基于非周期亚波长光栅的窄线宽高性能光探测器研究

With the rapid development of high-speed optical communication system and networks, more demanding requirements are imposed on the optoelectronic devices. High-performance optoelectronic integrated devices with novel micro-nano structures have become one of the important development trends for the high-speed optoelectronic devices. As novel micro-nano structures, high-contrast subwavelength gratings used in high-performance optoelectronic devices, are attracting a lot of attention. Especially when using non-periodic subwavelength grating structure, new optical phenomena and physical laws will emerge. This project focuses on the basic science studies on steering, focusing and splitting abilities for the reflected or transmitted beam, by using non-periodic high-contrast subwavelength gratings. Furthermore, it will be studied that non-periodic subwavelength gratings applied in high-performance narrow-band integrated photodetectors. By integrating the non-periodic subwavelength gratings, the direction of the light beam is steered in the device, and the repeated oscillation is formed in the absorption cavity, which significantly increases the optical absorption of the device. Due to the absorption enhanced effects, the absorbed layer thickness can be decreased, which improve the frequency response of the device. Ultimately the high-performance photodetectors can be realized with high speed, high quantum efficiency, narrow linewidth and tunable characteristics. The studies of the project will provide guidelines and bases for the research on the further optoelectronic integrated devices based on novel structures, techniques or materials.

随着高速光通信系统和网络的飞速发展，对光电子器件性能的需求进一步提高。基于新型微纳结构的高性能光电子集成器件已经成为高速光电子器件发展的必然趋势之一。高折射率差亚波长光栅作为一种新型微纳结构，在高性能光电子集成器件领域的应用，逐步得到人们极大的关注。特别是当亚波长光栅采用非周期结构时，会产生新的光学现象和物理规律。项目主要研究非周期亚波长光栅实现光束的偏转、聚焦和分束的基础科学问题，以及非周期亚波长光栅在窄线宽高性能光探测器中的应用。期望通过集成非周期亚波长光栅，使光束的方向在器件中发生偏转，在吸收腔中形成反复震荡，显著增加器件的光吸收。利用这种光吸收增强效应，在一定范围内减小吸收层厚度，提高器件频率响应，最终实现具有高速、高量子效率、窄线宽和可调谐特点的高性能光探测器。本项目的研究工作将为基于新结构、新工艺、新材料的新型光电子集成器件研究提供基础和思路。

新一代光通信技术的迅猛发展，传统光电子器件逐渐难以承载系统的高速大容量需求。随着以亚波长光栅为代表的新型微纳结构的研究兴起，使得基于新结构的光电子集成器件在材料、结构、工艺和性能等方面有了长足的进步。本项目以研发基于非周期亚波长光栅的窄线宽高性能光探测器为目标，研究高折射差亚波长光栅产生的新的光学现象及其对光束传播的控制机理；进而设计能实现小角度偏转反射的非周期亚波长光栅，并将其与光探测器集成，以实现高速、高量子效率和窄线宽等特性。.项目取得的主要研究成果包括：.1、提出并设计基于非周期亚波长光栅的窄线宽高性能光探测器，以InP/InGaAs材料系为基础，实现亚波长光栅斜反射镜、光探测器和滤波腔的一体化集成。在1550nm波长波段，集成器件能达到95% 的外量子效率，0.1nm的超窄线宽，带宽可以达到46GHz。.2、研究并掌握一维亚波长光栅实现光束的偏转、分束、汇聚和偏振等特性的物理规律，继而提出多种光学功能器件：一种双厚度的亚波长TE偏振汇聚透镜，焦距为7.2μm；一种具有锯齿状相位面的平面亚波长光栅分束器，在达到90.28%的透射率的同时44.8°的大偏转角度；一种集成了小角度偏转反射镜的新型Fabry–Perot谐振腔，可以实现对谐振光场宽度的横向控制。.3、提出并制备三种SOI二维亚波长反射汇聚光栅：块状矩形分布光栅、柱状矩形分布光栅和柱状六边形分布光栅，三种光栅均能实现良好的反射汇聚性能，其中柱状六边形分布光栅具有更好的汇聚性能和偏振不敏感特性。.4、提出并制备了基于二维反射汇聚光栅的蘑菇型光探测器，该器件在保证较高量子效率的前提下大幅提高器件的响应速度，同时能实现偏振不敏感特性。在3V反向偏压下，该器件的量子效率达到44.71%，3dB带宽达到32GHz。.项目在理论和器件制备方面均取得突破性成果，在国内外知名学术刊物上发表SCI收录论文17篇，会议论文6篇；申请发明专利7项，其中授权5项；培养硕士5人。