高 松,?；劬?2,,李 真,范鑫燁,2,段曉峰,黃永清

(1. 聊城大學(xué) 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,山東 聊城 252059;2. 聊城大學(xué) 山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 聊城 252059;3. 北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876)

1 引言

當(dāng)前,AI、互聯(lián)網(wǎng)+、云計(jì)算等技術(shù)不斷發(fā)展,促使智能光通信系統(tǒng)的迭代更新[1]。在信號(hào)傳輸和處理過程中,需要將信號(hào)快速切換到某一特定波長,這就要求接收端具有極窄線寬的單波長探測(cè)能力。為了適應(yīng)智能光通信系統(tǒng)的發(fā)展,具有光電轉(zhuǎn)換功能的接收端器件逐漸向高性能、集成化方向發(fā)展[2-5]。高集成度的光電器件在實(shí)現(xiàn)多功能、高性能、小體積的同時(shí),其大量的外部偏置電路也帶來了焦耳熱以及器件之間的串?dāng)_。工作在零偏壓下的波導(dǎo)光探測(cè)器外電路簡(jiǎn)單,器件具有低功耗、易集成等優(yōu)點(diǎn),因此設(shè)計(jì)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(cè)器具有重要意義和更廣闊的應(yīng)用前景[6-7]。

邊入射結(jié)構(gòu)克服了響應(yīng)度與載流子渡越時(shí)間之間的矛盾,因此可以同時(shí)具有高速、高響應(yīng)度的特性[8]。所以具有相同的有源區(qū)面積和吸收層厚度的情況下,波導(dǎo)光探測(cè)器的響應(yīng)度遠(yuǎn)超過垂直入射光探測(cè)器[3]。邊入射結(jié)構(gòu)的波長選擇性可以通過將法布里波羅腔(Fabry-Pérot Cavity,FPC)濾波器與波導(dǎo)光探測(cè)器異質(zhì)集成、直波導(dǎo)與環(huán)形波導(dǎo)光探測(cè)器單片集成來實(shí)現(xiàn)[5,9]。雖然它們分別通過FPC腔與環(huán)形諧振腔實(shí)現(xiàn)了濾波功能,但是其制備工藝相當(dāng)繁瑣,并且不易于大規(guī)模集成。近年來,光子晶體濾波器的設(shè)計(jì)得到了關(guān)注。但是光子晶體濾波器與波導(dǎo)光探測(cè)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(duì)比于以往的波長選擇型波導(dǎo)光探測(cè)集成器件,具有制備工藝簡(jiǎn)單、占地面積小、抗干擾能力強(qiáng)、易于大規(guī)模集成等突出優(yōu)點(diǎn),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)[10-12]。

針對(duì)以上問題,將窄線寬、單波長濾波器與邊入射波導(dǎo)光探測(cè)器進(jìn)行集成以同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波與光電轉(zhuǎn)換功能[5]。該器件由工作于零偏壓的高性能波導(dǎo)光探測(cè)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(cè)器間的耦合效率。采用商用軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的集成器件進(jìn)行仿真,提取并計(jì)算主要的性能指標(biāo),包括傳輸效率、響應(yīng)度、頻率響應(yīng)等,并通過優(yōu)化光場(chǎng)分布、電場(chǎng)分布方法提高其性能。

圖1 集成單波長波導(dǎo)光探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計(jì)與原理

2.1 零偏壓波導(dǎo)光探測(cè)器的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)光探測(cè)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(jì)的零偏壓波導(dǎo)探測(cè)器的有源區(qū)寬度(W2)為4 μm,長度(L2)為15 μm,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(cè)器外延參數(shù)

波導(dǎo)光探測(cè)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(chǎng)[13],加快電子的漂移速度,從而提高波導(dǎo)光探測(cè)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(hào)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(yùn)動(dòng),吸收層則進(jìn)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(kuò)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。

2.2 錐形耦合器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖2 不同m值錐形耦合器俯視圖(a) m=0.5; (b) m=2

2.3 光子晶體濾波器設(shè)計(jì)

