本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用非周期亞波長(zhǎng)光柵實(shí)現(xiàn)多次反射功能的窄線寬可調(diào)諧高性能的光探測(cè)器。

背景技術(shù)：

隨著信息時(shí)代的不斷發(fā)展，更大容量、更長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸成為人們不斷追求的目標(biāo)。由于光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的變革進(jìn)步往往取決于器件在材料、工藝和結(jié)構(gòu)上的發(fā)展，因而，在面對(duì)日益增長(zhǎng)的高速光通信業(yè)務(wù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)時(shí)，有效提高光通信系統(tǒng)中關(guān)鍵光電子器件的性能將成為一種行之有效的途徑。

在光通信系統(tǒng)中，高速高量子效率的光探測(cè)器是其中的一種關(guān)鍵光電子器件，起著不可或缺的作用。目前，雖然傳統(tǒng)的垂直型PIN光探測(cè)器尚能滿足當(dāng)前高速光通信的帶寬要求，但受其固有的效率帶寬積的限制，帶寬的提高是要以犧牲效率為前提的。為解決這一矛盾，諧振腔增強(qiáng)型(RCE)光探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生。它的基本結(jié)構(gòu)是將吸收層插入到諧振腔中，利用諧振腔的增強(qiáng)效應(yīng)，可以在減薄吸收層厚度的情況下，保證較高的量子效率，與此同時(shí)，響應(yīng)速度也將有較大的提高。但由于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件以磷化銦(InP)系材料為主，折射率差較小，很難獲得具有實(shí)用價(jià)值的分布式布拉格反射鏡(DBR)，從而實(shí)現(xiàn)具有較大增強(qiáng)效果的諧振腔。

為解決這一困難，急需設(shè)計(jì)一種新型高性能的光探測(cè)器，以滿足光通信系統(tǒng)對(duì)于器件帶寬和效率日益提高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決半導(dǎo)體光探測(cè)器的量子效率和頻率響應(yīng)帶寬的相互制約問(wèn)題，在諧振腔增強(qiáng)型(RCE)PIN光探測(cè)器基礎(chǔ)上做進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種基于非周期亞波長(zhǎng)光柵實(shí)現(xiàn)多次偏轉(zhuǎn)反射的具有窄線寬可調(diào)諧高性能的光探測(cè)器，以達(dá)到高速、高量子效率、較好的波長(zhǎng)選擇性和較寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。

本發(fā)明提供的基于非周期亞波長(zhǎng)光柵的窄線寬可調(diào)諧高性能光探測(cè)器，為三鏡兩腔結(jié)構(gòu)，三鏡指兩組分布布拉格反射鏡(DBR)和一個(gè)非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡；兩腔指濾波腔和吸收腔。器件結(jié)構(gòu)自下而上分別為：第一組DBR、濾波腔、第二組DBR、吸收腔和非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡。

其中，第一組DBR、濾波腔和第二組DBR共同構(gòu)成具有波長(zhǎng)選擇功能的法布里-波羅諧振腔，兩組DBR分別構(gòu)成濾波腔的頂鏡和底鏡，作為頂鏡和底鏡的DBR由具有較大折射率差的兩種材料構(gòu)成。吸收腔由光探測(cè)器結(jié)構(gòu)構(gòu)成，位于濾波腔頂鏡和非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡之間，對(duì)經(jīng)濾波腔的入射光進(jìn)行多次反復(fù)吸收。

其中，所述非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡是由高折射率差材料制成的具有特定光柵結(jié)構(gòu)的平面介質(zhì)斜反射鏡。所述非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡能夠按照設(shè)計(jì)要求改變反射光相對(duì)于入射光的方向，實(shí)現(xiàn)具有一定角度的斜反射，同時(shí)保持較高的反射率。

