CN114823937A - 磷化铟基模斑转换器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种磷化铟基模斑转换器，包括：衬底；缓冲层，位于所述衬底之上，用于提供晶格匹配，减少缺陷；InGaAsP与InP周期性排列N层形成的稀释波导层，位于所述缓冲层之上，其中N≥3；垂直楔形结构，位于所述稀释波导层之上，用于模斑转换；脊型波导，位于所述垂直楔形结构之上，用于协同所述垂直楔形结构完成模斑转换功能。本公开涉及的磷化铟基模斑转换器可以实现：高效的光纤‑芯片端面耦合(＞80％)，其中光纤可以是普通单模光纤或透镜光纤；高效的稀释波导‑脊型波导模斑转换(＞90％)。

Description

磷化铟基模斑转换器及其设计方法
技术领域
本公开涉及光电子技术领域，具体涉及一种应用于波导型光电探测器芯片领域、具有优良工作特性的磷化铟基模斑转换器及其设计方法。
背景技术
PIN型光电探测器是光纤通信等应用中的关键器件之一。采用光垂直入射方式的传统PIN光电探测器，其结构简单、制作较易，但无法同时具备高响应度和高响应速度的性能特性。而在侧入射式的波导型PIN光电探测器中，光经由波导到达吸收层，因此光的吸收方向与载流子的输运方向垂直。具有该特征的波导型PIN探测器解决了响应度和响应速度之间的矛盾，在高性能光电探测器及光电集成器件中具有重要应用价值。
在光纤通信应用中，波导型PIN探测器通常需要光纤光作为入射光源。一般情况下，光纤模场与探测器波导所支持模场不易匹配。例如，单模光纤的模场直经在1550nm波段约为10.4um，而工作在相应波段的磷化铟基探测器单模波导宽度在2um左右。两者的模场失配不利于提升波导探测器的响应度特性。因此，需要模斑转换器来实现光纤与探测器波导之间的高效耦合。
常见的光纤-波导耦合器有光栅耦合器、棱镜耦合器和楔形模斑转换器等。其中楔形模斑转换器因具有较高的对准容忍度、便于集成和封装的优点。目前研究较多的楔形模斑转换器主要采用水平楔形结构，即宽度在水平方向上变化，形成所谓的“正锥形”或“倒锥形”结构，且多见于硅基材料。然而，基于磷化铟材料体系的垂直楔形模斑转换器研究还较少。
在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：光纤与波导探测器芯片之间的耦合效率(光纤-芯片端面耦合效率和/或模斑转换效率)不够高，这一缺点不利于提升波导探测器的响应度指标。
发明内容
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种磷化铟基模斑转换器及其设计方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本公开的一方面，提供了一种磷化铟基模斑转换器，包括：
衬底；
缓冲层，位于所述衬底之上，用于提供晶格匹配，减少缺陷；
InGaAsP与InP周期性排列N层形成的稀释波导层，位于所述缓冲层之上，其中N≥3；
垂直楔形结构，位于所述稀释波导层之上，用于模斑转换；
脊型波导，位于所述垂直楔形结构之上，用于协同所述垂直楔形结构完成模斑转换功能。
其中，所述稀释波导层的InGaAsP层采用折射率渐变来调控稀释波导所支持的模场大小及有效折射率。
其中，所述垂直楔形结构的材料包括InGaAsP。
其中，所述垂直楔形结构将稀释波导所支持的模式绝热地转换为所述脊型波导所支持的模式，同时完成光场的上行。
其中，所述脊型波导的材料包括InGaAsP。
作为本公开的另一方面，提供了一种如上所述的磷化铟基模斑转换器在特定工作波长下的设计方法，包括：
确定工作波长和相应的光纤模场大小；
选取合适的稀释波导周期层数、结构周期单元厚度、宽度及材料；
对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整；
选取合适的垂直楔形结构材料、结构高度以及脊型波导的材料、宽度和高度；
计算模斑转换效率对应的垂直楔形结构的长度；
若模斑转换器的长度满足需求，便得到不同工作波长下的模斑转换器。
如上所述的设计方法还包括：
在对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整后需要判断稀释波导基模模场与光纤模场的匹配程度，若两者模场的重叠积分大于80％说明匹配程度较好，则继续执行后续步骤；若两者模场的重叠积分小于80％说明匹配程度较差，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
