20GHz行波光波导探测器
阅读：773发布：2020-05-08
专利汇可以提供20GHz行波光波导探测器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种20GHz行波光 波导 探测器，应用于光电技术领域，为解决现有的波导型探测器存在的：光 电流 沿波导方向分布不均匀，耦合损耗较大，入射光功率受限制的问题；本发明首先依据超模匹配理论合理设计光波导结构改变光电流沿指数分布，使光电流尽可能分布在比较长的波导范围内，光电流均匀的同时也保证了高 量子效率 ；然后提出了光波导和 微波 波导在同一结构中实现的方法，将波导特征阻抗设计成与负载阻抗相匹配，使传输线实现行波传输，从而克服RC时间常数对于带宽的限制；探测器的特征阻抗被设计成50Ω与后端共面波导结构和外部同轴 电缆 匹配。，下面是20GHz行波光波导探测器专利的具体信息内容。
1.20GHz行波光波导探测器，其特征在于，包括：两个部分，记为第一部分与第二部分；
第一部分为光波-微波混合波导结构，所述光波-微波混合波导结构为脊形波导结构，所述脊形波导结构与衬底形成“凸”字型，脊形波导结构从下往上依次为：衬底层、下波导层、耦合层、上波导层、耗尽层、吸收层以及金属层；还包括在第一部分后端制作的台面结构，所述台面结构为在脊形波导结构第一端两侧衬底上制作的斜台面，其高度与脊形波导结构的高度一致；还包括对称分布于脊形波导结构两侧衬底以及台面结构上的地电极；脊形波导的金属层作为信号电极；
所述渐变共面波导，其两侧地电极共地，中间的信号电极与外部同轴电缆进行阻抗匹配；
所述第一部分通过台面结构及与台面结构重叠的波导与第二部分耦合。
2.根据权利要求1所述的20GHz行波光波导探测器，其特征在于，所述光波-微波混合波导满足超模匹配条件。
3.根据权利要求2所述的20GHz行波光波导探测器，其特征在于，通过改变脊形波导结构的脊宽与渐变共面波导间隙，实现调整渐变共面波导的特征阻抗。
4.根据权利要求3所述的20GHz行波光波导探测器，其特征在于，所述脊形波导结构第二端包括入射窗口，光信号从该入射窗口进入下波导层，经耦合层耦合到上波导层传播，最后在吸收层被吸收，光信号在吸收层中吸收，不断产生电信号，电信号在传播过程中不断被光信号产生的新的电信号加强。
5.根据权利要求4所述的20GHz行波光波导探测器，其特征在于，所述台面结构以及脊形波导结构第一端均延伸2-3μm得到延伸结构。
6.根据权利要求5所述的20GHz行波光波导探测器，其特征在于，所述台面采用的材料为SiO2。
7.根据权利要求6所述的20GHz行波光波导探测器，其特征在于，所述台面结构长度为
10μm。
8.根据权利要求7所述的20GHz行波光波导探测器，其特征在于，所述两侧的地电极与信号电极采用0.1μm厚的金属电极。
20GHz行波光波导探测器
技术领域
背景技术
[0002] 大功率高速光电探测器是一种基于光与物质相互作用探测器件，其作用是将入射光信号转换成大功率微波信号。大功率高速光探测器在光控相控阵雷达、超高速测试系统和光纤局域网通信中，是一个不可缺少的器件，其性能对整个系统起着决定性作用。然而光电探测器受本身固有的物理因素限制，如RC时间常数和载流子渡越时间限制了带宽使其难以达到高速响应，波导长度等限制了响应度，因此难以做到高速和大功率兼顾。
[0003] 传统的垂直入射型光电探测器无法同时满足高速和大功率要求。主要原因如下：一是饱和效应，限制了光电流；二是渡越时间长，限制了响应频率；三是本征层的光吸收是指数衰减的，吸收区体积小，总的光电流较小。
[0004] 长期以来，为了改变光电探测器在高速和大功率响应上的问题，提出了多种结构，从传统的PIN光电探测器到UTC结构，再到光波导探测器，UTC结构只用电子作为有源载流子，可以大幅度减小载流子的渡越时间，同时抑制了空间电荷效应，使得探测器的响应度增加，因此探测器输出功率和饱和光电流增加。
[0005] 由于通讯对高速的要求，随之提出波导的探测器(waveguide photodetector，WGPD)消除了电子在耗尽层渡越时间对响应速度的影响，从而克服了传统光电探测器中高速响应速率和量子效率的矛盾。但目前波导型探测器也存在以下问题：光电流沿波导方向分布不均匀，是指数衰减的，耦合损耗较大；在波导前端光电流很强，传播方向上逐渐衰弱，波导前端决定了光电流的饱和值，限制了入射光功率。