其中，所述特定光柵結(jié)構(gòu)為一維、二維或三維的非周期亞波長(zhǎng)光柵。

優(yōu)選地，所述一維的非周期亞波長(zhǎng)光柵為周期和占空比在一維方向上隨位置改變的條狀光柵；所述二維的非周期亞波長(zhǎng)光柵為周期和占空比在二維平面上隨位置變化的同心圓環(huán)光柵，以及塊狀、柱狀或孔狀等圖形陣列分布型光柵；所述三維的非周期亞波長(zhǎng)光柵為在所述的二維非周期亞波長(zhǎng)光柵的基礎(chǔ)上的各光柵條或圖形陣列塊高度改變的光柵。

優(yōu)選地，所述非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡的每個(gè)光柵周期在0.3μm～1.8μm之間，光柵占空比為15％～85％，光柵高度為0.1～1.2μm，反射率達(dá)70％以上，實(shí)現(xiàn)反射光束方向改變0.1°～30°。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：本發(fā)明的基于非周期亞波長(zhǎng)光柵的窄線寬可調(diào)諧高性能光探測(cè)器，通過(guò)電調(diào)諧或熱調(diào)諧來(lái)改變?yōu)V波腔的光學(xué)腔長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的選擇調(diào)諧功能，利用非周期亞波長(zhǎng)光柵與濾波腔頂鏡DBR形成的多次反射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同角度的高效率斜反射作用，有效地減小了光探測(cè)器的量子效率和頻率響應(yīng)帶寬之間的制約關(guān)系，同時(shí)達(dá)到高速率和高量子效率。本發(fā)明具有易集成、窄線寬、可調(diào)諧、高量子效率、高頻率響應(yīng)帶寬等特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于光通信及光信號(hào)處理領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于非周期亞波長(zhǎng)光柵的窄線寬可調(diào)諧高性能光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的光探測(cè)器中一維非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡示意圖；

圖3a～圖3c為本發(fā)明的光探測(cè)器中二維非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡的三種結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a為矩形陣列光柵，圖3b為六邊形陣列光柵，圖3c為同心圓環(huán)光柵；

圖4為本發(fā)明的光探測(cè)器中三維非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡示意圖。

圖中：

1-入射光；2-濾波腔底鏡；3-濾波腔頂鏡；4-非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡；

5-濾波腔；6-吸收腔。

具體實(shí)施方式

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例和附圖，下面將對(duì)發(fā)明實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)、技術(shù)方案進(jìn)行完整清晰地描述。本實(shí)施例只是本發(fā)明的部分實(shí)施例之一，而不是全部的實(shí)施例。所有在本發(fā)明實(shí)施例基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下獲得的其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的基于非周期亞波長(zhǎng)光柵的窄線寬可調(diào)諧高性能光探測(cè)器，生長(zhǎng)在砷化鎵(GaAs)襯底上，由下至上依次形成的濾波腔底鏡2、濾波腔5、濾波腔頂鏡3、吸收腔6、非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡4，構(gòu)成三鏡兩腔結(jié)構(gòu)。器件利用分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)元化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)等技術(shù)外延生長(zhǎng)。窄線寬為光譜線寬度小于2nm，本發(fā)明的光探測(cè)器可調(diào)諧范圍大于10nm。

所述濾波腔底鏡2是由砷化鎵GaAs/鋁砷化鎵AlGaAs材料制成的DBR結(jié)構(gòu)，濾波腔5由GaAs材料制成，濾波腔頂鏡3是由GaAs/AlGaAs材料制成的DBR結(jié)構(gòu)。

所述吸收腔6由光探測(cè)器結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述光探測(cè)器結(jié)構(gòu)可以采用PIN結(jié)構(gòu)、單行載流子(UTC)結(jié)構(gòu)、部分耗盡吸收(PDA)結(jié)構(gòu)或雪崩(APD)光電二極管結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述吸收腔6由磷化銦InP/銦砷化鎵InGaAs PIN光探測(cè)器結(jié)構(gòu)組成。所述非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡4由具有高折射率差的材料制成。其中，InP/GaAs的大失配異質(zhì)外延生長(zhǎng)，采用InP低溫緩沖層方法，有效緩解InP系材料和GaAs系材料的晶格失配問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)器件的單片集成。

