一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器及其制作方法

技术领域

本发明涉及集成光学器件以及光通信技术领域，具体属于一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器及其制作方法。

背景技术

近年来，InP基光子集成电路在光通信、光互连、信号处理和传感等领域得到了广泛的关注。与混合集成相比，单片集成的器件具有较高的稳定性，可以显著降低器件面积和光通信模块的封装成本，同时易于实现大规模、超大规模光电子芯片集成，对于扩展系统的功能、提高系统速度、提升系统效率和增强系统鲁棒性具有重要的意义。

随着波分复用光纤通信系统与智能光网络的迅速发展，催生了许多新一代的通信光电子器件，在信号传输和处理过程中，需要灵活高效地实现带宽及信道资源的优化调配，这就要求其接收器件具有高性能弹性接收能力。围绕适用于现代弹性光通信网络的光信号的高效检测，本申请提出了一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器及其制作方法。

发明内容

本发明的目的即在于提供一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器及其制作方法，以达到波导光探测器、光子晶体解复用器、锥型耦合器的单片集成，使本发明可以应用于波分复用光网络或弹性光网络中的目的。

本发明所提供的一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器，其特征在于，包括沿X轴方向依次排布的光子晶体解复用器、锥型耦合器、波导光探测器，光子晶体解复用器与锥型耦合器自下而上包括半绝缘衬底层、光波导层；波导光探测器自下而上包括半绝缘衬底层、光波导层、过渡层、收集层、崖层、间隔层、吸收层、电子阻挡层、P接触层，过渡层、收集层、崖层、间隔层、吸收层、电子阻挡层、P接触层通过刻蚀形成叠置在光波导层上的方形台体，方形台体的底面积小于光波导层的横截面积，其中，P接触层上表面设置有P金属电极；方形台体两侧的光波导层的部分上表面上设置有N金属电极。

进一步的，半绝缘衬底层由N型掺杂InP组成；光波导层由N型掺杂InGaAsP组成，厚度为1000nm，折射率为3.4；过渡层由N型掺杂InP组成，厚度为10nm，折射率为3.16；收集层由未掺杂InGaAsP组成，厚度为250nm，折射率为3.39；崖层由N掺杂InGaAsP组成，厚度为10nm，折射率为3.39；间隔层由未掺杂InGaAsP组成，厚度为10nm，折射率为3.45；吸收层由部分P掺杂InGaAs组成，厚度为150nm，折射率为3.58；电子阻挡层由P掺杂InGaAsP组成，厚度为20nm，折射率为3.45；P接触层由P掺杂InGaAs组成，厚度为80nm，折射率为3.54。

进一步的，光子晶体解复用器具有环形谐振腔，入射光通过线缺陷波导耦合进入环形谐振腔，在环形谐振腔传播一周后相位移为φ＝βL，其中β＝2πn

进一步的，光子晶体解复用器的输入端和输出端宽度W1＝√3a,锥型耦合器的输入端宽度为W1，输出端宽度为W2＝4μm，长度为L1＝10μm，其中，晶格常数a＝420nm；波导光探测器的有源区长为L2、宽为W2，其面积为(W2*L2)μm

进一步的，P金属电极、N金属电极采用Pt-Ti-Pt-Au结构，所述的P金属电极、N金属电极均制作成矩形。

本发明所提供的一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器的制作方法，其特征在于，包括以下过程：

在衬底层上生长光波导层；

在光波导层上生长过渡层；

在过渡层上生长收集层；

在收集层上生长崖层；

在崖层上生长间隔层；

在间隔层上生长吸收层；

在吸收层上电子阻挡层；

在电子阻挡层上生长P接触层；

对过渡层、收集层、崖层、间隔层、吸收层、电子阻挡层、P接触层通过低压等离子体刻蚀的方法进行刻蚀，形成叠置在光波导层上的方形台体并露出光波导层的部分上表面，其中，保证波导探测器的前端裸露出大面积的光波导层；通过电子束光刻技术投影图形，照射到波导光探测器的前端裸露出大面积的光波导层的区域，使用电感耦合等离子体蚀刻机将图案转移到InGaAsP层中，形成光子晶体解复用器与锥型耦合器；

利用磁控溅射法，分别在P接触层的上表面上溅射形成P金属电极，方形台体两侧的光波导层的部分上表面上溅射形成N金属电极。

本发明所提供的一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器及其制作方法，利用刻蚀工艺在波导探测器的前端形成具有环形谐振腔的光子晶体解复用器与锥型耦合器，将光子晶体解复用器、锥型耦合器、波导光探测器集成到一个InP半导体材料衬底上，集成度高，在环形谐振腔的光子晶体解复用器以及锥型耦合器的作用下，特定的一种或多种频率的入射光中一个或多个光信号耦合到波导光探测器被接收，使本发明可以应用于波分复用光网络或弹性光网络中，具有实用性强，适应范围广的积极效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的X-Y剖面图；