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

3 仿真結(jié)果及性能分析

3.1 零偏壓波導(dǎo)光探測(cè)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(cè)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(shí)波導(dǎo)光探測(cè)器的吸收長度為15 μm。采用時(shí)域有限差分法對(duì)波導(dǎo)光探測(cè)器的響應(yīng)度進(jìn)行分析。響應(yīng)度計(jì)算公式為:M=JSC*A/P,其中JSC為電流密度,A為有源面積,P為輸入功率[3]。最終我們得到了4 μm×15 μm波導(dǎo)光探測(cè)器的響應(yīng)度為0.78 A/W。同時(shí)對(duì)4 μm×15 μm波導(dǎo)光探測(cè)器進(jìn)行了電學(xué)仿真,3 dB帶寬的仿真采用的是小信號(hào)分析模型。其中在低電場(chǎng)條件下,采用濃度依賴遷移率(CONMOB)模型。在高電場(chǎng)條件下,使用平行電場(chǎng)遷移率(FLDMOB)模型。濃度依賴遷移率模型和平行電場(chǎng)遷移率模型中的InP和In0.53Ga0.47As材料數(shù)據(jù)主要參考Y.L.Huang的報(bào)道[15]。通過小信號(hào)模型可以得到外置偏置電壓為0 V時(shí)波導(dǎo)光探測(cè)器在大信號(hào)(調(diào)制深度為100%)輸入下的頻率響應(yīng),即I(ω)。歸一化頻率響應(yīng)τ(ω)計(jì)算公式如下[16]

圖4 光在波導(dǎo)探測(cè)器中的傳播

(1)

式中角頻率ω=2πf,I(0)=I(ω)|ω=0,CJ(0)=CJ(ω)|ω=0,負(fù)載阻抗RL=50 Ω,串聯(lián)電阻RS=50 Ω,寄生電容CP=5fF,波導(dǎo)光探測(cè)器的電容值CJ可以通過C-ω曲線計(jì)算得到[17]。

同時(shí),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(chǎng)強(qiáng)度,提高波導(dǎo)光探測(cè)器的響應(yīng)速度。這里將吸收層采用P型高摻雜,摻雜濃度為5E18 cm-3,即傳統(tǒng)的UTC-WGPD;吸收層采用P型高斯摻雜,摻雜濃度為5E18～3E17 cm-3,即MUTC-WGPD進(jìn)行對(duì)比分析,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 μm×15 μm波導(dǎo)光探測(cè)器UTC-WGPD和MUTC-WGPD的3 dB帶寬可分別達(dá)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(shí)UTC-WGPD和MUTC-WGPD的電場(chǎng)分布,可以看出高斯摻雜分布提高了吸收層的電場(chǎng)強(qiáng)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。內(nèi)建電場(chǎng)與吸收層摻雜濃度關(guān)系可以表達(dá)為[18]

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

(2)

式中Ebuilt(x)是內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度,Vt是熱電壓,p0(x)是吸收層摻雜濃度,k是玻爾茲曼常數(shù),T是溫度,q是電子電荷。

3.2 光子晶體濾波器與錐形耦合器的性能分析

本文設(shè)計(jì)光子晶體濾波器,以波長為1.54～1.56 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(jìn)行模擬計(jì)算,利用時(shí)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=0.134 7 μm時(shí),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(shí)證明了波長為1.55 μm的光波可以到達(dá)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(dá)91%,半高全寬為僅為1.6 nm,Q值為962.7的透射峰,Q值計(jì)算公式為Q=λ/Δw,其中λ為中心波長,Δw為半高全寬。

圖6 光子晶體濾波器透射譜圖(a) 不同R值; (b) 不同模式

波長為1.55 μm的光波經(jīng)錐形耦合器傳輸?shù)搅闫珘翰▽?dǎo)光探測(cè)器,采用時(shí)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(shí),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(shí),錐形耦合器的傳輸效率約為90.5%,其光場(chǎng)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

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的零偏壓下近紅外集成單波長波導(dǎo)光探測(cè)器同時(shí)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1 550 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(cè)器集成器件的研究,也適用設(shè)計(jì)具有多波長處理功能的單片集成波導(dǎo)光探測(cè)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(shí)現(xiàn)單片集成,另一方面通過變換InGaAsP材料組分可以對(duì)其光學(xué)折射率進(jìn)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(cè)器集成后形成彈性接收子系統(tǒng),同時(shí)具有低的復(fù)雜度和高的可靠性。