用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器

技术领域

本发明涉及可见光无线通信或是光子集成芯片领域，尤其涉及用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器。

背景技术

随着互联网、无线传感网络、物联网等无线通信技术的快速发展，高清媒体服务成为了主流，用户对无线数据的传输速度及带宽的需求也越来越高，使得电磁波谱中原本就有限的射频无线通信频带变得愈渐拥挤。

目前，从PD的原理出发，主要采用两种策略来增强其探测性能。一种是通过化学方法，在PD表面加入纳米线表面复合助催化剂，提高其氧化还原的反应速率，可获得更高的光响应度，进而达到提高光电转换效率的目的。但由此衍生而出的光电化学探测器因受限于半导体材料晶体质量比较差、氧化还原反应速率慢等原因，探测性能并不理想，因此需要基于材料创新来提升整体的探测性能。而另一种则是通过表面等离子体近场场强增强效应，提高其表面光电流(Photocurrent)总量，从而达到提升光响度的目的。

而传统的表面等离子体增强光电器件一般需要根据对应的光波长来选择相应的等离子体金属种类及结构，并且由于受限于现有的微纳加工或高温煅烧等金属膜制成工艺水平，存在严重的金属颗粒分布不均、高温掺杂、薄膜粗糙度过大等问题，严重影响探测器的响应速度，导致这类器件的性能严重降低。此外，由于目前基于等离子体增强效应的研究主要集中在近紫外UVA波段，存在工作频带较窄的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器，旨在解决现有的探测器的响应速度较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器，包括三维蝴蝶结纳米天线结构、粘合层、光吸收层、第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层；

所述粘合层与所述三维蝴蝶结纳米天线结构连接，所述光吸收层与所述粘合层连接，所述第一半导体层与所述光吸收层连接，所述第二半导体层与所述第一半导体层连接，所述第三半导体层与所述第二半导体层连接。

其中，所述第一半导体层为n-GaAs，所述第二半导体层为p-GaAs，所述第三半导体层为Ti/Au。

其中，所述光吸收层为SiO

其中，所述三维蝴蝶结纳米天线结构为纳米偶极光学天线。

其中，所述三维蝴蝶结纳米天线结构具有可调性。

本发明的用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器，所述粘合层的主要作用是将所述三维蝴蝶结纳米天线结构和基于CMOS工艺研制的PD结构结合在一起。所述光吸收层能够将所述三维蝴蝶结纳米天线结构开口处产生的光电流吸收，并且和局部电场效应激发的电荷以绝缘膜为介质进行遂穿；所述第一半导体层、所述第二半导体层和所述第三半导体层基于所述被遂穿的电场效应，诱导光电流，从而实现光电探测；

当入射LED光源照射到所述三维蝴蝶结纳米天线结构上时，所述三维蝴蝶结纳米天线结构表面自由电子的电荷密度波将于入射电磁波产生强烈的耦合作用，在满足波矢匹配的条件下激发SPPs波，并且通过所述三维蝴蝶结纳米天线结构特有的锥形结构，能够将SPPs波进一步汇聚到其开口处形成光电流，极大地提高光透射率，并获得更小的光斑，提高探测器的响应速度，从而解决了现有的探测器的响应速度较低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器的研发流程图。

图2是本发明提供的用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器的结构示意图。

图3是3D BNA结构及SPPs诱导光电流产生示意图。

图4是可见光波长范围内，3D BNA的透射率响应曲线及LED光谱图。

图5是LED光谱下，由3D BNA诱导生成的光电流光强大小随波长的变化曲线。

1-三维蝴蝶结纳米天线结构、2-粘合层、3-光吸收层、4-第一半导体层、5-第二半导体层、6-第三半导体层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图5，本发明提供用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器，包括三维蝴蝶结纳米天线结构1、粘合层2、光吸收层3、第一半导体层4、第二半导体层5和第三半导体层6；

所述粘合层2与所述三维蝴蝶结纳米天线结构1连接，所述光吸收层3与所述粘合层2连接，所述第一半导体层4与所述光吸收层3连接，所述第二半导体层5与所述第一半导体层4连接，所述第三半导体层6与所述第二半导体层5连接。

