ОПТОВОЛОКОННЫЙ ФОТОДЕТЕКТОРНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2024 года по МПК H01L31/10 H04B10/80 

Изобретение относится к области радиофотоники и может быть использовано при конструировании систем возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток для связи, радиолокации и радионавигации.

Основными задачами при разработке передающих трактов радиофотонных систем являются увеличение коэффициента полезного действия (КПД), мощности и быстродействия таких систем. Существующие перспективные направления по радиофотонным устройствам для различных применений используют преобразование подводимого по оптоволокну модулированного оптического (лазерного) сигнала в электрический сверхвысокочастотный (СВЧ) сигнал.

Для увеличения мощности и коэффициента полезного действия (КПД) оптоволоконных фотодетекторных СВЧ модулей необходимо снижение оптических и омических потерь в фотодетекторе. Основной причиной оптических потерь в мощных фотодетекторах является «затенение» фоточувствительной поверхности фотодетектора контактной сеткой, формируемой для уменьшения омических (контактных) потерь и для увеличения мощности фотодетектора.

Известен оптоволоконный фотодетекторный модуль (см. US 20210194586, МПК Н04В 10/2575, опубл. 24.06.2021), включающий источник лазерного излучения, подводимого по оптоволокну, радиочастотный источник, электрооптический модулятор, соединенный волноводом с источником оптического излучения и с радиочастотным источником, причем электрооптический модулятор содержит первый кольцевой резонаторный модулятор и второй кольцевой резонаторный модулятор, маломощный фотодетектор, преобразующий промодулированный оптический сигнал в высокочастотный электрический сигнал, подаваемый на радиочастотный выход.

Недостатками известного оптоволоконного фотодетекторного модуля являются низкая мощность, менее одного мВт и низкая эффективность.

Известен оптоволоконный фотодетекторный модуль (см. US 20060140644, МПК Н04В 10/04, опубл. 29.06.2006), состоящий из фотодетектора, оптоволокна и антенны, в котором реализован вариант преобразования промодулированного оптического сигнала в высокочастотный электрический сигнал с помощью фотодетектора с последующей передачей сигнала в антенну за счет прямого преобразования модулированного оптического сигнала - по оптоволокну - на фотодетектор и на антенну.

Недостатками известного оптоволоконного фотодетекторного модуля являются низкие эффективность и мощность (1 мВт) устройства возбуждения, которая ограничивается мощностью фотодетектора, что ведет к потере мощности генерируемого антенной сигнала и искажению самого сигнала.

Известен оптоволоконный фотодетекторный модуль (см. RU 2670719, МПК H04D 10/25, G02B 6/42, опубл. 24.10.2018), включающий симметричный оптоволоконный разветвитель, в первичное оптоволокно которого вводят мощные импульсы оптического излучения. Длина вторичных оптоволокон разветвителя установлена отличающейся не более чем на 3 мм, каждое из вторичных оптоволокон оптически стыковано с AlGaAs-GaAs фотодетектором. При оптимальной мощности входного оптического импульса, который подается на фоточувствительную поверхность каждого фотодетектора, последовательное соединение фотодетекторов (в количестве N) позволяет увеличить в N - раз выходное сопротивление, что дает возможность согласовать фотодететкорный модуль с нагрузкой.

Недостатками известного оптоволоконного фотодетекторного модуля являются низкие мощность и эффективность вследствие использования оптических разветвителей.

Известен оптоволоконный фотодетекторный модуль (см. CN 206117559, МПК H01S 01/00, опубл. 19.04.2017), включающий лазерные излучатели с различной длиной волны, оптическую систему ввода излучения в оптоволокна и многопереходный фотодетектор лазерного излучения.

Недостатком известного оптоволоконного фотодетекторного модуля является необходимость подстройки мощности лазерных излучателей для получения одинаковых токов в каждом переходе многопереходного фотодетектора, что приводит к низкой эффективности устройства.

Известен оптоволоконный фотодетекторный модуль (см. US 2006140644, МПК Н04 В10/04, опубл. 29.06.2006), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Оптоволоконный фотодетекторный модуль-прототип включает оптоволокно для ввода лазерного излучения и фотодетектор лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой структуры.

Недостатками известного оптоволоконного фотодетекторного модуля являются небольшая эффективность и мощность (1 мВт) устройства, которые ограничиваются малой мощностью и низкой эффективностью фотодетектора.

Задачей настоящего изобретения является разработка оптоволоконного фотодетекторного модуля с повышенной выходной мощностью и высокой эффективностью (КПД).

