用于ROF系統(tǒng)的新一代大功率高速光波導(dǎo)探測器

用于ROF系統(tǒng)的新一代大功率高速光波導(dǎo)探測器電子科技大學(xué)

余學(xué)才教授

-科技部高新技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域一、項目目標(biāo)與任務(wù)1．項目目標(biāo)與任務(wù)需求分析（1）ROF系統(tǒng)基本組成ROF-RadiooverFiber

特點：用光纖傳輸RF信號（微波、毫米波）優(yōu)點：低損耗，大帶寬，抗強電磁干擾，價格便宜光調(diào)制器光探測器激光器光纖射頻信號

負(fù)載（天線）（2）ROF系統(tǒng)應(yīng)用

有線電視天線遙控局域網(wǎng)光相控陣?yán)走_(dá)

ROF無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中心站基站無線互聯(lián)用戶

服務(wù)區(qū)（車站、軍營、飛機(jī)場、大型商場、學(xué)校、體育場館）ROF系統(tǒng)

ROF光相控陣?yán)走_(dá)已經(jīng)應(yīng)用的ROF系統(tǒng)實例2000年悉尼奧運會日本車載ROF毫米波系統(tǒng)（3）ROF系統(tǒng)發(fā)展趨勢

傳輸微波、毫米波1）無線局域網(wǎng)的頻率越來越高

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)：5GHzIEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)：10.6GHz2）相控陣?yán)走_(dá)

10GHz（X波段，戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)）

5GHz（C波段，戰(zhàn)略雷達(dá)）同軸電纜：微波毫米波的損耗很大，價格昂

貴

ROF系統(tǒng)：幾乎是遠(yuǎn)距離有線傳輸微波毫米

波的唯一選擇

（4）ROF系統(tǒng)對光探測器要求高速：幾GHz-幾十GHz大功率:足夠大微波功率直接驅(qū)動微波天線（幾瓦-10瓦功率）抗干擾性能系統(tǒng)復(fù)雜程度不希望用微波固體功率放大器信噪比（5）高速大功率光探測器狀況L、S波段：器件比較成熟C波段以上速度很高：最高300GHz（毫米波）功率不足：最大300mW

光探測器功率不足：制約ROF系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸！急需幾瓦微波功率的光探測器！推進(jìn)ROF系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程！

下一代相控陣?yán)走_(dá)：光控相控陣?yán)走_(dá)等待光探測器功率取得突破（C波段或X波段）！2．項目主要創(chuàng)新點及預(yù)期獲得的發(fā)明專

利等知識產(chǎn)權(quán)情況

（1）創(chuàng)新點：（A）、提出方向耦合光波導(dǎo)探測器超模匹配設(shè)計概念；（B）、提出垂直結(jié)構(gòu)方向耦合器波導(dǎo)探測器滿足超模匹配條件；（C）、提出解決波導(dǎo)在高功率下燒毀現(xiàn)象的輸入波導(dǎo)方案；（D）、建立有源方向耦合器超模求解理論（2）自主知識產(chǎn)權(quán)專利1：1.55微米超模匹配垂直方向耦合大功率光波導(dǎo)探測器專利2：消除大功率光波導(dǎo)探測器中波導(dǎo)前端燒毀現(xiàn)象的無源輸入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（A）垂直方向耦合器（B）超模匹配條件

0階超模吸收長度1階超模吸收長度==耦合長度/2（C）無源輸入波導(dǎo)在探測器波導(dǎo)前加一個特定結(jié)構(gòu)和長度的無源（沒有吸收層）波導(dǎo)，以防止探測器波導(dǎo)前端因高階超模有效激勵使波導(dǎo)燒毀?。?****）（D）超模求解理論

超模復(fù)矩陣特征方程二、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)與優(yōu)勢1.項目主要研究技術(shù)內(nèi)容的國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)狀與趨勢，國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)（已有的研究開發(fā)經(jīng)歷，科技成果、科研條件與研究開發(fā)隊伍現(xiàn)狀等）（1）國際上研究高速大功率光探測主要國家或地區(qū)：

美國（大學(xué)和軍方研究機(jī)構(gòu)）-

波導(dǎo)探測器較好，PDA探測器較好，最新DCPD探測器日本-非波導(dǎo)UTC探測器領(lǐng)先法國-波導(dǎo)探測器我國臺灣-UTC和波導(dǎo)探測器

研究時期：90年代初直現(xiàn)在（2）大功率高速光探測器的主要研究歷程（A）傳統(tǒng)垂直表面型（Normalsurface）（B）波導(dǎo)型（WaveguidePhotoDiode）（C）行波波導(dǎo)探測器（TravellingwaveguidePhotoDiode）（D）方向耦合器波導(dǎo)型（DirectionalcouplingWveguidePhotoDiode）（A）表面垂直型

垂直表面型探測器，光從垂直于PIN結(jié)的方向上入射，在本征層中被吸收受渡越時間限制，吸收層不能太厚，從而影響響應(yīng)度。（B）波導(dǎo)探測器

