用于ROF系统的新一代大功率高速光波导探测器.ppt

基模场分布 基模场过零点 下波导 上波导 1阶模场分布 下波导 上波导 寻找到最佳条件：超模匹配条件 0阶模吸收长度= 1阶模吸收长度= 耦合长度的一半 波导按照此条件加工  单行载流子设计（略） 输入波导设计 （略） （C） 必须使用一定结构的无源方向耦合器作输入波导，才能消除高阶超模强吸收避免波导烧毁。 （4）单行载流子技术（UTC） 单载流子只使用电子作为载流子，吸收不在本征层，而是在弱掺杂P区，重量较大的空穴对光电流没有贡献。由于电子重量比空穴轻得多，可以很快通过耗尽层，因此器件的响应速度非常快，功率也有一定的增加。单载流子PIN光电二极管，日本最为先进，目前3dB带宽作到310GHz。单个PIN光电二极管目前的最大输出微波功率约在200mW到300mW左右。 波导探测器使用UTC技术 （5）国内现有基础 国内具备加工波长 1.55微米波导探测器的单位较多（例如北京半导体物理研究所、电子科技大学、中电集团44所、清华大学等） 少数单位有研制波导探测器计划，但未见有报道 充分了解国际前沿，提出切实可行的新方案，才可能跨越 （电子科技大学、北京半导体所、东南大学相关研究成果待整理） 3. 项目主要技术及相关技术国内外专利申请和授权情况，本项目拟采取的对策 但就我们所提出的技术方案：尚未见国际国内有专利申报 三、研究内容与考核指标 1．研究内容、拟解决的技术难点、技术路线和创新点 （1）研究内容 （A)基超模和一阶超模 基超模和以一阶超模在波导内干涉决定光电流分布； 基超模和一阶超模决定从光纤耦合到方向耦合器的效率； TE超模和TM超模决定探测器的偏振敏感性。 （B）光生载流子输运过程 UTC结构中的光生载流子输运过程，决定吸收层等多膜层，确定UTC膜系后才能进行波导设计。 在单载流子结构中，为了获得最大饱和电流，吸收层厚度应该有一个合适值。吸收层越厚，光生载流子数目越大，光电流密度越大；但太厚的吸收层会使载流子渡越时间增加，使探测器响应速度下降。此外合适的掺杂梯度和浓度有利于载流子加速漂移，减小渡越时间。在PDA结构中，为了在本征层获得电中性，p吸收层和n吸收层厚度不同，都必须有一个合适的值。因此为了设计需要的响应速度或带宽，首先需要对UTC光载流子输运过程进行分析，以确定吸收层的厚度、掺杂浓度和梯度。吸收层的厚度和膜系确定后，才能设计方向耦合器。所以需要对单载流子输运过程进行理论数值分析。 （C)外延层MOCVD生长 器件需用MOCVD生长材料，生长工艺至关重要。 光探测器性能在很大程度上依赖于材料外延生长技术。对于1.55微 米光探测器，在InGaAs、InP间的能隙渐变薄层InGaAsP的组分，厚度要 精确，以免因晶格失配造成界面复合速率增加，和失去能隙渐变的设计 功能；体内界面失配位错密度的增加和表面形貌的变差，会严重影响器 件的可靠性，热诱导的二次击穿会使器件性能很快劣化和失效。MOCVD 外延工艺参数包括生长温度、生长元素的流量及其比率、生长反应室压 强、载气成分及流量等。通过不同工艺条件的组合试验，用X射线衍射、 光荧光谱仪、Hall测试方法测试分析外延层的质量，确定生长单外延层的 最佳参数范围。通过多层转换生长试验、反应室生长准备等工艺控制， 解决大功率InGaAs光电二极管外延材料结构MOCVD中的技术问题。 （D) 怎样减小波导前端高阶模式 波导前端高阶模式，吸收很强，造成波导前端光电流强烈起伏，使波导过热而烧毁。 （2）拟解决的技术难点 （A)强耦合有源方向耦合器的超模分析准确性 强耦合、强吸收下，商用波导分析软件模式分析失效 超模匹配设计失去依据。 必须保证超模分析计算正确性 。 （B)找到满足超模匹配条件的方向耦合器 找到一个满足超模匹配条件的方向耦合器结构从而使 光电最均匀，进而获得最大光电流，最后获得大微波功率， 犹如在河滩上找一块标准圆型鹅卵石。 （C）避免有效激励高阶超模 怎样有效避免高阶超模的有效激励是保证器件不被烧毁的 关键。 （3）技术路线 （A)通过对一维方向耦合器超模干涉分析获得超模匹配条件 （ 严格理论） 一维的方向耦合器的TE超模和TM超模都可以用严格理论求出。由于吸收层，所求出的超模的场分量以及传播常数都是复数。这样就可以分析确定一维方向耦合器中两个基超模干涉后形成的光电流沿波导分布。对于这样一个一维方向耦合器，可以通过改变上下波导的厚度改变两个超模的吸收系数，改变耦合膜的厚度改变耦合长度。通过分析计算这个方