Поставленная задача достигается тем, что оптоволоконный фотодетекторный модуль включает оптоволокно и фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с омическими контактами на фронтальной и тыльной поверхностях фотодетектора. Новым является то, что фотодетектор выполнен в форме цилиндра, ось которого совпадает с осью оптоволокна с числовой апертурой ЧА, равной 0,1-0,25, фронтальный омический контакт выполнен в виде параллельных полос, окруженных кольцом, наружный диаметр которого равен наружному диаметру фотодетектора, а внутренний диаметр превышает диаметр оптоволокна на величину 2F⋅tg(arcsinЧА), при расстоянии F торца оптоволокна до фронтальной поверхности фотодетектора, установленном превышающим высоту h контактных полос, равную (4-10) мкм, на (5-15) мкм. Поперечное сечение каждой полосы фронтального омического контакта выполнено в виде равнобедренного треугольника, основание которого расположено на фронтальной поверхности фотодетектора, а ширина W основания треугольника установлена равной 2h⋅tg(ϕ/2) при вершинном угле (р треугольника, установленном равным 40-75 угловых градусов, а процентное соотношение ширины W оснований контактных полос к расстоянию Z между контактными полосами установлено равным (3-15) %, при этом боковые поверхности контактных полос выполнены зеркальными с коэффициентом отражения, превышающим 96%.

Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью признаков оптоволоконного фотодетекторного модуля, является создание оптоволоконного фотодетекторного модуля с увеличенной выходной электрической мощностью и увеличенным КПД, благодаря снижению оптических потерь на затенение фоточувствительной поверхности фотодетектора контактными полосами и снижению омических потерь.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведено схематическое изображение оптоволоконного фотодетекторного модуля: 1 - оптоволокно; 2 - фотодетектор; 3 - омический кольцевой контакт на фронтальной поверхности фотодетектора 2; 4 - омический контакт на тыльной поверхности фотодетектора 2; 5,6,7 - полосковые омические контакты на фронтальной поверхности фотодетектора;

на фиг. 2 показан вид оптоволоконного фотодетектора с фронтальной стороны;

на фиг. 3 приведена схема фрагмента конструкции фотодетектора: 9, 10, 11, 12 - зеркальные поверхности контактных полос; 13, 14 - лазерные лучи, падающие на полосковый контакт; 15, 16 - лазерные лучи, отраженные от поверхности полоскового контакта.

Оптоволоконный фотодетекторный модуль включает оптоволокно 1 с числовой апертурой (ЧА), равной 0,1-0,25 (фиг. 1), и фотодетектор (ФД) 2 на основе полупроводниковой структуры с омическими контактами 3, 4 соответственно на фронтальной и тыльной поверхностях ФД 2. ФД 2 выполнен в форме цилиндра, геометрическая ось которого совпадает с оптической осью оптоволокна 1. Выполнение ФД 2 в форме цилиндра позволяет реализовать минимальное отношение площади боковой поверхности к площади фоточувствительной поверхности, что позволяет минимизировать «боковые» поверхностные утечки тока, связанные с повышенной скоростью поверхностной рекомбинации ФД 2. Выполнение оси цилиндрического ФД 2, совпадающей с оптической осью оптоволокна 1, обеспечивает максимальную величину коэффициента ввода лазерного излучения в ФД 2. Омический контакт 3 к фронтальной поверхности ФД 2 выполнен в виде параллельных полос 5-7, окруженных кольцом, наружный диаметр d₃ (фиг. 2) которого установлен равным наружному диаметру ФД 2, а внутренний диаметр d₂ установлен превышающим диаметр d₁ оптоволокна 1 на величину 2F-tg(arcsin4A) при расстоянии F (фиг. 1) торца оптоволокна 1 до фронтальной поверхности ФД 2, установленном превышающим высоту h контактных полос, равную (4-10) мкм, на (5-15) мкм.

Превышение внутреннего диаметра d2 омического контакта 3 относительно диаметра di оптоволокна 1 на величину 2F-tg(arcsin4A) обусловлено тем, что при превышении более 2F⋅tg(arcsinЧА) увеличивается площадь фотодетектора, что приводит к увеличению емкости и ухудшению быстродействия ФД2 и модуля, а при превышении менее 2F⋅tg(arcsinЧА) уменьшается эффективность ввода лазерных лучей из оптоволокна в ФД2, что приводит к уменьшению КПД модуля.

Установление фронтального контакта 3 с наружным диаметром, равным диаметру ФД 2, обеспечивает максимальную площадь и минимальное омическое сопротивление контакта 3 при фиксированном внутреннем диаметре кольца фронтального контакта 3, превышающим диаметр оптоволокна 1 на величину Δd.