如上所述的设计方法还包括：
在选取合适的垂直楔形结构材料、结构高度以及脊型波导的材料、宽度和高度后需要判断稀释波导基模模式有效折射率与脊型波导模式有效折射率是否接近，若二者相差小于0.05，则继续执行后续步骤；若二者相差大于0.05，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
如上所述的设计方法还包括：
若模斑转换器的长度不满足需求，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
其中，稀释波导中的InGaAsP层折射率呈渐变分布。
基于上述技术方案可知，本公开的磷化铟模斑转换器相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：
本公开涉及的磷化铟基模斑转换器可以实现：1)高效的光纤-芯片端面耦合(＞80％)，其中光纤可以是普通单模光纤或透镜光纤；2)高效的稀释波导-脊型波导模斑转换(＞90％)。因此，应用该模斑转换器可提升波导探测器的响应度特性。该类模斑转换器具有较宽的工作波长范围，且容易根据不同工作波长进行调整优化，极具实用性、广泛性。
附图说明
图1为本公开所涉及的模斑转换器外延结构正视图；
图2为本公开所涉及的模斑转换器外延结构侧视图；
图3为本公开所涉及的模斑转换器工作图示；
图4为本公开所涉及的模斑缩小图示；
图5为本公开所涉及的模斑转换器在特定工作波长下的设计方法流程示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
如图1、图2中的器件正视图和侧视图所示，该模斑转换器的外延结构为：
1)InP衬底
2)缓冲层。缓冲层的作用为提供晶格匹配，减少缺陷。
3)InGaAsP与InP周期性排列N层形成的稀释波导层。此例中，N＝5。InGaAsP层的厚度可选30～60nm，InP层的厚度可选1.5～2um，两者宽度可选12～16um。特别地，稀释波导中的InGaAsP层折射率呈渐变分布，这一般通过调控四元材料组分，即改变InxGa1-xAsyP1-y组分中参数x，y的值来实现。不同组分的InGaAsP材料具有不同的带隙宽度，对应了不同的吸收截止波长。如某一InGaAsP材料的吸收截止波长为1.06um，则记该材料为1.06Q。InGaAsP层折射率的选择策略为：从下往上折射率逐渐增加(可选线性增加、指数增加、平方增加等规律)，但不至于对周期性稀释波导中圆形模场分布影响较大，同时保持模斑转换器输入端和输出端的模式有效折射率尽量接近。可选地，InGaAsP从下往上各层分别为1.06Q，1.10Q，1.15Q，1.20Q和1.30Q。相关四元材料的外延生长工艺均较成熟，制备较易。
其中InGaAsP层采用折射率渐变来调控稀释波导所支持的模场大小及有效折射率。在合适的模场大小和有效折射率下，稀释波导可匹配光纤模场从而提高光纤-芯片的端面耦合效率，以及提高光场的倏逝耦合效率。
4)垂直楔形结构，其材料为InGaAsP。可选地，InGaAsP为1.06Q。其厚度在垂直方向上的斜率变化可选2×10-4～1×10-3，宽度可选12～16um。
垂直楔形结构的作用为模斑转换，将稀释波导所支持的模式绝热地转换为后段脊型波导所支持的模式，实现模斑的缩小，同时完成光场的上行。
5)脊型波导，其材料为InGaAsP。可选地，InGaAsP为1.06Q。其厚度可选200～300nm，宽度可选2～2.5um。
脊型波导的作用为协同垂直楔形结构完成模斑转换功能。
图3为模斑转换器工作图示。较大模场的光纤光从左侧进入，经转换后形成右侧较小的模场，如图4所示。
在上述模斑转换器的基础上，针对模斑转换器在特定工作波长下的制备流程如图5所示。该设计方法具体包括：
确定工作波长和相应的光纤模场大小；
选取合适的稀释波导周期层数、结构周期单元厚度、宽度及材料；
对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整；
选取合适的垂直楔形结构材料、结构高度以及脊型波导的材料、宽度和高度；
计算模斑转换效率对应的垂直楔形结构的长度；
若模斑转换器的长度满足需求，便得到不同工作波长下的模斑转换器。