濾波腔5對(duì)入射光波長(zhǎng)具有選擇調(diào)諧作用，其法布里-波羅諧振腔型的結(jié)構(gòu)對(duì)入射光1有波長(zhǎng)選擇功能；為了實(shí)現(xiàn)器件的調(diào)諧性能，通常會(huì)根據(jù)量子阱受限斯坦克效應(yīng)(QCSE)、載流子注入、熱調(diào)諧以及Kerr效應(yīng)，在濾波腔兩側(cè)添加調(diào)諧電極，利用電調(diào)諧或熱調(diào)諧來(lái)改變?yōu)V波腔5的光學(xué)腔長(zhǎng)，從而使入射光峰值波長(zhǎng)改變，達(dá)到調(diào)諧目的。

本發(fā)明中將非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡4置于吸收腔6頂部，實(shí)現(xiàn)入射光在吸收腔內(nèi)的多次反射，達(dá)到多次吸收光的作用。非周期亞波長(zhǎng)光柵采用具有高折射率差的InP/空氣材料制備，也包括其它具有較高折射率差的材料。

入射光1經(jīng)濾波腔底鏡2進(jìn)入濾波腔5，經(jīng)濾波腔5濾波選擇后，進(jìn)入吸收腔6，經(jīng)吸收層后，到達(dá)非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡4，并在其作用下，發(fā)生某一小角度偏轉(zhuǎn)式的反射(區(qū)別于正常反射路徑)，再次經(jīng)過(guò)吸收層到達(dá)濾波腔頂鏡3，并被反射。如此，經(jīng)濾波腔后的入射光1將會(huì)在吸收腔6內(nèi)往復(fù)多次反射，被吸收層多次吸收。

所述的非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡4具有周期和占空比隨位置而改變的光柵結(jié)構(gòu)，組成光柵的每個(gè)周期的光學(xué)長(zhǎng)度小于或接近入射光波長(zhǎng)。參見(jiàn)圖2、圖3a～圖3c、圖4，為本發(fā)明中的非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡4的一維、二維、三維結(jié)構(gòu)的示例，其周期、占空比、光柵條塊的高度和大小均隨位置按設(shè)計(jì)變化，以達(dá)到控制反射光波前的效果，從而實(shí)現(xiàn)不同位置一定角度的斜反射作用；所述的周期、占空比、光柵條塊的厚度和大小隨位置變化的方案，除本例之外，也包括其它各種實(shí)現(xiàn)此功能的變化方案。

如圖2所示，一維非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡的光柵結(jié)構(gòu)為條形，適用于TE/TM偏振光。二維的非周期亞波長(zhǎng)光柵的結(jié)構(gòu)為周期和占空比在二維平面上隨位置變化的同心圓環(huán)光柵，以及塊狀、柱狀或孔狀等圖形陣列分布型光柵。圖3a～圖3c為例舉的光探測(cè)器中二維非周期亞波長(zhǎng)光柵的三種結(jié)構(gòu)，包括矩形陣列光柵、六邊形陣列光柵和同心圓環(huán)光柵，其中同心圓環(huán)圖案的光柵適用于軸向/角向偏振光，圖形陣列分布型光柵對(duì)偏振不敏感。三維的非周期亞波長(zhǎng)光柵為在二維非周期亞波長(zhǎng)光柵的基礎(chǔ)上的各光柵條或圖形陣列塊高度改變的光柵。如圖4所示，為在二維非周期的矩形陣列光柵的基礎(chǔ)上，高度改變的光柵，矩形陣列塊光柵對(duì)偏振不敏感。

優(yōu)選地，所述非周期亞波長(zhǎng)光柵斜反射鏡的每個(gè)光柵周期在0.3μm～1.8μm之間，光柵占空比為15％～85％，光柵高度為0.1～1.2μm，反射率達(dá)70％以上，實(shí)現(xiàn)反射光束方向改變0.1°～30°。

上述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無(wú)任何創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出各種變化和變型，都屬于等同的技術(shù)方案，都在本發(fā)明的范疇內(nèi)。本發(fā)明實(shí)際保護(hù)范疇?wèi)?yīng)有權(quán)利要求限定。