要求4所述的一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，所述gesi雪崩光电二极管的电荷层为掺杂浓度量级为1018/cm3～1020/cm3的p型si；所述电荷层的厚度为0.01μm～0.5μm。

8.根据权利要求4所述的一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，所述gesi雪崩光电二极管的倍增层为非掺杂i型si或掺杂浓度小于1017/cm3的p型si；

9.根据权利要求4所述的一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器，其特征在于，所述gesi雪崩光电二极管的底部连接层为非掺杂i型si或掺杂浓度量级为1018/cm3～1020/cm3的n型si；所述底部连接层的厚度为0.1μm～1μm。

10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器。

技术总结
本发明公开了一种超表面金属光栅增强吸收的雪崩光电探测器及设备，属于光通信技术领域。其中雪崩光电探测器包括表面正六边形金属光栅、底部反射金属，以及处于两层金属之间的GeSi雪崩光电二极管；表面正六边形金属光栅在入射光的激发下产生表面等离激元，实现光场局部增强，配合雪崩光电二极管的吸收层实现对入射光的强吸收；底部反射金属在透射光的激发下再次产生表面等离激元，与表面正六边形金属光栅形成MIM结构，增强对目标波长入射光的吸收；表面正六边形金属光栅和底部反射金属充当雪崩光电探测器的电极，用于施加反向偏压使雪崩光电探测器处于工作状态。本发明通过引入表面正六边形金属光栅和底部反射金属，实现薄吸收层的强吸收。

技术研发人员：胡博,周绍林
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16