[0006] 2008年，为解决了波导探测器光电流分布不均匀和耦合损耗大的问题，加州大学圣地亚哥分校提出了方向耦合波导探测器(DCPD,Directional Coupling Waveguide Photodetector)的方案。如图1(a)所示，两个平行放置的波导加上中间的耦合层，光从没有吸收层的波导A端面入射，边传播边耦合到有吸收层的波导B中，吸收层位于波导瞬逝场位置。刚开始入射光功率集中在没有吸收层的波导上，有吸收层的波导中光功率很弱，即吸收层中光功率也很弱。因此，这种光电流比波导型的前端光电流要弱很多，随着光在耦合器中传播，耦合到有吸收层的波导的光功率逐渐增大，总功率由于波导的吸收会下降，所以在方向耦合器的后端，光电流不会快速衰减，在一定长度内，光电流沿波导分布比较均匀，在合适的条件下，光电流可以分布最均匀。
[0007] 然而，这种结构耦合层上端的空气间隙对耦合长度和吸收长度影响较大，空气间隙宽度改变时，会导致光电流分布不均匀。耦合层上的空气间隙的光刻腐蚀加工也不容易制作。为解决这个问题，2010年，余学才教授提出了一种垂直方向耦合波导探测器(VDCPD,Vertical Directional Coupling Waveguide Photodetector)，如图1(b)所示。VDCPD的两个波导在垂直方向上平行放置，上波导和下波导中间通过一层低折射率薄膜而不是空气间隙层耦合。如图2所示，在满足超模匹配条件时，光电流分布最均匀。方向耦合器当中，光在两个波导中的耦合是两个超模相干涉的结果，超模即是把方向耦合器看作一个完整的波导。由于两个超模的干涉，使得光电流不再是指数分布，当满足耦合长度等于0阶超模吸收长度等于1阶超模吸收长度的时候，光电流最为均匀，即为超模匹配条件。与DCPD相比，VDCPD的有如下优点：(1)改变上下波导的厚度即可调整零阶超模和一阶超模的吸收长度；(2)改变间隙层的厚度就可以调整零阶超模和一阶超模间的耦合长度；(3)从光纤输出并入射到下波导的激光束，更多地耦合到零阶超模和一阶超模中，因而有更低的耦合损耗；(4)输出光电流对入射光束的偏振角度不敏感。
[0008] 提高光探测器带宽、同时保持高响应度的一种方案是将波导探测器设计成如图3所示的行波探测器。与前面介绍的集总式探测器不同，行波探测器结构是一种分布式结构，将探测器设计成支持微波信号传输的传输线，其特征阻抗与外电路负载阻抗匹配。入射光在吸收层中传播，不断产生电信号，电信号在传播过程中又不断被光信号产生新的电信号加强。当光信号在波导中的速度与由探测器同步产生的电信号速度相等时，探测器获得最大的输出功率。行波探测器的设计重点是通过设计探测器的宽度、传输线的结构，使得光在波导中的速度与由探测器同步产生的在传输线上传播的电信号速度相等，同时特征阻抗为50Ω，目前由于共面波导在微带传输线中具有一定的优势，传输线基本上采用共面波导的结构。行波探测器的RC等电参数均匀地分布于整个传输线上，消除了集总式探测器中的受RC限制的带宽，探测器的带宽将由吸收层中载流子的渡越时间、电速度与光速度失配程度和光吸收系数决定。
发明内容
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提出一种20GHz行波光波导探测器，实现了光波和微波在同一波导结构中传输，并提供了对其进行阻抗匹配的方法，理论上探测器可以做到无限长，更易与外部负载集成。
[0010] 本发明采用的技术方案为：20GHz行波光波导探测器，包括：两个部分，记为第一部分与第二部分；第一部分为光波-微波混合波导结构，所述光波-微波混合波导结构为脊形波导结构，所述脊形波导结构与衬底形成“凸”字型，脊形波导结构从下往上依次为：衬底层、下波导层、耦合层、上波导层、耗尽层、吸收层以及金属层；还包括在第一部分后端制作的台面结构，所述台面结构为在脊形波导结构第一端两侧衬底上制作的斜台面，其高度与脊形波导结构的高度一致；还包括对称分布于脊形波导结构两侧衬底以及台面结构上的地电极；脊形波导的金属层作为信号电极；
[0011] 所述渐变共面波导，其两侧地电极共地，中间的信号电极与外部同轴电缆进行阻抗匹配；
[0012] 所述第一部分通过台面结构及与台面结构重叠的波导与第二部分耦合。
[0013] 所述光波-微波混合波导满足超模匹配条件。
[0014] 通过改变脊形波导结构的脊宽与渐变共面波导间隙，实现调整渐变共面波导的特征阻抗。
