本發(fā)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(tǒng)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(tǒng)起著決定性作用。傳統(tǒng)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(shù)衰減的，吸收區(qū)體積薄，總的光電流較小。之后波導探測器(waveguidephotodetector，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(tǒng)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(shù)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，DirectionalCouplingWaveguidePhotodetector)和垂直方向耦合波導探測器(VDCPD，VerticalDirectionalCouplingWaveguidePhotodetector)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)大橫截面結構，以至于在實際的測試中很難實現(xiàn)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(fā)將使波導發(fā)熱，這是不希望得到的。因此，為了使波導主要激發(fā)低階模式，則其橫截面不能做的太大，即VDCPD無法實現(xiàn)大橫截面結構，很難實現(xiàn)光纖到波導的耦合。為了進一步增大垂直方向耦合波導探測器的光電流，余學才教授在2015年提出了一種對稱結構的垂直方向耦合器波導探測器，該探測器由于有兩層吸收層，光在波導兩側吸收，可以進一步提高光電流。并且，對稱結構的波導探測器可以增加垂直方向耦合光波導探測器中基超模和一階超模的激勵，減少高階模的激勵，以減少波導發(fā)熱的問題。這是因為入射光功率分配到基超模和一階超模中的比例決定于基超模和一階超模線性迭加后與入射圓形光斑有多相似，相似性越高，入射光耦合到兩個超模中的比例越高。對稱結構的波導探測器基模和一階模的線性疊加可以更好地還原入射光模式。但是對稱結構的垂直方向耦合波導探測器通常都有一個很深的波導脊(幾乎都在10微米以上)，如此深的波導脊在現(xiàn)有加工條件下是很難加工的，使得對該結構的實現(xiàn)還有待加工工藝的優(yōu)化。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決上述DCPD、VDCPD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，提出了一種水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器。本發(fā)明的技術方案為：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、波導層、吸收層以及覆蓋層；波導層由左波導、中波導和右波導并排構成，左波導和右波導結構相同且呈對稱分布設置；吸收層包括第一吸收層和第二吸收層，第一吸收層放置于左波導上，第二吸收層放置于右波導上；覆蓋層包括第一覆蓋層和第二覆蓋層，第一覆蓋層覆蓋于第一吸收層頂上，第二覆蓋層覆蓋于第二吸收層頂上。優(yōu)選地，中波導的表面中心位置有一入射光區(qū)域，光由入射光區(qū)域入射進波導層，在波導層內向前傳播的同時被吸收層吸收。優(yōu)選地，襯底層的材料為InP，折射率為3.14。優(yōu)選地，波導層的材料為InGaAsP，折射率為3.3，厚度為5μm。優(yōu)選地，吸收層的材料為InGaAs，折射率為3.56-0.1i，厚度為0.12μm。優(yōu)選地，覆蓋層的材料為InP，厚度為0.8μm。優(yōu)選地，左波導、中波導和右波導的寬度均為5μm，波導層的總寬度為15μm。優(yōu)選地，波導層底端與襯底層接觸的部位設置有覆蓋過渡層，用于限制光功率泄漏到空氣中，降低能量損耗。優(yōu)選地，覆蓋過渡層的厚度為0.5μm。本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明具有兩個吸收層，可以增大光吸收的比例，提高探測器的響應度和光電流。(2)本發(fā)明由于波導層結構對稱，基超模與二階超模線性疊加后與入射光斑的相似性很高，使得波導中任意位置處的模式在基超模和二階超模疊加組合時就能實現(xiàn)較好的還原，而不需要或者較少的引入高階波導模式的修正，光功率更多的耦合到基超模和二階超模上去。(3)本發(fā)明可以做成大橫截面結構，既可以方便入射光從光纖到波導的耦合，又可以減小因光斑匯聚導致的波導前端局部過熱，從而避免波導前端被燒毀的風險。(4)現(xiàn)有的垂直方向耦合波導探測器由兩個波導層在垂直方向堆疊而成，這樣不可避免的使得所要加工的波導脊較高(約7μm)且很窄(3μm)，現(xiàn)有工藝條件雖然可以加工如此高的波導脊，但很難保證波導的完整性和形狀。而本發(fā)明中的幾個波導在水平方向堆疊，使得波導脊既不會太高也不會太窄，這樣的波導相比垂直方向耦合波導探測器的波導就很好加工。附圖說明圖1為現(xiàn)有的方向耦合波導探測器結構示意圖。圖2為現(xiàn)有的VDCPD的入射光模式示意圖。圖3為現(xiàn)有的VDCPD基超模和一階超模示意圖。圖4為本發(fā)明提供的一種水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器結構示意圖。圖5為本發(fā)明實施例一的水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器簡化示意圖。圖6為本發(fā)明實施例一的入射光斑模場分布示意圖。圖7為本發(fā)明實施例一的基超模和二階超模分布示意圖。圖8為本發(fā)明實施例二的折射率分布圖。圖9為本發(fā)明實施例二的仿真結果示意圖。圖10為本發(fā)明實施例二的光電流分布示意圖。附圖標記說明：1—襯底層、2—波導層、3—吸收層、4—覆蓋層、5—入射光區(qū)域、6—覆蓋過渡層；21—左波導、22—中波導、23—右波導；31—第一吸收層、32—第二吸收層；41—第一覆蓋層、42—第二覆蓋層。