最早提出的波導(dǎo)探測器結(jié)構(gòu)，光從波導(dǎo)端面入射，在吸收層中一邊傳播一邊被吸收光吸收分布在較長（幾個微米）的吸收長度內(nèi)，因此響應(yīng)度比較高

稀薄耦合波導(dǎo)探測器，為了進(jìn)一步增加吸收長度，吸收層被移到波導(dǎo)上邊緣光場分布比較弱處，光在波導(dǎo)中一邊傳播，一邊耦合到吸收層中被逐漸吸收

波導(dǎo)探測器優(yōu)缺點兩大優(yōu)點：

響應(yīng)度高：可達(dá)1A/W；速度快：（不受電子度越時間影響，僅受RC時間常數(shù)影響）

兩大缺點：

光電流沿波導(dǎo)分布不均勻：使總光電流無法有效增加，因此輸出微波功率不能有效增加；波導(dǎo)前端無法避免激勵高階模：使探測器前端極易燒毀。（C）新型方向耦合器光波導(dǎo)探測器

-方向耦合器結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)探測器

2007年加州大學(xué)圣地亞哥分校提出

兩個個平行放置脊波導(dǎo)構(gòu)成的方向耦合光波導(dǎo)探測器，光從沒有吸收層的波導(dǎo)A入射，逐漸耦合到頂部有吸收層的波導(dǎo)，吸收層位于波導(dǎo)B的頂部。（3）我們已有的研究結(jié)果

（以下為最重要的三個結(jié)果，稍微詳細(xì)的研究結(jié)果見附錄）（A）方向耦合器必須模式匹配條件，光電流分布才均勻，總光電流才可能大幅度增加，最后才可能獲得大幅度增加微波功率

0階超模吸收長度1階超模吸收長度=方向耦合器耦合長度/2=（B)只有垂直方向耦合器才可能滿足超模匹配條件（C）必須使用一定結(jié)構(gòu)的無源方向耦合器作輸入波導(dǎo)，才能消除高階超模強吸收避免波導(dǎo)燒毀。（4）單行載流子技術(shù)（UTC）單載流子只使用電子作為載流子，吸收不在本征層，而是在弱摻雜P區(qū)，重量較大的空穴對光電流沒有貢獻(xiàn)。由于電子重量比空穴輕得多，可以很快通過耗盡層，因此器件的響應(yīng)速度非?？?，功率也有一定的增加。單載流子PIN光電二極管，日本最為先進(jìn)，目前3dB帶寬作到310GHz。單個PIN光電二極管目前的最大輸出微波功率約在200mW到300mW左右。波導(dǎo)探測器使用UTC技術(shù)（5）國內(nèi)現(xiàn)有基礎(chǔ)國內(nèi)具備加工波長1.55微米波導(dǎo)探測器的單位較多（例如北京半導(dǎo)體物理研究所、電子科技大學(xué)、中電集團(tuán)44所、清華大學(xué)等）少數(shù)單位有研制波導(dǎo)探測器計劃，但未見有報道充分了解國際前沿，提出切實可行的新方案，才可能跨越（電子科技大學(xué)、北京半導(dǎo)體所、東南大學(xué)相關(guān)研究成果待整理）3.項目主要技術(shù)及相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外專利申請和授權(quán)情況，本項目擬采取的對策但就我們所提出的技術(shù)方案：尚未見國際國內(nèi)有專利申報三、研究內(nèi)容與考核指標(biāo)

1．研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點、技術(shù)路線和創(chuàng)新點（1）研究內(nèi)容

（A)基超模和一階超?；：鸵砸浑A超模在波導(dǎo)內(nèi)干涉決定光電流分布；基超模和一階超模決定從光纖耦合到方向耦合器的效率；TE超模和TM超模決定探測器的偏振敏感性。（B）光生載流子輸運過程

UTC結(jié)構(gòu)中的光生載流子輸運過程，決定吸收層等多膜層，確定UTC膜系后才能進(jìn)行波導(dǎo)設(shè)計。

在單載流子結(jié)構(gòu)中，為了獲得最大飽和電流，吸收層厚度應(yīng)該有一個合適值。吸收層越厚，光生載流子數(shù)目越大，光電流密度越大；但太厚的吸收層會使載流子渡越時間增加，使探測器響應(yīng)速度下降。此外合適的摻雜梯度和濃度有利于載流子加速漂移，減小渡越時間。在PDA結(jié)構(gòu)中，為了在本征層獲得電中性，p吸收層和n吸收層厚度不同，都必須有一個合適的值。因此為了設(shè)計需要的響應(yīng)速度或帶寬，首先需要對UTC光載流子輸運過程進(jìn)行分析，以確定吸收層的厚度、摻雜濃度和梯度。吸收層的厚度和膜系確定后，才能設(shè)計方向耦合器。所以需要對單載流子輸運過程進(jìn)行理論數(shù)值分析。（C)外延層MOCVD生長