[0015] 所述脊形波导结构第二端面包括入射窗口，光信号从该入射窗口进入下波导层，经耦合层耦合到上波导层传播，最后在吸收层被吸收，光信号在吸收层中吸收，不断产生电信号，电信号在传播过程中不断被光信号产生的新的电信号加强。
[0016] 所述台面结构以及脊形波导结构第一端均延伸2-3μm得到延伸结构。
[0017] 所述台面采用的材料为SiO2。
[0018] 所述台面结构长度为10μm。
[0019] 所述两侧的地电极与信号电极采用0.1μm厚的金属电极。
[0020] 本发明的有益效果：本发明的20GHz行波光波导探测器相比传统光电探测器具有如下优势：(1)在单行载流子结构基础上可以实现高带宽传输，光波导结构满足超模匹配条件，使得光电流分布均匀，使得输出响应增加；(2)相对于传统的光电探测器，本发明实现了光波和微波在同一波导结构中传输，并提供了对其进行阻抗匹配的方法，理论上探测器可以做到无限长，更易与外部负载集成。附图说明
[0021] 图1为现有的垂直方向耦合波导探测器；
[0023] 图2为图1所示的两种探测器在不同条件下光电流分布图；
[0024] 图3为现有的行波探测器；
[0025] 图4为本发明提出的行波光波导探测器整体结构；
[0026] 图5为本发明提出的行波光波导探测器第一部分的光波-微波混合波导结构；
[0027] 图6为本发明提出的行波光波导探测器的电路模型；
[0028] 其中，图6(a)为行波光波导探测器外延层结构，图6(b)为等效电路模型；
[0029] 图7为本发明提出的行波光波导探测器第二部分的渐变共面波导结构简图；
[0030] 图8为通过等效电路模型计算得到的阻抗图以及传播长度；
[0031] 其中，图8(a)为不同频率下的特性阻抗，图8(b)为不同频率下的传播长度；
[0032] 图9为垂直方向耦合波导探测器折射率分布图；
[0033] 图10为垂直方向耦合波导探测器仿真结果图；
[0034] 图11为行波光波导探测器第二部分的渐变共面波导电极部分；
[0035] 图12为渐变共面波导电极特性阻抗仿真。
具体实施方式
[0036] 为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-12对本发明内容进一步阐释。
[0037] 本发明为了解决高频段探测器输出功率过低的问题，首先依据超模匹配理论合理设计光波导结构使得光电流沿指数分布从而让光电流尽可能分布在比较长的波导范围内，使得光电流均匀的同时也保证了量子效率；提出了光波导和微波波导在同一结构中实现的方法，将波导特征阻抗设计成与负载阻抗相匹配，使传输线实现行波传输，从而克服RC时间常数对于带宽的限制；探测器的特征阻抗被设计成50Ω与后端共面波导结构和外部同轴电缆匹配。
[0038] 本发明提出的20GHz行波光波导探测器整体结构如图4所示，整体结构分为两个部分，第一部分为光波-微波混合波导结构，波导从下往上依次是衬底层，下波导层，耦合层，上波导层，耗尽层，吸收层以及金属层，左右两边依次为金属层。为了与第二部分的CPW传输线相连接，本发明在第一部分的后端做了相应的台面结构，通过调整波导脊宽w和共面波导间隙g的大小可以改变渐变共面波导的特征阻抗，由图中可以看出第二部分传输线为对称结构，两侧地电极共地，信号电极与外部同轴电缆进行阻抗匹配，进而达到高速大功率传输的目的。
[0039] 制作过程：衬底上依次生长好磷化铟应力缓冲层至InGaAs接触层，在InGaAs接触层上生长一层二氧化硅掩膜，为了得到第一部分光电混合波导的深脊结构本发明将二氧化硅掩膜的两侧刻蚀掉，再刻蚀掉二氧化硅掩蔽条的两侧，入射窗口区如图5所示。使用带胶剥离的制作方法制作N型欧姆接触；将衬底上至N型金属欧姆接触外侧边缘以外的各层刻蚀掉；继而制作前端混合波导结构的电极，本发明采用0.1μm厚度的金电极，至此第一部分的脊形波导结构制作完成；保留入射窗口区一侧的各层，在衬底上形成台面结构，这里是为了与第二部分渐变共面波导相连接，台面结构高度与脊形波导一致，长度为10μm，使用的材料为SiO2，台面结构制作完成后再延伸2-3μm使得更易于在深脊结构的上面经斜台面延伸至衬底上制作行波电极结构的信号电极和接地电极。在第二部分渐变共面波导制作过程中，直接在台面上制作第二部分的电极部分，通过共面波导电极将产生的行波电流通过50Ω同轴电缆与负载相连，在阻抗匹配的时候可以达到大功率传输的目的。