Установление величины числовой апертуры ЧА в диапазоне 0.1-0.25 позволяет использовать в фотодетекторном модуле многомодовое оптоволокно 1 с диаметром 50-200 мкм, необходимое для ввода в оптоволокно 1 лазерного излучения повышенной мощности (ваттного диапазона мощности).

Установление расстояния F торца оптоволокна до фронтальной поверхности ФД 2, превышающим высоту h контактных полос 5, 6, 7, равную (4-10) мкм, на (5-15) мкм необходимо для обеспечения надежного зазора между оптоволокном 1 и вершинами контактных полос 5, 6, 7, величина которого определяется на практике точностью прецизионных механизированных юстировочных устройств, позволяющих устанавливать величину упомянутого выше зазора с точностью (5-15) мкм.

Выполнение контактных полос 5,6,7 параллельными друг другу обеспечивает одинаковое расстояние между контактными полосами 5, 6, 7, оптимальное для получения минимального омического сопротивления растекания ФД 2.

Выполнение каждой контактной полосы 5, 6, 7 с поперечным сечением в виде равнобедренного треугольника позволяет реализовать эффективное отражение лазерных лучей в направлении фоточувствительной поверхности ФД2, не закрытой контактными полосами 5, 6, 7, что позволяет существенно уменьшить оптические потери в ФД 2, связанные с затенением фоточувствительной поверхности контактными полосами 5, 6, 7, которые необходимы для уменьшения омических потерь на сопротивлении растекания. При этом равнобедренный треугольник обеспечивает идентичность оптимальных процессов отражения лазерных лучей от каждой из двух боковых поверхностей каждого равнобедренного треугольника.

Ширина W основания контактных полос 5, 6, 7 установлена равной 2h⋅tg(ϕ/2) при высоте h контактных полос, установленной в диапазоне (4-10) мкм и при вершинном угле ϕ треугольного сечения, установленном в диапазоне 40-75 угловых градусов.

Экспериментально было установлено, что при высоте h меньше 4 мкм и вершинном угле меньше 40 угловых градусов снижение оптических потерь от использования контактных полос 5, 6, 7 с треугольным сечением становится незначительным, вследствие малой высоты и малой ширины контактных полос 5, 6, 7.

Также экспериментально было установлено, что при высоте контактных полос 5, 6, 7 более 10 мкм и при вершинном угле более 75 угловых, градусов изготовление контактных полос 5, 6, 7 становится технологически затруднительным. Кроме того, при такой геометрии контактных полос 5, 6, 7 требуется недопустимое увеличение расстояния Z между полосами 5,6,7, что приводит к существенному увеличению сопротивления растекания ФД2, что. в свою очередь, приводит к снижению эффективности (КПД) и к ограничению мощности ФД 2.

Процентное отношение ширины W основания к расстоянию Z между контактными полосами 5, 6, 7 установлено в диапазоне (3-15) %. Такое соотношение ширины W основания контактных полос 5, 6, 7 к расстоянию Z между соседними контактными полосами обосновывается следующим. При W/Z меньше 3% ширина контактных полос 5, 6, 7 становится настолько малой, что изготовление этих полос с сечением в виде треугольника становится практически невозможным из-за сложных дополнительных технологических операций и дополнительных затрат. Создание очень широких контактных полос 5, 6, 7 при W/Z больше 15% приводит к необходимости изготовления слишком высоких контактных полос 5, 6, 7 и к необоснованному увеличению расхода дорогостоящих материалов (Аи, Ад и др.), используемых для изготовления контактов.

Боковые поверхности контактных полос 5, 6, 7 выполнены зеркальными с коэффициентом отражения К_отр, превышающим 96%. «Зеркальность» контактных полос 5,6,7 необходима для отражения лазерных лучей от поверхностей контактных полос 5, 6, 7 в направлении фоточувствительной поверхности ФД2. При этом необходимо, чтобы коэффициент отражения лазерных лучей от поверхности контактных полос 5, 6, 7 был максимальным и составлял коэффициент отражения К_отр, превышающий 96%. Такой коэффициент отражения достигается при использовании золота и серебра в качестве материала поверхности контактных полос 5, 6, 7.