在本实施方式中，所述粘合层2的主要作用是将所述三维蝴蝶结纳米天线结构1和基于CMOS工艺研制的PD结构结合在一起。所述光吸收层3能够将所述三维蝴蝶结纳米天线结构1开口处产生的光电流吸收，并且和局部电场效应激发的电荷以绝缘膜为介质进行遂穿；所述第一半导体层4、所述第二半导体层5和所述第三半导体层6基于所述被遂穿的电场效应，诱导光电流，从而实现光电探测；

当入射LED光源照射到所述三维蝴蝶结纳米天线结构1上时，所述三维蝴蝶结纳米天线结构1表面自由电子的电荷密度波将于入射电磁波产生强烈的耦合作用，在满足波矢匹配的条件下激发SPPs波，并且通过所述三维蝴蝶结纳米天线结构1特有的锥形结构，能够将SPPs波进一步汇聚到其开口处形成光电流，极大地提高光透射率，并获得更小的光斑，提高探测器的响应速度，从而解决了现有的探测器的响应速度较低的问题。

进一步的，所述第一半导体层4为n-GaAs，所述第二半导体层5为p-GaAs，所述第三半导体层6为Ti/Au。

在本实施方式中，所述第一半导体层4、所述第二半导体层5和所述第三半导体层6分别为n-GaAs、p-GaAs、Ti/Au(electrode)基于所述被遂穿的电场效应，诱导光电流，从而实现光电探测。

进一步的，所述光吸收层3为SiO

在本实施方式中，所述光吸收层3SiO

进一步的，所述三维蝴蝶结纳米天线结构1为纳米偶极光学天线。

在本实施方式中，3D BNA结构作为一种纳米偶极光学天线，当受到外来偏振波照明时，在其狭缝内部会产生很强的电磁场增强，并通过其特有的锥形结构，进一步实现能量聚焦。为了分析外来入射电磁波的能量是如何聚集到BNA开口处并诱导生成强光电流的，基于SPPs的激励、传输及其于表面等离子体波导结构进行耦合共振的原理，对三维蝴蝶结纳米天线结构1的高透射率进行理论分析,如图3所示。根据动量守恒，激发表面等离子体激元应满足的波矢关系为：

其中，k0是入射波长自由空间内的波矢，kx和kz分别为波矢在x和z方向上的分量。而对于3DBNA，SPPs表面波被束缚在锥形金属表面，波矢关系为：

k

其中，kspp为SPPs波矢，kl为3DBNA锥形界面上的波矢分量，θ为锥形夹角。在锥形波导与SPPs共振耦合作用下，3DBNA开口处的波矢匹配关系可以推导为：

其中，ε

其中，T0为归一化后的入射光源透射率。

进一步的，所述三维蝴蝶结纳米天线结构1具有可调性。

在本实施方式中，对3D BNA的几何结构做进一步优化，如可通过改变3DBNA结构的锥形角度、材质、膜层厚度、介电环境、BNA的间隙及轮廓等，对其的SPPs激发及输运特性进行有效地调控，进而明确该纳米光电探测器在工作响应时间以及能够满足特定LED可见光工作波长方面具有可调性。

基于三维蝴蝶结型纳米天线结构的等离子激元光电探测器技术研发流程：

S1构建构建基于三维蝴蝶结纳米天线结构1(3D BNA)的光电探测器，并明确各部分结构的作用.

具体的，如图2所示。该光电探测器主要包括三维蝴蝶结纳米天线结构11，粘合层22，光吸收层33，半导体层4、5、6。粘合层2Cr的主要作用是将3D BNA结构和基于CMOS工艺研制的PD结构结合在一起。当入射LED光源照射到3DBNA结构上时，3D BNA表面自由电子的电荷密度波将于入射电磁波产生强烈的耦合作用，在满足波矢匹配的条件下激发SPPs波，并且通过3D BNA特有的锥形结构，能够将SPPs波进一步汇聚到其开口处形成光电流，极大地提高光透射率，并获得更小的光斑，提高探测器的响应速度。光吸收层3SiO

