工作在零偏壓下的波導(dǎo)光探測器外電路簡單，器件具有低功耗、易集成等優(yōu)點，因此設(shè)計零偏壓下的高速、高響應(yīng)度、具有波長選擇性的波導(dǎo)光探測器具有重要意義和更廣闊的應(yīng)用前景。目前光子晶體濾波器與波導(dǎo)光探測器的單片集成器件還未得到充分的研究，這種單片集成器件對比于以往的波長選擇型波導(dǎo)光探測集成器件，具有制備工藝簡單、占地面積小、抗干擾能力強、易于大規(guī)模集成等突出優(yōu)點，更適合構(gòu)建智能光通信系統(tǒng)中高密集光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，聊城大學(xué)的科研團隊在《聊城大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》期刊上發(fā)表了以“零偏壓下近紅外集成單波長波導(dǎo)光探測器”為主題的文章。該文章第一作者為高松，通訊作者為牛慧娟副教授，主要從事光電信息器件與系統(tǒng)方面的研究工作。

本文將窄線寬、單波長濾波器與邊入射波導(dǎo)光探測器進行集成以同時實現(xiàn)濾波與光電轉(zhuǎn)換功能。

該器件由工作于零偏壓的高性能波導(dǎo)光探測器、InGaAsP材料錐形耦合器與光子晶體濾波器水平集成而成，集成后器件如圖1所示，其中錐形耦合器可以大大提高光子晶體濾波器與波導(dǎo)光探測器間的耦合效率。

圖1 集成單波長波導(dǎo)光探測器結(jié)構(gòu)示意圖

器件設(shè)計及原理

零偏壓波導(dǎo)光探測器的設(shè)計

為了實現(xiàn)波導(dǎo)光探測器與光子晶體濾波器、錐形耦合器的單片集成，采用高摻雜的InGaAsP（折射率為3.39）材料作為光波導(dǎo)層。設(shè)計的零偏壓波導(dǎo)探測器的有源區(qū)寬度為4 μm（W2），長度為15 μm（L2），電極與有源區(qū)間隔為2 μm。具體參數(shù)如表1。

表1 波導(dǎo)光探測器外延參數(shù)

波導(dǎo)光探測器的吸收層采用高斯摻雜類型可以增加吸收層的內(nèi)部電場，加快電子的漂移速度，從而提高波導(dǎo)光探測器的響應(yīng)速度。重?fù)诫s的InGaAsP材料作為光波導(dǎo)層，InP材料作為N接觸層。匹配層可以使光信號更好的耦合至吸收層，收集層可以調(diào)節(jié)結(jié)電容，電子在其中作漂移運動，吸收層則進行光電轉(zhuǎn)換。電子阻擋層用于阻擋光生電子從吸收層向P接觸層擴散，P接觸層的作用是使半導(dǎo)體器件與金屬電極形成良好的歐姆接觸。

錐形耦合器結(jié)構(gòu)的設(shè)計

錐形耦合器的輸入端的寬度為W1，輸出端的寬度為W2，分別與光子晶體濾波器、波導(dǎo)光探測器的輸出、輸入端寬度保持一致。如圖2所示。

圖2 不同m值錐形耦合器俯視圖：（a）m=0.5 （b）m=2

光子晶體濾波器設(shè)計

本文設(shè)計的光子晶體濾波器是通過在厚度為1 μm的InGaAsP材料上刻蝕出空氣孔來實現(xiàn)濾波功能。圖3（a）為具有線缺陷的光子晶體結(jié)構(gòu)，線缺陷波導(dǎo)將束縛光波在其中傳播，因此左端口（Port1）入射光波將在右端口（Port2）出射。在實際中常要求改變光路的方向以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，本文設(shè)計的光子晶體濾波器通過對入射光場的控制使得特定波長的光波可以通過光子晶體且方向改變90°后進入錐形耦合器。圖3（b）為具一個六邊形環(huán)形諧振腔的光子晶體結(jié)構(gòu)，其中腔內(nèi)的空氣柱（白色圓柱）半徑為R，腔外的空氣孔半徑為r，晶格常數(shù)為a。滿足共振條件的光波將通過環(huán)形腔耦合至輸出端口Port3處，其它波長的光波將無法通過光子晶體濾波器，從而實現(xiàn)濾波的功能。

圖3 解復(fù)用器結(jié)構(gòu)俯視圖：（a）線缺陷（b）環(huán)形缺陷

器件仿真結(jié)果及性能分析

零偏壓波導(dǎo)光探測器的性能分析

使用光束傳播法模擬了1.55 μm的光波在波導(dǎo)光探測器結(jié)構(gòu)中的傳播，如圖4所示。輸入光功率變?yōu)樵瓉淼?/e時波導(dǎo)光探測器的吸收長度為15 μm。采用時域有限差分法對波導(dǎo)光探測器的響應(yīng)度進行分析。