在本公开进一步的实施例中，在对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整后需要判断稀释波导基模模场与光纤模场的匹配程度，若两者模场的重叠积分大于80％说明匹配程度较好，则继续执行后续步骤；若两者模场的重叠积分小于80％说明匹配程度较差，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
在本公开进一步的实施例中，在选取合适的垂直楔形结构材料、结构高度以及脊型波导的材料、宽度和高度后需要判断稀释波导基模模式有效折射率与脊型波导模式有效折射率是否接近，若二者相差小于0.05，则继续执行后续步骤；若二者相差大于0.05，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
在本公开进一步的实施例中，若模斑转换器的长度不满足需求，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
在本公开进一步的实施例中，稀释波导中的InGaAsP层折射率呈渐变分布。
按图5所示制备流程，可得到不同工作波长下的高效模斑转换器。如在1550nm工作波长下，其普通单模光纤-芯片端面耦合效率可达86.5％(端面镀抗反膜情形)，模斑转换效率可达90％以上；在1310nm工作波长下，其普通单模光纤-芯片端面耦合效率可达83.7％(端面镀抗反膜情形)，模斑转换效率可达90％以上。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磷化铟基模斑转换器，包括：
衬底；
缓冲层，位于所述衬底之上，用于提供晶格匹配，减少缺陷；
InGaAsP与InP周期性排列N层形成的稀释波导层，位于所述缓冲层之上，其中N≥3；
垂直楔形结构，位于所述稀释波导层之上，用于模斑转换；
脊型波导，位于所述垂直楔形结构之上，用于协同所述垂直楔形结构完成模斑转换功能。
2.根据权利要求1所述的磷化铟基模斑转换器，其中，所述稀释波导层的InGaAsP层采用折射率渐变来调控稀释波导所支持的模场大小及有效折射率。
3.根据权利要求1所述的磷化铟基模斑转换器，其中，所述垂直楔形结构的材料包括InGaAsP。
4.根据权利要求1所述的磷化钢基模斑转换器，其中，所述垂直楔形结构将稀释波导所支持的模式绝热地转换为所述脊型波导所支持的模式，同时完成光场的上行。
5.根据权利要求1所述的磷化铟基模斑转换器，其中，所述脊型波导的材料包括InGaAsP。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的磷化铟基模斑转换器在特定工作波长下的设计方法，包括：
确定工作波长和相应的光纤模场大小；
选取合适的稀释波导周期层数、结构周期单元厚度、宽度及材料；
对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整；
选取合适的垂直楔形结构材料、结构高度以及脊型波导的材料、宽度和高度；
计算模斑转换效率对应的垂直楔形结构的长度；
若模斑转换器的长度满足需求，便得到不同工作波长下的模斑转换器。
7.根据权利要求6所述的设计方法，还包括：
在对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整后需要判断稀释波导基模模场与光纤模场的匹配程度，若两者模场的重叠积分大于80％说明匹配程度较好，则继续执行后续步骤；若两者模场的重叠积分小于80％说明匹配程度较差，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
8.根据权利要求6所述的设计方法，还包括：
在选取合适的垂直楔形结构材料、结构高度以及脊型波导的材料、宽度和高度后需要判断稀释波导基模模式有效折射率与脊型波导模式有效折射率是否接近，若二者相差小于0.05，则继续执行后续步骤；若二者相差大于0.05，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
9.根据权利要求6所述的设计方法，还包括：
若模斑转换器的长度不满足需求，则返回对稀释波导结构周期中的InGaAsP层的厚度和材料进行调整的步骤。
10.根据权利要求6所述的设计方法，其中，稀释波导中的InGaAsP层折射率呈渐变分布。
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