[0040] 金属电极过厚会造成制作过程中金属电极脱落的可能，过薄会造成欧姆接触较差，可能会行程肖特基势垒，影响性能；经过大量实验，本发明中确定金属电极厚度为0.1μm。
[0041] 如图5所示，在实践中，波导部分长度到与台面在衬底上的接触位置止，后续与台面重叠部分的波导结构为从下至上：衬底、SiO2、金属层，即与台面重叠部分的波导没有吸收层，本发明将其延伸出来是为了更好的做电极与后端渐变共面波导耦合，制作过程中到那里光被完全吸收了，而且波导无吸收层部分尺寸小，对整体阻抗影响不大。
[0042] 本发明的工作原理为：
[0043] 光从下波导层入射，经耦合层耦合到上波导层传播，最后在吸收层被吸收。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，干涉结果表现为波导中光沿波导周期变化。上波导或下波导中的光功率最大时，中波导中光功率最小，光功率周期性从中间波导耦合到上波导或下波导，总光功率不变。在有吸收层情况下，两个模式的传播常数为复数，干涉结果表现为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。入射光在吸收层中吸收，不断产生电信号，电信号在传播过程中又不断被光信号产生新的电信号加强。当探测器特征阻抗与负载阻抗相匹配时，即在负载端无反射，探测器获得最大的输出功率。
[0044] 以下是工作波长为1.55μm，吸收层材料InGaAs，波导层材料InGaAsP，衬底层和耦合层材料InP，金属电极为金电极的行波光波导探测器的例子。
[0045] 首先列出一些行波光波导探测器的基本理论参数，其所用到的材料的折射率以及各层厚度如表1所示，行波探测器各部分结构参数如表2所示。
[0046] 表1各层材料属性及其参数
[0047]
[0048] 表2行波探测器结构参数
[0049] 参数 wg w1 w2 l g s wm t1 t2 l1 l2 l3 L宽/长度 3.8μm 5μm 5μm 0.1μm 0.5mm 1mm 3.8μm 10μm 2.5μm 1mm 1mm 2mm 500μm[0050] wg表示脊形波导宽度，w1表示脊形波导两侧衬底上的地电极距离脊形波导的距离，w2表示脊形波导两侧衬底上的地电极地电极的宽度，l表示金属电极厚度，wm表示脊形波导信号电极的宽度，t1表示台面长度，t2表示台面延伸长度，L为脊形波导长度。
[0051] 如图4所示，后端渐变共面波导电极采用GSG结构，中间为信号线电极S，两侧为地电极G，信号线宽度为s，槽宽为g，l1、l2、l3分别为电极渐变部分和后端部分尺寸。
[0052] 以下对本发明的实现原理做进一步阐述：
[0053] 行波光电探测器的高速性能主要由三个因素决定，分别是微波与光信号之间的速度匹配和电子的渡越时间。因此传输线传播特性十分重要，行波电极设计对于实现高饱和输出电流和高带宽的行波光电探测器非常重要。在行波传输线设计中，本发明在第一部分采用光波和微波在同一波导层中传输的方式，如图5所示，这种方式有效的减小了阻抗匹配的难度，避免了对传输线进行复杂的分析，此时，电波的相速度和特征阻抗与主要受控于探测器电感和电容，
[0054] 本发明对行波光波导探测器进行等效电路建模，由麦克斯韦方程组以及多层传输线等效结构可推导得到多层传输线电报方程为：
[0055]
[0057] 由理论推导可知行波光波导探测器特性可在等效电路中应用电阻、电容进行解释，在如图6所示的电路模型中，如图6(a)所示，吸收层用R2C2表示，间隔层和收集层模拟为两个RC并联电路(R3C3，R4C4)，对于波导层和缓冲层分别用R5C5和R6C6两个并联电路表示，串联电阻R1表示了掺杂材料和欧姆接触的电阻效应，L为探测器电感。等效电路模型如图6(b)所示。
[0058] 第二部分具体采用GSG结构的CPW作为行波电极，如图7所示，可以有效解决光信号与电相速速度匹配的问题，并通过调节信号线宽度以及信号线与地之间的间距来控制特征阻抗大小，且随着电极尺寸的合理设置(增大)，微波损耗随之降低。利用保角变换法对行波电极进行场分析，同时进行仿真分析，通过分析结果对设计进行调整达到最优需求。由传输线理论以及共面波导的保角变换分析可知，有限地线宽度的共面波导单位电容为：
[0059] 且等效介电常数为：
[0060]
[0061] 因为共面波导是特殊的传输线，经由传输线理论可知其相速度和器件的特征阻抗为：
