ФОТОДЕТЕКТОРНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2025 года по МПК H04B10/80 H10F30/20 

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

Задачей при разработке передающих трактов радиофотонных систем является увеличение коэффициента полезного действия (КПД), мощности и быстродействия таких систем. В большинстве радиофотонных устройств осуществляется фотоэлектрическое преобразование подводимого по оптоволокну модулированного оптического (лазерного) сигнала в электрический сигнал.

Увеличение мощности и эффективности (КПД) фотодетекторных модулей достигается путем снижения 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. Другой важной причиной оптических и рекомбинационных потерь в фотодетекторах является рекомбинация генерированных электронно-дырочных пар до их разделения полем р-n перехода. Решению проблем снижения оптических, рекомбинационных и омических потерь посвящено предлагаемое техническое решение.

Известен 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 модуля являются низкая мощность, менее одного мВт и низкая эффективность.

Известен 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 фотоэлектрического преобразования модулированного оптического сигнала и передачи сигнала по оптоволокну на фотодетектор и на антенну.

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

Известен 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 импульсы оптического излучения. Длина вторичных оптоволокон разветвителя установлена отличающейся не более чем на 3 мм, каждое из вторичных оптоволокон оптически стыковано с фотодетектором. При оптимальной мощности входной оптический импульс подается на фоточувствительную поверхность каждого фотодетектора. Последовательное соединение фотодетекторов (в количестве N) позволяет увеличить в N раз выходное сопротивление, что дает возможность согласовать фотодетекторный модуль с нагрузкой.

Недостатками известного модуля являются низкие мощность и эффективность, вследствие использования оптических разветвителей, вносящих существенные оптические потери.

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

Известен фотодетекторный модуль (см. US 2006140644, МПК Н04В 10/04, опубл. 29.06.2006), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотодетекторный модуль-прототип включает оптоволокно для ввода лазерного излучения и фотодетектор лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой структуры.

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

Задачей настоящего изобретения является разработка фотодетекторного модуля с повышенной выходной мощностью и высокой эффективностью.

Поставленная задача достигается тем, что фотодетекторный модуль включает оптоволокно и фотодетектор лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой гетероструктуры с узкозонным фотоактивным слоем, заключенным между двумя широкозонными слоями, с омическими контактами к фронтальной и тыльной поверхностям гетероструктуры. Новым является то, что гетероструктура выполнена в форме цилиндра с плоскостями слоев, параллельными основаниям цилиндра, ось которого совпадает с оптической осью оптоволокна, на фронтальной и тыльной поверхностях гетероструктуры выполнены перфорированные диэлектрические слои, при этом омические контакты включают токоотводящие слои, выполненные на перфорированных диэлектрических слоях, и локальные омические контакты из контактного композита, выполненные в отверстиях перфорированных диэлектрических слоев; фронтальный токоотводящий слой выполнен в виде кольца с внутренним диаметром, превышающим диаметр оптоволокна, а тыльный токоотводящий слой выполнен в виде квадратной пластины с размером стороны квадрата равным диаметру упомянутого цилиндра, локальные омические контакты расположены равноудаленно друг от друга, при этом суммарная площадь локальных омических контактов установлена равной 4-8% суммарной площади токоотводящих слоев, причем токоотводящие слои выполнены зеркальными с коэффициентом отражения, превышающим 95%, а слой диэлектрика внутри фронтального кольцевого токоотводящего слоя выполнен антиотражающим с коэффициентом отражения менее 1%.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показана схема конструкции фотодетекторного модуля (1 - оптоволокно; 2 - фронтальный широкозонный слой; 3 - фотоактивный узкозонный слой; 4 - тыльный широкозонный слой; 5 - оптическая ось оптоволокна 1 и цилиндрической гетероструктуры 6 фотодетектора; 7 - фронтальный перфорированный диэлектрический слой; 8 - тыльный перфорированный диэлектрический слой; 9 - фронтальный токоотводящий слой, выполненный в виде кольца; 10 - тыльное токоотводящий слой, выполненный в виде квадратной пластины; 12 - контактный композит в отверстиях фронтального перфорированного диэлектрического слоя; 13, 14, 15 - контактный композит, расположенный в отверстиях тыльного перфорированного диэлектрического слоя 8);

