[發明專利]一種水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器

有效

• 申請號: 201710176436.X
• 申請日: 2017-03-23
• 公開（公告）號: CN106842421B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 余學才;童文強;李林松;馬朝陽
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 周永宏;王偉

本發明公開了一種水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器，包括從下往上依次設置的襯底層(1)、波導層(2)、吸收層(3)以及覆蓋層(4)；波導層(2)由左波導(21)、中波導(22)和右波導(23)并排構成，左波導(21)和右波導(23)結構相同且呈對稱分布設置。本發明解決了現有的方向耦合波導探測器、垂直方向耦合波導探測器以及對稱結構的垂直方向耦合器波導探測器橫截面過小，因而入射光斑過小的問題，使入射光斑直徑可從原來的3微米增加到5微米，從而增加了探測器的光電流，并有效增加了從光纖到波導的光耦合效率。

技術領域

本發明屬于光電技術領域，具體涉及一種水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器的設計。

背景技術

大功率高速光電探測器是一種基于光與物質相互作用探測器件，其作用是將入射光信號轉換成大功率高頻信號。大功率高速光探測器在光控相控陣雷達、超高速測試系統和光纖局域網通信中，是一個不可缺少的器件，其性能對整個系統起著決定性作用。

傳統的垂直入射型光電探測器無法同時滿足高速和大功率要求。主要原因如下：一是飽和效應，限制了光電流；二是渡越時間長，限制了響應頻率；三是本征層的光吸收是指數衰減的，吸收區體積薄，總的光電流較小。

之后波導探測器(waveguide photodetector，WGPD)的提出消除了電子在耗盡層渡越時間對響應速度的影響，從而克服了傳統光電探測器中高速響應性能和量子效率的矛盾。但目前波導型探測器也存在以下問題：光電流沿波導方向分布不均勻，是指數衰減的，耦合損耗較大；在波導前端光電流很強，傳播方向上逐漸衰弱，波導前端決定了光電流的飽和值，限制了入射光功率。

在波導探測器的基礎上之后又進一步提出了方向耦合波導探測器(DCPD，Directional Coupling Waveguide Photodetector)和垂直方向耦合波導探測器(VDCPD，Vertical Directional Coupling Waveguide Photodetector)，如圖1所示，左邊為水平方向耦合波導探測器，右邊為垂直方向耦合波導探測器。兩者都是光功率在波導內耦合傳播，剛開始入射光功率集中在沒有吸收層的波導上，有吸收層的波導中光功率很弱，吸收層中光功率也很弱。因此，這種光電流比波導型的前端光電流要弱很多，隨著光在耦合器中傳播，耦合到有吸收層的波導的光功率逐漸增大，總功率由于波導的吸收會下降，所以在方向耦合器的后端，光電流不會快速衰減，在一定長度內，光電流沿波導分布比較均勻。

但是，在實現高速大功率的需求上，DCPD和VDCPD都存在一定的問題，對于DCPD而言，它的兩個波導之間是通過一層深而窄的空氣間隙進行耦合的，這種深而窄的空氣間隙在現有加工條件下是很難加工的。而對于VDCPD而言，雖然解決了DCPD加工上的問題，但它無法實現大橫截面結構，以至于在實際的測試中很難實現光纖到波導的耦合。并且，對于DCPD和VDCPD而言，其工作模式為基超模和一階超模，如圖2所示為VDCPD入射光模式，由于光從下波導入射，所以能量主要集中在下波導，即0到3微米處。隨著光在VDCPD內的傳播，能量逐漸耦合到基超模和一階超模上去，如圖3所示，其中虛線為基超模，實線為一階超模，從圖3中可以看出，基超模和一階超模的疊加可以近似等于入射光場分布，說明VDCPD主要工作在基超模和一階超模。由于其主要工作是在低階模式，則高階模式的激發將使波導發熱，這是不希望得到的。因此，為了使波導主要激發低階模式，則其橫截面不能做的太大，即VDCPD無法實現大橫截面結構，很難實現光纖到波導的耦合。