[0062]
[0063] 因此可以看出，共面波导电极的特征阻抗主要取决于分布电容C。
[0064] 取光波导探测器原有结构不变的情况下，调整各参数结构，最终波导探测器宽度取3.8μm，通过等效电路模型和HFSS仿真对比验证。
[0065] 通过等效电路模型计算得到的阻抗图以及传播长度如图8所示。
[0066] 图8中可以看出阻抗图在低频时有下降趋势，随着频率的升高逐渐趋于稳定，在等效电路计算中，通过改变波导宽度可以实现阻抗的调整。在20GHz的频率下，可以看到阻抗约为50Ω，同时传播长度远大于500μm，且依据超模理论，即500μm内的混合波导结构可以实现光电流的均匀传输。
[0067] 对于宽度为3.8μm的光波导结构，本发明运用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。对于垂直方向耦合的波导探测器，输入光照射在下波导的端面上。得到的波导的折射率分布图和仿真结果图分别如图9和图10。
[0068] 在图10仿真结果图中，左边方框图代表垂直方向耦合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，在波导长度为0时，从左往右的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功率的变化，第三条曲线为上波导层中功率的变化。由于吸收层的存在，光在波导内传播被吸收层吸收，使得波导内总光功率整体呈现衰减的趋势。据此可知，本发明所取的波导长度500μm结构下，可以做到光的完全吸收。
[0069] 在光波导探测器结构确定的情况下，混合波导结构后端采用台面结构以便于和第二部分的渐变共面波导相连接，台面结构材料为二氧化硅，有效介电常数为2.25，其余参数同5.1的具体数据，整体行波光波导探测器结构在同一晶圆上制作。
[0071] 由图12可以看出，在20GHz下，第一部分的混合波导等效电路计算特性阻抗结果为49.4Ω，第二部分渐变共面波导电极特性阻抗为51.6Ω，相差2Ω左右，因此可以达到20GHz下阻抗匹配的效果，同理可以调整探测器结构参数使得在不同频段下达到阻抗匹配。
[0072] 图2中Photo current perμm,dj/dZ(Arb)表示光电流分布，单位为1\μm；waveguide distance,z(mum)表示波导长度，单位为z(μm)图8中Characteristic Impedance(Ω)表示特征阻抗，单位为Ω，Frequency(GHz)表示频率，单位为GHz，Propagation Length(μm)表示传播长度，单位为μm；图9中Vrrtical Direction表示竖直方向，Horizontal Direction表示水平方向，Contour Map of Transverse Index Profile at Z＝0表示Z＝0处横向折射率分布图；图10中Monitor Value表示监测值，Pathway Monitor表示监测路径；图12中Re(Zo)表示特征阻抗，Freq(GHz)表示频率，单位GHz。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种新型结构的APD四象限探测器及其制备方法 | 2020-05-08 | 842 |
| 量子通信光路系统和量子通信方法 | 2020-05-11 | 282 |
| 一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块 | 2020-05-08 | 310 |
| 基于光纤的开关量信号传输控制系统 | 2020-05-11 | 194 |
| 应用于通信卫星转发系统的本振信号生成系统 | 2020-05-08 | 881 |
| 一种高精度测量气室 | 2020-05-08 | 776 |
| 一种带通型光电探测器封装结构 | 2020-05-08 | 265 |
| 一种油井在线实时含水率监测系统 | 2020-05-08 | 343 |
| 微光广域高分辨率光电侦察监视相机 | 2020-05-08 | 495 |
| 一种多功能激光加工仪器 | 2020-05-11 | 915 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