на фиг. 2 приведен вид сверху (со стороны оптоволокна 1) на фотодетекторный модуль (10 - токоотводящий слой на тыльном перфорированном диэлектрическом слое 8, выполненный в виде квадратной пластины с длиной W стороны квадрата, равной диаметру d₃ цилиндрической гетероструктуры 6 фотодетектора; 9 - токоотводящий слой на фронтальном перфорированном диэлектрическом слое 7; 11, 12, 16, 18 - контактный композит, расположенный в отверстиях фронтального диэлектрического слоя 7; 13, 14, 15, 17, 19 - контактный композит, расположенный в отверстиях тыльного перфорированного диэлектрического слоя 8);

на фиг. 3 показана схема работы фотодетекторного модуля (20, 22 - лазерные лучи, вводимые в фотодетектор из оптоволокна 1 с типичными углами падения (обычно менее ±15 угловых градусов), определяемыми числовой апертурой оптоволокна 1; 21 - «зеркальная» граница тыльного перфорированного диэлектрического слоя 8 и тыльного «зеркального» токоотводящего слоя 10, обеспечивающего отражение лазерных лучей и их поглощение в активном узкозонном слое 3; 23, 26, 30 - рекомбинационное излучение, генерируемое поглощенным лазерным излучением 22; 27 - граница фронтального перфорированного диэлектрического слоя 7 с воздухом; 23 - лучи, отраженные от границы 27 и поглощенные в узкозонном слое 3 с генерацией и разделением электронно-дырочных пар; 25 - граница фронтального перфорированного диэлектрического слоя 7 с фронтальным широкозонным слоем 2 гетероструктуры 6; 26 - луч рекомбинационного излучения, падающий на границу 25 и отраженный от этой границы и от цилиндрической поверхности 28 гетероструктуры 6 и поглощенный в узкозонном слое 3 гетероструктуры 6; 30 - луч изотропного рекомбинационного излучения, претерпевший отражение от границы 29 тыльного перфорированного диэлектрического слоя 8 с тыльным широкозонным слоем 4 гетероструктуры 6; 31 - луч, отраженный от границы 29 и поглощенный в узкозонном слое 3 с генерацией электронно-дырочных пар).

Фотодетекторный модуль включает оптоволокно 1 и фотодетектор лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой гетероструктуры 6 с фотоактивным узкозонным слоем 3, заключенным между двумя широкозонными слоями 2, 4, с омическими контактами к фронтальной и тыльной поверхностям гетероструктуры 6, выполненной в форме цилиндра с плоскостями слоев, параллельными основаниям цилиндра, ось 5 которого совпадает с оптической осью оптоволокна 1. Такая конструкция фотодетекторного модуля обеспечивает максимальную эффективность ввода лазерного излучения из оптоволокна 1 в фотоактивный узкозонный слой 3, заключенный между двумя широкозонными слоями 2 и 4. При этом фронтальный широкозонный слой 2 является прозрачным для лазерного излучения, а тыльный широкозонный слой 4 выполняет функцию тыльного потенциального барьера для генерированных лазерным излучением электронно-дырочных пар, обеспечивая их эффективное разделение полем р-n перехода фотодетектора с помощью омических контактов. На фронтальной и тыльной поверхностях гетероструктуры 6 выполнены перфорированные диэлектрические слои 7, 8, при этом омические контакты включает токоотводящие слои 9, 10, выполненные на перфорированных диэлектрических слоях 7, 8. Выполненные таким образом токоотводящие слои 9, 10 обеспечивают собирание фототока, генерируемого лазерным излучением. При этом токоотводящие слои 9, 10 являются не поглощающими рекомбинационное излучение, получаемое в результате рекомбинации генерированных электронно-дырочных пар, не разделенных полем р-n перехода фотодетектора. Таким образом, обеспечивается снижение рекомбинационных потерь и увеличение эффективности фотодетектора. Омические контакты кроме токоотводящих слоев 9, 10 включают также локальные омические контакты 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, выполненные в отверстиях перфорированных диэлектрических слоев 7, 8, заполненных контактным композитом. Такая конструкция омических контактов 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 обеспечивает собирание фототока, генерируемого лазерным излучением, практически не увеличивая рекомбинационные потери на поглощение излучения в подконтактных областях, вследствие качественного уменьшения площади подконтактных локальных областей по отношению к площади не поглощающей (зеркальной) поверхности токоотводящих слоев 9, 10.

Фронтальный токоотводящий слой 9 выполнен в виде кольца с внутренним диаметром d₂, превышающим диаметр d₁ оптоволокна 1. Такая конструкция фронтальной поверхности фотодетектора обеспечивает минимальные оптические потери лазерного излучения при его вводе в гетероструктуру 6 фотодетектора, так как исключаются потери на отражение лазерного излучения от поверхности фронтального токоотводящего слоя 9.