圖4 光在波導(dǎo)探測器中的傳播

同時，為了說明吸收層采用高斯摻雜分布可以提高吸收層內(nèi)部電場強度，提高波導(dǎo)光探測器的響應(yīng)速度。這里將吸收層采用P型高斯摻雜，器件摻雜濃度分布如圖5（a）所示。仿真結(jié)果表明，零偏壓工作下（4×15） μm2波導(dǎo)光探測器UTC-WGPD和MUTC-WGPD的3 dB帶寬可分別達61 GHz和78 GHz，圖5（b）給出二者的頻率響應(yīng)關(guān)系。

顯然，在0 V工作條件下，MUTC-WGPD的帶寬大約是UTC-WGPD的1.27倍，帶寬得到了明顯的提升。圖5（c）為外置偏置電壓為0 V時UTC-WGPD和MUTC-WGPD的電場分布，可以看出高斯摻雜分布提高了吸收層的電場強度，從而使光生載流子以更快的速度通過吸收層，即使在0 V工作條件下MUTC-WGPD也具有高速性能。

圖5 MUTC-WGPD和UTC-WGPD的對比圖（a）摻雜濃度分布圖（b）頻率響應(yīng)圖（c）電場分布圖

光子晶體濾波器與錐形耦合器的性能分析

本文設(shè)計光子晶體濾波器，以波長為1.54 μm - 1.56 μm（TE基模）為輸入源、背景折射率為1，光子晶體濾波器晶格常數(shù)a = 0.42 μm，并且以完美匹配層作為吸收條件，進行模擬計算，利用時域有限差分法研究了光子晶體濾波器的傳輸特性。圖6（a）顯示了輸出端口Port3處的透射譜與腔內(nèi)空氣柱半徑R的關(guān)系。當(dāng)R = 0.1347 μm時，光波波長為1.54 μm、1.55 μm、1.56 μm的透射率分別為0.55%、91%、0.58%。Port3處不同模式的透射譜如圖6（b）所示，圖6（b）表明Port3處主要以波長為1.55 μm TE基膜（mode2）模式波為輸出源，其中TE基模的透射率約為80%。。圖7（a）（b）為當(dāng)光源分別為1.55 μm、1.54 μm在光子晶體濾波器中的傳播路徑，同時證明了波長為1.55 μm的光波可以到達光子晶體濾波器輸出端口Port3處，然而1.54 μm的光波則無法通過光子晶體濾波器。在環(huán)形缺陷的作用下，形成了以中心波長為1.55 μm，總透射率高達91%，半高全寬為僅為1.6 nm，Q值為962.7的透射峰。

圖6 光子晶體濾波器透射譜圖：（a）不同R值（b）不同模式

圖7 不同波長光場分布圖（a）波長為1.55 μm（b）波長為1.54 μm

波長為1.55μm的光波經(jīng)錐形耦合器傳輸?shù)搅闫珘翰▽?dǎo)光探測器，本文采用時域有限差分法研究錐形耦合器的光學(xué)特性。圖8展示了不同m值時，錐形耦合器輸出端TE 基模的透射譜（只考慮TE基模的傳輸效率）。當(dāng)m為1.8時，錐形耦合器的傳輸效率約為90.5%，其光場分布如圖9所示。

圖8 不同m值錐形耦合器透射譜圖TE基模

圖9 m=1.8 時錐形耦合器光場分布圖

總結(jié)

本文設(shè)計的零偏壓下近紅外集成單波長波導(dǎo)光探測器同時具有高速、高量子效率和窄的光譜響應(yīng)線寬。器件的響應(yīng)波長為1550 nm，Q值為962.7，理論仿真該器件的響應(yīng)度為0.78 A/W，3 dB響應(yīng)帶寬為78 GHz@0 V。此研究方法不單單適用于單波長下光子晶體濾波器與波導(dǎo)光探測器集成器件的研究，也適用設(shè)計具有多波長處理功能的單片集成波導(dǎo)光探測器陣列器件。采用InGaAsP材料作為光波導(dǎo)層的外延層材料，一方面有利于與InP材料襯底的晶格匹配實現(xiàn)單片集成，另一方面通過變換InGaAsP材料組分可以對其光學(xué)折射率進行調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同波段的接收。多光路光子晶體可以作為多波長解復(fù)用器，可應(yīng)用于彈性光網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)光分插復(fù)用器，與波導(dǎo)光探測器集成后形成彈性接收子系統(tǒng)，同時具有低的復(fù)雜度和高的可靠性。

審核編輯：劉清