器件需用MOCVD生長材料，生長工藝至關(guān)重要。光探測器性能在很大程度上依賴于材料外延生長技術(shù)。對于1.55微米光探測器，在InGaAs、InP間的能隙漸變薄層InGaAsP的組分，厚度要精確，以免因晶格失配造成界面復(fù)合速率增加，和失去能隙漸變的設(shè)計功能；體內(nèi)界面失配位錯密度的增加和表面形貌的變差，會嚴(yán)重影響器件的可靠性，熱誘導(dǎo)的二次擊穿會使器件性能很快劣化和失效。MOCVD外延工藝參數(shù)包括生長溫度、生長元素的流量及其比率、生長反應(yīng)室壓強、載氣成分及流量等。通過不同工藝條件的組合試驗，用X射線衍射、光熒光譜儀、Hall測試方法測試分析外延層的質(zhì)量，確定生長單外延層的最佳參數(shù)范圍。通過多層轉(zhuǎn)換生長試驗、反應(yīng)室生長準(zhǔn)備等工藝控制，解決大功率InGaAs光電二極管外延材料結(jié)構(gòu)MOCVD中的技術(shù)問題。（D)怎樣減小波導(dǎo)前端高階模式

波導(dǎo)前端高階模式，吸收很強，造成波導(dǎo)前端光電流強烈起伏，使波導(dǎo)過熱而燒毀。（2）擬解決的技術(shù)難點（A)強耦合有源方向耦合器的超模分析準(zhǔn)確性

強耦合、強吸收下，商用波導(dǎo)分析軟件模式分析失效超模匹配設(shè)計失去依據(jù)。必須保證超模分析計算正確性。（B)找到滿足超模匹配條件的方向耦合器

找到一個滿足超模匹配條件的方向耦合器結(jié)構(gòu)從而使光電最均勻，進(jìn)而獲得最大光電流，最后獲得大微波功率，猶如在河灘上找一塊標(biāo)準(zhǔn)圓型鵝卵石。（C）避免有效激勵高階超模

怎樣有效避免高階超模的有效激勵是保證器件不被燒毀的關(guān)鍵。（3）技術(shù)路線（A)通過對一維方向耦合器超模干涉分析獲得超模匹配條件（嚴(yán)格理論）一維的方向耦合器的TE超模和TM超模都可以用嚴(yán)格理論求出。由于吸收層，所求出的超模的場分量以及傳播常數(shù)都是復(fù)數(shù)。這樣就可以分析確定一維方向耦合器中兩個基超模干涉后形成的光電流沿波導(dǎo)分布。對于這樣一個一維方向耦合器，可以通過改變上下波導(dǎo)的厚度改變兩個超模的吸收系數(shù)，改變耦合膜的厚度改變耦合長度。通過分析計算這個方向耦合器中基超模和一階超模的干涉，可以分析不同超模復(fù)傳播常數(shù)和非正交下總光功率沿方向耦合器縱向分布，然后計算單位長度（每微米）的光功率的減小，得到光電流沿波導(dǎo)的分布。

（B)

BeamProp分析光電流分布，F(xiàn)immwave軟件分析超模，Silvaco分析UTC或PDA載流子輸運

給出一個具體的方向耦合器的結(jié)構(gòu)（給出折射率分布和幾何參數(shù)），用Fimmwave計算其基超模和一階超模的復(fù)傳播常數(shù)，并與EI結(jié)果比較，然后計算基超模和一階超模的正交積分值，不滿足超模匹配條件時改變幾何參數(shù)，直到滿足超模匹配條件為止；最后用BeamProp分析計算滿足模式匹配條件的方向耦合器的光電流縱向分布。（C)采用垂直方向耦合器滿足超模匹配條件

垂直方向耦合器兩個超模的吸收長度可以通過調(diào)節(jié)上下兩厚度比例來調(diào)節(jié)，而耦合長度受兩個波導(dǎo)芯的厚度比的影響很小，耦合長度主要受間隙層的厚度影響。因此超模匹配條件比較容易滿足。另外，分析表明，與橫向的方向耦合器相比，垂直方向耦合器還可能還有另外優(yōu)點是：比較高的基超模和一階超模的激勵效率以及偏振不敏感性。其缺點是，耦合層的厚度在基片材料生長時就確定了，因此不能像橫向的耦合器那樣在外延片生長后可以通過不同的掩膜在同一基片上制作出出不同耦合長度的器件。另外因為下波導(dǎo)離空氣界面較遠(yuǎn)，散熱能力比橫向耦合器差。這個方向耦合器，既容易滿足超模匹配條件，腐蝕加工也比橫向方向耦合器簡單，比較容易制作。（D）特別結(jié)構(gòu)的無源輸入波導(dǎo)

避免波導(dǎo)前端燒毀現(xiàn)象。（3）創(chuàng)新點（A）提出方向耦合光波導(dǎo)探測器超模匹配設(shè)計理論；（B）提出垂直結(jié)構(gòu)方向耦合器波導(dǎo)探測器滿足超模條件；（C）提出解決波導(dǎo)在