S2:利用时域有限差分法(FDTD)对三维蝴蝶结纳米天线结构1进行设计和优化，并对其的电磁波传输特性进行分析。

S3基于SPPs的激励、传输及其于表面等离子体波导结构进行耦合共振的原理，对三维蝴蝶结纳米天线结构1的高透射率进行理论分析。

具体的，3D BNA结构作为一种纳米偶极光学天线，当受到外来偏振波照明时，在其狭缝内部会产生很强的电磁场增强，并通过其特有的锥形结构，进一步实现能量聚焦。为了分析外来入射电磁波的能量是如何聚集到BNA开口处并诱导生成强光电流的，基于SPPs的激励、传输及其于表面等离子体波导结构进行耦合共振的原理，对三维蝴蝶结纳米天线结构1的高透射率进行理论分析,如图3所示。根据动量守恒，激发表面等离子体激元应满足的波矢关系为：

其中，k0是入射波长自由空间内的波矢，kx和kz分别为波矢在x和z方向上的分量。而对于3D BNA，SPPs表面波被束缚在锥形金属表面，波矢关系为：

k

其中，kspp为SPPs波矢，kl为3D BNA锥形界面上的波矢分量，θ为锥形夹角。在锥形波导与SPPs共振耦合作用下，3D BNA开口处的波矢匹配关系可以推导为：

其中，ε

其中，T0为归一化后的入射光源透射率。

S4对三维蝴蝶结纳米天线结构1及LED可见光谱的透射率进行仿真分析，分别获得其在可见光范围内的光谱响应曲线。

具体的，如图4所示，通过FDTD仿真获得3D BNA结构在其开口处的透射率随波长变化的光谱响应，并将其与LED光源的归一化照射强度进行比较。LED光源在波长470nm和550nm处共有两个峰值，470nm处的峰值大，但带宽较窄，而550nm处的峰值虽然相对较小但是具有较宽的响应带宽。

S5:将3D BNA的光谱响应曲线与LED的光谱响应曲线相结合，明确3DBNA在LED可见光无线通信系统中的可应用性，以及验证该纳米光电探测器具有较宽的工作频率，如图5所示。

S6:对3D BNA的几何结构做进一步优化，如可通过改变3D BNA结构的锥形角度、材质、膜层厚度、介电环境、BNA的间隙及轮廓等，对其的SPPs激发及输运特性进行有效地调控，进而明确该纳米光电探测器在工作响应时间以及能够满足特定LED可见光工作波长方面具有可调性。

有益效果：

本发明的创新点有多个，首先是纳米聚焦器件3D BNA结构的能量聚集及输运特性，将入射光的能量转化为SPPs的能量并通过锥形汇聚及共振耦合的形式输运到波导的终端，在BNA的开口处诱导形成强烈的光电流。3D BNA作为一种锥形纳米天线结构，能够通过与入射光进行耦合在其表面激发SPPs，并且通过其特有的锥形结构以表面等离子体波导的形式，与其界面上的SPPs共振耦合，并将其聚集传输到BNA的开口处，形成局部的电场增强，以能量共振转移的形式有效地实现光电流的激发和诱导。其次是基于3D BNA结构的纳米光电探测器在可见光范围内的宽带光谱响应可调谐性及优异的光电转换效率。通过光吸收层3将其开口处形成的光电流吸收并引入到光电探测器中，在保证光电探测器本身响应频率的情况下，能够极大地提高光响应度。并且通过对3D BNA的色散关系及截止波长进行求解分析，发现在可见光范围内3D BNA均能与其产生响应，因此进一步将传统光电探测器所具有的单一入射工作波长频段扩展到了整个可见范围内使其具备了足够宽的工作频段。此外，通过对3D BNA的几何结构进行优化和设计，能够实现对本发明中所提出的等离子激元光电探测器的工作波长、响应频谱及响应速度进行定量调控。因此，相较于传统的光电探测器，本发明中所提出的基于三维纳米天线结构的等离子体光电探测器更适合应用于光子芯片集成中，可极大地提高纳米光电探测器的光电转换效率，进而为发展面向可见光通信网络需求的复合功能光子集成芯片终端提供了更多可能性。

以上所揭露的仅为本发明用于LED可见光无线通信系统的等离子体光电探测器较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。