大橫截面單模方向耦合光波導探測器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種大橫截面單模方向耦合光波導探測器；其包括依次層疊的覆蓋層、吸收層、上波導、間隙層、下波導及襯底，所述下波導采用由平板波導和矩形波導組合而成的脊形平板耦合光波導。本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器解決了小尺寸的波導結構難以實現光耦合的問題，可以實現大橫截面的單模方向耦合，極大的方便了光纖同波導間的光耦合。
【專利說明】
大橫截面單模方向耦合光波導探測器
技術領域
[0001] 本發明屬于光電技術領域，尤其涉及一種大橫截面單模方向耦合光波導探測器。
【背景技術】
[0002] 大功率高速光電探測器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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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)和垂直方向親合波導探測器（VDCF1D, Vertical Directional Coupling Waveguide Photodetector)，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 在方向親合器的后端，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勾。 但DCro深而窄的空氣間隙很難加工制作。VDCPD結構的波導要想實現單模傳播，那么必須使 波導尺寸較小，然而較小的波導尺寸則會導致光纖到波導的光耦合較難實現。
【發明內容】
[0006] 本發明的發明目的是：為了現在技術中小尺寸的波導結構難以實現光耦合等問 題，本發明提出了一種大橫截面單模方向耦合光波導探測器。
[0007] 本發明的技術方案是:一種大橫截面單模方向耦合光波導探測器，包括依次層疊 的覆蓋層、吸收層、上波導、間隙層、下波導及襯底;所述下波導采用由平板波導和矩形波導 組合而成的脊形平板耦合光波導，所述平板耦合光波導的平板波導厚度大于或等于矩形波 導高度，所述平板耦合光波導的平板波導寬度與襯底相同，所述平板耦合光波導的矩形波 導寬度與上波導相同。
[0008] 進一步地，所述平板耦合光波導的平板波導為一維多模波導。
[0009] 進一步地，所述平板耦合光波導的矩形波導為二維波導。
[0010] 進一步地，所述探測器的超模匹配條件為：
[0011]
[0012] 為基
超模的吸收長度，Li為一階超模的吸收長度，L。為耦合長度，neff為傳播常數，λ為工作波長。 [00?3]進一步地，所述吸收層采用InGaAs材料。
[00?4]進一步地，所述下波導采用InGaAsP材料。
[0015] 進一步地，所述間隙層和襯底采用InP材料。
[0016] 本發明的有益效果是:本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器改變上下波 導的厚度即可調整零階超模和一階超模的吸收長度，改變間隙層的厚度就可以調整零階超 模和一階超模間的耦合長度，從光纖輸出并入射到下波導的激光束更多地耦合到零階超模 和一階超模中，因而有更低的耦合損耗;輸出光電流對入射光束的偏振角度不敏感。在滿足 超模匹配的條件下，光電流分布最均勻，同時解決了小尺寸的波導結構難以實現光耦合的 問題，可以實現大橫截面的單模方向耦合，極大的方便了光纖同波導間的光耦合。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器結構示意圖。
[0018] 圖2是本發明的下波導結構示意圖。
[0019] 圖3是本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器橫截面折射率分布示意圖。
[0020] 圖4是本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器仿真結果示意圖。
[0021] 圖5是本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器光電流分布示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不 用于限定本發明。
[0023] 如圖1所示，為本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器結構示意圖。一種大 橫截面單模方向耦合光波導探測器，包括從上往下依次層疊的覆蓋層1、吸收層2、上波導3、 間隙層4、下波導5及襯底6。
[0024] 本發明的下波導5采用由平板波導和矩形波導組合而成的脊形平板耦合光波導， 平板耦合光波導的平板波導厚度大于或等于矩形波導高度，平板耦合光波導的平板波導寬 度與襯底相同，平板親合光波導的矩形波導寬度與上波導相同，從而使得下波導5由一個典 型三層結構一維多模平板波導和一個二維波導組成；下面的平板波導可以是一個多模波 導，其中只存在一維波導模式，不存在二維波導模式。但在合適的條件下，下波導5僅存在一 個二維分布的基模，高階模式則耦合到平板波導中，成為截止模式。由于多模平板波導可以 很厚，該結構可以構成一個大橫向尺寸的單模光波導，可以傳輸更大的光功率。
[0025]下面以采用工作波長為1.55μηι，吸收層2材料InGaAs，上波導3和下波導5材料 InGaAsP，襯底6和間隙層4材料InP為例，對本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器 作具體說明。
[0026]本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器的基本理論參數如下，其中表1為 大橫截面單模方向耦合光波導探測器采用材料的折射率，表2為大橫截面單模方向耦合光 波導探測器各層厚度。