图3为本发明的光子晶体解复用器的结构示意图；

图4为本发明的波导光探测器的Y-Z俯视图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明所提供的一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器，包括沿X轴方向依次排布的光子晶体解复用器、锥型耦合器、波导光探测器，光子晶体解复用器与锥型耦合器自下而上包括半绝缘衬底层1、光波导层2；波导光探测器自下而上包括半绝缘衬底层、光波导层、过渡层4、收集层5、崖层6、间隔层7、吸收层8、电子阻挡层9、P接触层10，过渡层、收集层、崖层、间隔层、吸收层、电子阻挡层、P接触层通过刻蚀形成叠置在光波导层上的方形台体，方形台体的底面积小于光波导层的横截面积，其中，P接触层上表面设置有P金属电极11；方形台体两侧的光波导层的部分上表面上设置有N金属电极，N金属电极又包括第一N金属电极3a和第二N金属电极3b。

在本发明的具体实施例中，半绝缘衬底层由N型掺杂InP组成，厚度一般不做要求；光波导层由N型掺杂InGaAsP组成，厚度为1000nm，折射率为3.4；过渡层由N型掺杂InP组成，厚度10nm，折射率为3.16；收集层由未掺杂InGaAsP组成，厚度为250nm，折射率为3.39；崖层由N掺杂InGaAsP组成，厚度为10nm，折射率为3.39；间隔层由未掺杂InGaAsP组成，厚度为10nm，折射率为3.45；吸收层由部分P掺杂InGaAs组成，厚度为150nm，折射率为3.58；电子阻挡层由P掺杂InGaAsP组成，厚度为20nm，折射率为3.45；P接触层由P掺杂InGaAs组成，厚度为80nm，折射率为3.54。

光子晶体解复用器具有环形谐振腔，入射光通过线缺陷波导耦合进入环形谐振腔，在环形谐振腔传播一周后相位移为φ＝βL，其中β＝2πn

光子晶体解复用器的输入端和输出端宽度W1＝√3a,锥型耦合器的输入端宽度为W1，输出端宽度为W2＝4μm，长度为L1＝10μm，其中，a＝420nm；波导光探测器的有源区长为L2、宽为W2，则其面积为(W2*L2)μm

下面，通过本发明的一个具体实施例，对本发明所提供的一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器的制作方法，做进一步的描述说明。

步骤一：在InP材料的半绝缘衬底层上生长光波导层(也为N接触层)，其中光波导层由N型掺杂InGaAsP材料组成，厚度为1000nm，折射率为3.4；

步骤二：在光波导层上生长过渡层；其中过渡层由N型掺杂InP组成，厚度为10nm，折射率为3.16；

步骤三：在过渡层上生长收集层；收集层由未掺杂InGaAsP材料组成，厚度为250nm，折射率为3.39；

步骤四：在收集层上生长崖层；崖层由N掺杂InGaAsP材料组成，厚度为10nm，折射率为3.39；

步骤五：在崖层上生长间隔层；间隔层由未掺杂InGaAsP材料组成，厚度为10nm，折射率为3.45；

步骤六：在间隔层上生长吸收层；吸收层由部分P掺杂InGaAs材料组成，厚度为150nm，折射率为3.58；

步骤七在吸收层上电子阻挡层；电子阻挡层由P掺杂InGaAsP材料组成，厚度为20nm，折射率为3.45；

步骤八：在电子阻挡层上生长P接触层；P接触层由P掺杂InGaAs材料组成，厚度为80nm，折射率为3.54；

步骤九：对过渡层、收集层、崖层、间隔层、吸收层、电子阻挡层、P接触层通过低压等离子体刻蚀的方法进行刻蚀，形成叠置在光波导层上的方形台体并露出光波导层的部分上表面，且需保证波导探测器的前端裸露出大面积的光波导层。其中，波导光探测器的有源区面积为4*15μm

步骤十：通过电子束光刻技术投影图形，照射到波导光探测器的前端裸露出大面积的光波导层的区域，使用电感耦合等离子体蚀刻机将图案转移到光波导层中，制备光子晶体解复用器与锥型耦合器。

步骤十一：利用磁控溅射法，分别在P接触层的上表面上溅射形成P金属电极，方形台体两侧的光波导层的部分上表面上溅射形成N金属电极，上述P金属电极和N金属电极采用Pt-Ti-Pt-Au结构，厚度为300nm，P金属电极和N金属电极的间隔宽度W3＝2μm，且P金属电极和N金属电极均制备成矩形。

本发明所提供的一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器，利用刻蚀工艺在波导光探测器的前端形成具有环形谐振腔的光子晶体解复用器与锥型耦合器，环形谐振腔将符合谐振关系的光波引导进入谐振腔内，并被光波导探测器检测到。本发明所提出的结构可以将光子晶体解复用器、锥型耦合器、宽光谱的波导光探测器集成到同一半绝缘衬底层上，在基于光子晶体设计的解复用器的作用下，器件整体可用于接收不同波长光信号，可用于现代弹性光网络的弹性接收。

综上所述，本发明所提供的一种集成式多波长选择型弹性波导光探测器及其制作方法，具备以下有益效果：

1、可同时或分别捕获2种及2种以上波段的光信号，使光探测器具备了弹性接收能力；

2、所设计的光子晶体解复用器具有波长选择性，可应用于波分复用系统。

3、将基于光子晶体解复用器、锥型耦合器和波导光探测器进行了单片集成，工艺简单，易实现大规模光电子集成电路的开发。