本發(fā)明屬于光電探測技術(shù)，尤其涉及一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器。

背景技術(shù)：

1、采用先進調(diào)制格式的相干光通信為高速率、大容量和長距離傳輸通信網(wǎng)絡(luò)提供了一種可靠的解決方案[1]。平衡光電探測器(balanced?photodiodes,bpds)作為相干光通信中的關(guān)鍵器件已被廣泛研究[2]、[3]。隨著對低功耗和大規(guī)模系統(tǒng)需求的增加，器件的小型化和集成化成為一種趨勢。集成光子學(xué)具有帶寬大、可擴展性強和小型化等顯著優(yōu)勢，推動了高速、高容量、低成本光通信系統(tǒng)的發(fā)展[4]。在過去十年中，片上平衡光電探測器已成功在硅基、氮化鋁[5]和氮化硅[6]集成平臺上實現(xiàn)，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。薄膜鈮酸鋰(thethin-film?lithium?niobate,tfln)平臺以其優(yōu)異的光電特性成為集成光子學(xué)的有力候選平臺，但迄今為止僅實現(xiàn)了單光電探測器(single?photodiodes,spd)[7]、[8]。最近，通過晶圓鍵合異質(zhì)集成在tfln上的寬帶單光電探測器實現(xiàn)了80ghz帶寬和0.6a/w的響應(yīng)度[7]。我們的前期工作中也報道了一款具備110ghz帶寬和0.4a/w響應(yīng)度的高速單光電探測器[8]。在tfln平臺上開發(fā)平衡光電探測器仍是一個迫切需求。

2、參考文獻：

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9、[7]x.guo?et?al.,“high-performance?modified?uni-traveling?carrierphotodiode?integrated?on?athin-film?lithium?niobate?platform,”photon.res.,vol.10,no.6,p.1338,jun.2022,doi:10.1364/prj.455969.

10、[8]c.wei?et?al.,“ultra-wideband?waveguide-coupled?photodiodesheterogeneously?integrated?on?a?thin-film?lithium?niobate?platform,”light:advanced?manufacturing,vol.4,no.3,p.1,2023,doi:10.37188/lam.2023.030.

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述情況，本發(fā)明提供一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器。

2、本發(fā)明的一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器，利用晶圓鍵合技術(shù)將iii-v晶圓與tfln晶圓鍵合在一起，其iii-v外延結(jié)構(gòu)通過金屬有機化學(xué)氣相沉積生長而成，依次包括p型接觸層、ingaas吸收層、四元層、懸崖層、漂移層、inp犧牲層和n型接觸層。

3、進一步的，ingaas吸收層總厚度為140nm，包括110nm的梯度摻雜吸收層和30nm的耗盡吸收層。

4、進一步的，漂移層厚度為120nm，以最小化渡越時間。

5、進一步的，inp犧牲層用來調(diào)節(jié)漂移層內(nèi)的電場并利用超調(diào)效應(yīng)。

6、進一步的，平衡光電探測器具有55ghz的高帶寬和大于10db的共模抑制比。

7、本發(fā)明的一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器的應(yīng)用：一對平衡光電探測器與商用的90°混頻器結(jié)合形成用于相干光通信實驗的高速相干接收機。

8、本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比的有益技術(shù)效果為：

9、本發(fā)明的平衡光電探測器，其表現(xiàn)出55ghz的高帶寬和大于10db的共模抑制比(common-mode?rejection?ratio,cmrr)。該器件已應(yīng)用于相干檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了50gbaud和100gbaud正交相移鍵控(quadrature?phase?shift?keying,qpsk)信號的無誤碼傳輸，以及80gbaud和100gbaud?16階正交幅度調(diào)制(quadrature?amplitude?modulation,qam)信號的高質(zhì)量接收。

技術(shù)特征：

1.一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器，其特征在于，利用晶圓鍵合技術(shù)將iii-v晶圓與tfln晶圓鍵合在一起，其iii-v外延結(jié)構(gòu)通過金屬有機化學(xué)氣相沉積生長而成，依次包括p型接觸層、ingaas吸收層、四元層、懸崖層、漂移層、inp犧牲層和n型接觸層。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器，其特征在于，所述ingaas吸收層總厚度為140nm，包括110nm的梯度摻雜吸收層和30nm的耗盡吸收層。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器，其特征在于，所述漂移層厚度為120nm，以最小化渡越時間。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器，其特征在于，所述inp犧牲層用來調(diào)節(jié)漂移層內(nèi)的電場并利用電子速度超調(diào)效應(yīng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器，其特征在于，所述平衡光電探測器具有55ghz的高帶寬和大于10db的共模抑制比。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器，其特征在于，一對平衡光電探測器與商用的90°混頻器結(jié)合形成用于相干光通信實驗的高速相干接收機。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成高性能平衡光電探測器，利用晶圓鍵合技術(shù)將III?V晶圓與薄膜鈮酸鋰晶圓鍵合在一起，其III?V外延結(jié)構(gòu)通過金屬有機化學(xué)氣相沉積生長而成，依次包括p型接觸層、InGaAs吸收層、四元層、懸崖層、漂移層、InP犧牲層和n型接觸層。本發(fā)明的平衡光電探測器表現(xiàn)出55GHz的高帶寬和大于10dB的共模抑制比；應(yīng)用于相干檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了50Gbaud和100Gbaud正交相移鍵控信號的無誤碼傳輸，以及80Gbaud和100Gbaud?16階正交幅度調(diào)制信號的高質(zhì)量接收。

技術(shù)研發(fā)人員：謝小軍,魏超,鄒喜華,潘煒,閆連山
受保護的技術(shù)使用者：西南交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15