[0027]表1.大橫截面單模方向耦合光波導探測器采用材料的折射率
[0031]采用有效折射率法對下波導進行分析，將下波導5近似為三個一維的三層平板波 導，應用平板波導的理論，求出三個波導中基模的傳播常數或有效折射率NjPN2;最后該波 導被近似為折射率為NjPN 2的介質構成的一個三維平板波導，再使用平板波導理論，最后求 出波導的各階模式的傳播常數或等效折射率nrff。如圖2所示，為本發明的下波導5結構示意 圖，矩形波導的高度h = 3μπι，寬度w = 3μπι，依次改變平板波導的厚度t，計算波導的有效折射 率。經過計算，當t的取值大于2.4μηι時，下波導5對無論TE模還是TM模的一階模或者更高階 模都無法進行約束，使得這些高階模成為輻射模，波導內只有基模能夠傳播，成為單模波 導。根據所計算的下波導5成為單模波導的條件，即可設計本發明的大橫截面單模方向耦合 光波導探測器的結構參數。
[0032] 再采用有效折射率法計算本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器的基模 和一階模的吸收長度以及耦合長度，驗證其滿足超模匹配條件。超模匹配條件表述為:大橫 截面單模方向耦合光波導探測器基超模和一階超模的耦合長度等于基超模的吸收長度的 二倍，也等于一階超模的吸收長度的二倍。即：
[0033] Lc = 2L〇 = 2Li
[0034] 其中基模和一階模的吸收長度以及耦合長度的計算公式如下：
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]式中，Lo為基超模的吸收長度,L1為一階超模的吸收長度，L。為耦合長度，λ為工作 波長。
[0039]本發明將光從下波導5入射，在本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器中 激勵基超模和一階超模并向前傳播，光功率逐漸從下波導5耦合到上波導3,最后在吸收層2 中完成光電轉換。運用BeamPROP軟件對上述結構參數進行數值模擬仿真，輸入光采用高斯 光束。對于大橫截面單模方向耦合光波導探測器，輸入光照射在下波導5端面上。如圖3所 示，為本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器橫截面折射率分布示意圖。如圖4所 示，為本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器仿真結果示意圖，左邊方框圖代表大 橫截面單模方向耦合光波導探測器內部光場分布沿z方向（波導的長度方向）的變化。右邊 方框圖則為光功率的變化圖，在波導長度為〇時，左邊第一條曲線為波導內總功率的變化， 第二條曲線為下波導5中功率的變化，第三條曲線為上波導3中功率的變化，可以看出大約 在600μπι左右的位置，上波導3內的光功率達到最大值。光在波導內傳播被吸收層2吸收，使 得波導內總光功率整體呈現衰減的趨勢。根據有效折射率法計算出的基模的吸收長度為 543μπι，一階模的吸收長度為453μπι，耦合長度為1192μπι，上述值間的差別在允許的范圍之 內，滿足給定的超模匹配條件。
[0040]根據beamprop導出的總光功率數據，運用mat Iab計算光功率對傳播方向ζ求導得 出的如圖5所示的本發明的大橫截面單模方向耦合光波導探測器光電流分布示意圖，可以 看出光電流分布整體均勻，對于部分奇異點考慮為BeamProp軟件計算誤差所致，只是在光 電流初始輸入端存在較大波動，對于大橫截面單模方向親合光波導探測器光電流初始輸入 端存在較大波動的原因，可能是在輸入端激勵了高階模式或激勵的模式間相互干涉。本發 明采用在輸入端加入輸入波導的方式解決該問題。
[0041]本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發 明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的 普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各 種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種大橫截面單模方向禪合光波導探測器，其特征在于，包括依次層疊的覆蓋層、吸 收層、上波導、間隙層、下波導及襯底;所述下波導采用由平板波導和矩形波導組合而成的 脊形平板禪合光波導，所述平板禪合光波導的平板波導厚度大于或等于矩形波導高度，所 述平板禪合光波導的平板波導寬度與襯底相同，所述平板禪合光波導的矩形波導寬度與上 波導相同。2. 如權利要求1所述的大橫截面單模方向禪合光波導探測器，其特征在于，所述平板禪 合光波導的平板波導為一維多模波導。3. 如權利要求2所述的大橫截面單模方向禪合光波導探測器，其特征在于，所述平板禪 合光波導的矩形波導為二維波導。4. 如權利要求3所述的大橫截面單模方向禪合光波導探測器，其特征在于，所述探測器 的超模匹配條件為： Lc = 2L〇 = 2。 其中：'Lo為基超模 的吸收長度，Li為一階超模的吸收長度，L。為禪合長度，neff為傳播常數，λ為工作波長。5. 如權利要求4所述的大橫截面單模方向禪合光波導探測器，其特征在于，所述吸收層 采用InGaAs材料。6. 如權利要求5所述的大橫截面單模方向禪合光波導探測器，其特征在于，所述下波導 和上波導采用InGaAsP材料。7. 如權利要求6所述的大橫截面單模方向禪合光波導探測器，其特征在于，所述間隙層 和襯底采用InP材料。
【文檔編號】G02B6/42GK105842799SQ201610357263
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】余學才, 李林松, 肖景天, 馬朝陽
【申請人】電子科技大學