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明。本發(fā)明提供了一種水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器，如圖4所示，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。其中，如圖5所示，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。吸收層3包括第一吸收層31和第二吸收層32，第一吸收層31放置于左波導21上，第二吸收層32放置于右波導23上。覆蓋層4包括第一覆蓋層41和第二覆蓋層42，第一覆蓋層41覆蓋于第一吸收層31頂上，第二覆蓋層42覆蓋于第二吸收層32頂上。中波導22的表面中心位置有一入射光區(qū)域5，光由入射光區(qū)域5入射進波導層2，在波導層2內向前傳播的同時被吸收層3吸收。波導層2底端與襯底層1接觸的部位設置有覆蓋過渡層6，用于限制光功率泄漏到空氣中，降低能量損耗。下面以一個具體實施例對本發(fā)明提供的一種水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器的工作原理及過程作詳細介紹。實施例一：本發(fā)明實施例中，波導探測器工作波長為1.55μm，襯底層1的材料為InP，波導層2的材料為InGaAsP，吸收層3的材料為InGaAs，覆蓋層4的材料為InP。首先列出一些基本理論參數(shù)，波導探測器所用到的材料的折射率如表1所示，其各層厚度如表2所示，其中，左波導21、中波導22和右波導23的寬度均為5μm，波導層2的總寬度為15μm。覆蓋過渡層6的厚度為0.5μm。表1波導材料折射率InP3.14InGaAsP3.3InGaAs3.56-0.1i表2層波導層吸收層覆蓋層厚度5μm0.12μm0.8μm運用有效折射率法分析對稱結構的垂直方向耦合光波導探測器，其波導簡化圖如圖5所示，建立如圖5所示的坐標軸，首先將其等效成y方向的平板波導，求出圖中五個區(qū)域各個波導的有效折射率NI、NII、NIII、NIV、NV；然后再等效成x方向的平板波導，最終求出整個對稱結構水平方向耦合波導的有效折射率neff。根據(jù)已求得的波導的有效折射率，便可求出整個對稱結構水平方向耦合波導的基模傳播常數(shù)和一階模傳播常數(shù)，以驗證該結構是否滿足超模匹配條件。光從中波導22(圖5中區(qū)域III)入射，在波導內往z方向(垂直于xy平面的方向，同時也是波導的長度方向)傳播，在傳播過程中向左右兩邊波導(圖5中區(qū)域II和IV)耦合，最后在左波導21和右波導23上方的吸收層3被吸收，完成光電轉換。在傳播過程中，光能量在中波導22和左波導21和右波導23中周期變化。左波導21和右波導23中的光功率最大時，中波導22中光功率最小，光功率周期性從中波導22耦合到左波導21和右波導23，由于吸收層3的存在，光在波導層2內傳播過程中被吸收，波導層2內總光功率逐漸衰減。入射光從中波導22處入射，其基模的模場分布如圖6所示，由于光從中波導22處入射，所以入射光斑的能量主要匯聚在中波導22處，即圖6中5到10μm處。隨著光在波導內的耦合傳播，光模場受到了波導形狀的約束，能量更多的耦合到了水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器的基超模和二階超模上去，如圖7所示，圖中虛線表示基超模，實線表示二階超模。從圖7中可以看出，基超模和二階超模反對稱，兩者疊加后可以很好的還原入射光斑模式，說明水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器主要工作在基超模和二階超模上。由于其工作模式為基超模和二階超模(不像圖1中探測器那樣工作在基超模和一階超模)，這樣探測器的波導結構可以適當做大一些，可以解決波導耦合的問題；并且，該波導探測器的耦合方式為水平方向耦合，這就不會存在像垂直方向耦合波導探測器那樣深而窄的波導脊，也方便了探測器的加工。下面結合仿真數(shù)據(jù)，以一個具體實施例對本發(fā)明提供的一種水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器的技術效果作進一步介紹。實施例二：運用BeamPROP軟件對上述結構參數(shù)進行數(shù)值模擬仿真，輸入光采用高斯光束。對于水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器，輸入光照射在波導層2中間的端面上。得到的波導的折射率分布圖和仿真結果圖分別如圖8和圖9所示。在圖9仿真結果圖中，左邊方框圖代表水平方向對稱的高階超模方向耦合波導探測器內部光場分布沿z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0時，左邊第一條曲線為波導內總功率的變化，第二條曲線為中波導22中功率的變化，第三條曲線為左波導21和右波導23中功率的變化。由于吸收層3的存在，光在波導層2內傳播被吸收層3吸收，使得波導層2內總光功率整體呈現(xiàn)衰減的趨勢。根據(jù)BeamPROP導出的總光功率數(shù)據(jù)，運用matlab計算光功率對傳播方向z求導得出的光電流分布圖如圖10所示。根據(jù)圖10的光電流分布圖，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。圖中波導長度顯示的是從1000μm處開始是因為在BeamProp軟件的仿真中，為了便于作圖與觀察，將波導圖形的光入射端面放在了圖紙靠中間的位置，即從1000μm處開始，波導長度為1000μm，這種做法對于仿真結果沒有影響。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(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)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(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)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(fā)明的保護范圍內。當前第1頁1 2 3