Работает оптоволоконный фотодетекторный модуль следующим образом. Лазерные лучи подводятся к ФД 2 из оптоволокна 1, оптическая ось которого установлена перпендикулярной фронтальной поверхности ФД 2. При числовой апертуре ЧА оптоволокна 1, равной 0,1-0,25, лазерные лучи падают на фронтальную поверхность ФД 2 в пределах угла δ=arcsinЧА по отношению к нормали к поверхности ФД 2 и по отношению к оси оптоволокна 1. При достаточно большом расстоянии между соседними контактными полосами 5, 6, 7, при котором лучи 15 (фиг. 3), отраженные от наклонной поверхности контактных полос 5,6,7 под углами ϕ+δ, попадают на фоточувствительную поверхность ФД 2, а не на поверхность 10 соседней контактной полосы. Угол δ образован лучами 15 и 16, отраженными от поверхности 11 в результате падения на эту поверхность 11 лазерных лучей 13 и 14. При этом луч 13 - лазерный луч, падающий перпендикулярно к поверхности фотодетектора, а луч 14, падающий под углом δ=arcsinЧА. Омический контакт 3 с контактными полосами 5 ,6, 7 выполнен из материала с минимальным удельным омическим сопротивлением. Выполнение омического контакта 3 с контактными полосами 5,6,7 из материала, имеющего минимальное удельное сопротивление, обеспечивает максимальную электрическую проводимость и минимальные омические потери, что, в свою очередь, обеспечивает повышение КПД и предельной мощности фотодетекторного модуля. Боковые поверхности 9,10,11,12 контактных полос 5, 6, 7 выполнены из металла с максимальным значением коэффициента отражения (К_отр>96%) лазерного излучения. Выполнение поверхностного слоя контактных полос 5, 6, 7 с максимальным значением коэффициента отражения обеспечивает минимальные оптические потери при отражении лазерных лучей, а следовательно, обеспечивает увеличение эффективности (КПД) и мощности фотодетекторного модуля.

Пример. Оптоволоконный фотодетекторный модуль был изготовлен содержащим оптоволокно с диаметром сердечника 200 мкм и фотодетектор с внутренним диаметром кольцевого контакта 250 мкм с оптической осью фотодетектора, совпадающей с оптической осью оптоволокна с числовой апертурой ЧА=0.2. Расстояние торца оптоволокна до вершины контактных полос установлено равным 10 мкм. Расстояние между контактными полосами установлено равным Z=44 мкм. Вершинный угол контактных полос равен 60 угловых градусов. Ширины W основания W=6 мкм. Контактное кольцо и полосы выполнены из серебра, а поверхности контактных полос покрыты золотом с коэффициентом отражения 97-98% лазерного излучения с длиной волны равной 850 нм. КПД модуля составил КПД=58% при выходной электрической мощности 600 мВт.

Изобретение относится к области радиофотоники и может быть использовано при конструировании систем возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток для связи, радиолокации и радионавигации. Оптоволоконный фотодетекторный модуль включает оптоволокно и фотодетектор. Омический контакт к фронтальной поверхности фотодетектора выполнен в виде кольца с внутренним диаметром, превышающим диаметр оптоволокна с параллельными контактными полосами, выполненными внутри контактного кольца, с сечением каждой полосы, выполненным в виде равнобедренного треугольника, основание которого расположено на фронтальной поверхности фотодетектора, вершинный угол ϕ установлен в диапазоне 40-75 угловых градусов, при этом процентное отношение ширины W основания к расстоянию Z между контактными полосами установлено в диапазоне W/Z=(3-15)%, а поверхности контактных полос выполнены зеркальными с коэффициентом отражения К_отр>96%. Технический результат заключается в создании оптоволоконного фотодетекторного модуля с повышенной выходной мощностью и высокой эффективностью. 3 ил.

Оптоволоконный фотодетекторный модуль, включающий оптоволокно и фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с омическими контактами на фронтальной и тыльной поверхностях фотодетектора, отличающийся тем, что фотодетектор выполнен в форме цилиндра, ось которого совпадает с осью оптоволокна, фронтальный омический контакт выполнен в виде параллельных полос, окруженных кольцом, наружный диаметр которого равен наружному диаметру фотодетектора, а внутренний диаметр превышает диаметр оптоволокна с числовой апертурой ЧА=0,1-0,25 на величину Δd=2F⋅tg(arcsinЧA), при расстоянии F торца оптоволокна до фронтальной поверхности фотодетектора, установленном превышающим высоту h контактных полос, равную (4-10) мкм на (5-15) мкм, поперечное сечение каждой полосы фронтального омического контакта выполнено в виде равнобедренного треугольника, основание которого расположено на фронтальной поверхности фотодетектора, а ширина W основания треугольника установлена равной 2h⋅tg(ϕ/2) при вершинном угле ϕ треугольника, равном 40-75 угловых градусов, а процентное соотношение ширины W оснований контактных параллельных полос к расстоянию Z между контактными полосами установлено равным (3-15) %, при этом боковые поверхности контактных полос выполнены зеркальными с коэффициентом отражения, превышающим 96%.