工作在零偏壓下的波導光探測器外電路簡單，器件具有低功耗、易集成等優點，因此設計零偏壓下的高速、高響應度、具有波長選擇性的波導光探測器具有重要意義和更廣闊的應用前景。目前光子晶體濾波器與波導光探測器的單片集成器件還未得到充分的研究，這種單片集成器件對比于以往的波長選擇型波導光探測集成器件，具有制備工藝簡單、占地面積小、抗干擾能力強、易于大規模集成等突出優點，更適合構建智能光通信系統中高密集光網絡架構。
據麥姆斯咨詢報道，近期，聊城大學的科研團隊在《聊城大學學報（自然科學版）》期刊上發表了以“零偏壓下近紅外集成單波長波導光探測器”為主題的文章。該文章第一作者為高松，通訊作者為牛慧娟副教授，主要從事光電信息器件與系統方面的研究工作。
本文將窄線寬、單波長濾波器與邊入射波導光探測器進行集成以同時實現濾波與光電轉換功能。
該器件由工作于零偏壓的高性能波導光探測器、InGaAsP材料錐形耦合器與光子晶體濾波器水平集成而成，集成后器件如圖1所示，其中錐形耦合器可以大大提高光子晶體濾波器與波導光探測器間的耦合效率。
圖1 集成單波長波導光探測器結構示意圖
零偏壓波導光探測器的設計
為了實現波導光探測器與光子晶體濾波器、錐形耦合器的單片集成，采用高摻雜的InGaAsP（折射率為3.39）材料作為光波導層。設計的零偏壓波導探測器的有源區寬度為4 μm（W2），長度為15 μm（L2），電極與有源區間隔為2 μm。具體參數如表1。
波導光探測器的吸收層采用高斯摻雜類型可以增加吸收層的內部電場，加快電子的漂移速度，從而提高波導光探測器的響應速度。重摻雜的InGaAsP材料作為光波導層，InP材料作為N接觸層。匹配層可以使光信號更好的耦合至吸收層，收集層可以調節結電容，電子在其中作漂移運動，吸收層則進行光電轉換。電子阻擋層用于阻擋光生電子從吸收層向P接觸層擴散，P接觸層的作用是使半導體器件與金屬電極形成良好的歐姆接觸。
錐形耦合器結構的設計
錐形耦合器的輸入端的寬度為W1，輸出端的寬度為W2，分別與光子晶體濾波器、波導光探測器的輸出、輸入端寬度保持一致。如圖2所示。
圖2 不同m值錐形耦合器俯視圖：（a）m=0.5 （b）m=2
光子晶體濾波器設計
本文設計的光子晶體濾波器是通過在厚度為1 μm的InGaAsP材料上刻蝕出空氣孔來實現濾波功能。圖3（a）為具有線缺陷的光子晶體結構，線缺陷波導將束縛光波在其中傳播，因此左端口（Port1）入射光波將在右端口（Port2）出射。在實際中常要求改變光路的方向以適應不同的應用場合，本文設計的光子晶體濾波器通過對入射光場的控制使得特定波長的光波可以通過光子晶體且方向改變90°后進入錐形耦合器。圖3（b）為具一個六邊形環形諧振腔的光子晶體結構，其中腔內的空氣柱（白色圓柱）半徑為R，腔外的空氣孔半徑為r，晶格常數為a。滿足共振條件的光波將通過環形腔耦合至輸出端口Port3處，其它波長的光波將無法通過光子晶體濾波器，從而實現濾波的功能。
圖3 解復用器結構俯視圖：（a）線缺陷（b）環形缺陷
零偏壓波導光探測器的性能分析
使用光束傳播法模擬了1.55 μm的光波在波導光探測器結構中的傳播，如圖4所示。輸入光功率變為原來的1/e時波導光探測器的吸收長度為15 μm。采用時域有限差分法對波導光探測器的響應度進行分析。
圖4 光在波導探測器中的傳播
同時，為了說明吸收層采用高斯摻雜分布可以提高吸收層內部電場強度，提高波導光探測器的響應速度。這里將吸收層采用P型高斯摻雜，器件摻雜濃度分布如圖5（a）所示。仿真結果表明，零偏壓工作下（4×15） μm2波導光探測器UTC-WGPD和MUTC-WGPD的3 dB帶寬可分別達61 GHz和78 GHz，圖5（b）給出二者的頻率響應關系。顯然，在0 V工作條件下，MUTC-WGPD的帶寬大約是UTC-WGPD的1.27倍，帶寬得到了明顯的提升。圖5（c）為外置偏置電壓為0 V時UTC-WGPD和MUTC-WGPD的電場分布，可以看出高斯摻雜分布提高了吸收層的電場強度，從而使光生載流子以更快的速度通過吸收層，即使在0 V工作條件下MUTC-WGPD也具有高速性能。
圖5 MUTC-WGPD和UTC-WGPD的對比圖（a）摻雜濃度分布圖（b）頻率響應圖（c）電場分布圖
光子晶體濾波器與錐形耦合器的性能分析
本文設計光子晶體濾波器，以波長為1.54 μm - 1.56 μm（TE基模）為輸入源、背景折射率為1，光子晶體濾波器晶格常數a = 0.42 μm，并且以完美匹配層作為吸收條件，進行模擬計算，利用時域有限差分法研究了光子晶體濾波器的傳輸特性。圖6（a）顯示了輸出端口Port3處的透射譜與腔內空氣柱半徑R的關系。當R = 0.1347 μm時，光波波長為1.54 μm、1.55 μm、1.56 μm的透射率分別為0.55%、91%、0.58%。Port3處不同模式的透射譜如圖6（b）所示，圖6（b）表明Port3處主要以波長為1.55 μm TE基膜（mode2）模式波為輸出源，其中TE基模的透射率約為80%。。圖7（a）（b）為當光源分別為1.55 μm、1.54 μm在光子晶體濾波器中的傳播路徑，同時證明了波長為1.55 μm的光波可以到達光子晶體濾波器輸出端口Port3處，然而1.54 μm的光波則無法通過光子晶體濾波器。在環形缺陷的作用下，形成了以中心波長為1.55 μm，總透射率高達91%，半高全寬為僅為1.6 nm，Q值為962.7的透射峰。
圖6 光子晶體濾波器透射譜圖：（a）不同R值（b）不同模式
圖7 不同波長光場分布圖（a）波長為1.55 μm（b）波長為1.54 μm
波長為1.55μm的光波經錐形耦合器傳輸到零偏壓波導光探測器，本文采用時域有限差分法研究錐形耦合器的光學特性。圖8展示了不同m值時，錐形耦合器輸出端TE 基模的透射譜（只考慮TE基模的傳輸效率）。當m為1.8時，錐形耦合器的傳輸效率約為90.5%，其光場分布如圖9所示。
圖8 不同m值錐形耦合器透射譜圖TE基模
圖9 m=1.8 時錐形耦合器光場分布圖
本文設計的零偏壓下近紅外集成單波長波導光探測器同時具有高速、高量子效率和窄的光譜響應線寬。器件的響應波長為1550 nm，Q值為962.7，理論仿真該器件的響應度為0.78 A/W，3 dB響應帶寬為78 GHz@0 V。此研究方法不單單適用于單波長下光子晶體濾波器與波導光探測器集成器件的研究，也適用設計具有多波長處理功能的單片集成波導光探測器陣列器件。采用InGaAsP材料作為光波導層的外延層材料，一方面有利于與InP材料襯底的晶格匹配實現單片集成，另一方面通過變換InGaAsP材料組分可以對其光學折射率進行調節以適應不同波段的接收。多光路光子晶體可以作為多波長解復用器，可應用于彈性光網絡的可重構光分插復用器，與波導光探測器集成后形成彈性接收子系統，同時具有低的復雜度和高的可靠性。
這項研究獲得國家重點研發計劃（2018YFB2200803）、山東省自然科學基金項目（ZR2022MF305、ZR2022MF253、ZR2021MF053、ZR2021MF070）、信息光子學與光通信國家重點實驗室（北京郵電大學）開放基金項目（IPOC2021B07）、山東省高校2021年青年引進與培養計劃、聊城大學博士科研（318052168）資助、山東省科技型中小企業創新能力提升工程（2022TSGC2570）和教育部產學協同育人項目（220605160271242、221002802140950、220906093200103）的資助和支持。
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