Тыльный токоотводящий слой 10 выполнен в виде квадратной пластины с размером стороны квадрата, равным диаметру упомянутого цилиндра, в форме которого выполнена гетероструктура 6 фотодетектора. Такая конструкция фотодетектора обеспечивает минимизацию линейных размеров фотодетектора, что необходимо для увеличения быстродействия фотодетектора. Кроме того, углы квадратной пластины слоя 10, выступающие за цилиндрическое сечение гетероструктуры 6 фотодетектора, позволяют осуществлять односторонний электрический монтаж фотодетектора, что уменьшает длину монтажных электрических линий, уменьшая индуктивность и увеличивая диапазон рабочих частот фотодетектора.

Локальные омические контакты 11-19 расположены равноудаленно друг от друга и равномерно распределены по площадям токоотводящих слоев 9,10. Такая конструкция обеспечивает выравнивание плотности тока по площади фотодетектора, что, в свою очередь, препятствует локальному токовому перегреву фотодетектора и увеличивает предельную мощность фотодетектора.

Суммарная площадь локальных омических контактов 11-19 установлена равной 4-8% суммарной площади токоотводящих слоев 9, 10. Это обеспечивает уменьшение оптических потерь, связанных с поглощением рекомбинационного излучения локальными омическими контактами 11-19 благодаря уменьшению их суммарной площади. Однако с уменьшением площади локальных омических контактов 11-19 увеличиваются омические потери на этих контактах. Было установлено оптимальное соотношение суммарной площади S_к локальных омических контактов к суммарной площади S_т токоотводящих слоев 9, 10, составляющее S_к/S_т=4-8%. При S_к/S_т<4% имеет место недопустимое увеличение омических потерь на локальных омических контактах 11-19. При S_к/S_т>8% заметно увеличиваются оптические потери, что приводит к уменьшению эффективности фотодетектора.

Токоотводящие слои 9, 10 выполнены зеркальными с коэффициентом отражения К_отр>95%. Это обеспечивает уменьшение оптических потерь излучения, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение эффективности фотодетектора. В качестве материалов для токоотводящих слоев 9, 10 могут быть использованы серебро и золото, имеющие коэффициент отражения К_отр равный (95-98)%.

Диэлектрический слой 7 внутри фронтального кольцевого токоотводящего слоя 9 выполнен антиотражающим с коэффициентом отражения менее 1%. Это обеспечивает снижение до теоретического минимума величину оптических потерь при вводе лазерного излучения из оптоволокна 1 в гетероструктуру 6 фотодетектора, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение эффективности и мощности модуля.

Работает фотодетекторный модуль следующим образом.

Лазерные лучи 20, 22 (фиг. 3) вводят через оптоволокно 1 в фотодетектор с минимальными оптическими потерями благодаря тому, что фронтальный токоотводящий слой 9 выполнен в виде кольца с внутренним диаметром d₂ (фиг. 1), большим диаметра d₁ оптоволокна 1 и благодаря антиотражающему диэлектрическому слою 7 (фиг. 1), выполненному внутри фронтального кольцевого токоотводящего слоя 9 с коэффициентом отражения менее 1%. Значительная часть лазерных лучей поглощается в узкозонном фотоактивном слое 3, генерируя электронно-дырочные пары, которые разделяются полем р-n перехода и дают вклад в фототок. Однако, часть лазерных лучей 20 (фиг. 3) проходит фотоактивный узкозонный слой 3 без поглощения в нем и отражается от поверхности 21 тыльного зеркального токоотводящего слоя 10. Отраженные лучи попадают в узкозонный слой 3 и поглощаются в нем, давая вклад в фототок фотодетектора. Таким образом, обеспечивается уменьшение оптических потерь в фотодетекторе. Часть «первичных» лучей 22 (фиг. 3), поглощаемых в фотоактивном узкозонном слое 3, генерирует электронно-дырочные пары, рекомбинирующие в фотоактивном узкозонном слое 3 с генерацией изотропного рекомбинационного излучения 23, 26,30 (фиг. 3). Часть рекомбинационного излучения 23 распространяется в направлении фронтальной поверхности фотодетектора и отражается от границы 27 фотодетектора с воздухом. Коэффициент отражения этой границы более 95%, благодаря эффекту полного внутреннего отражения, имеющего место при выходе изотропного излучения из оптически более плотной среды (с показателем преломления n~3,5) на воздух. Эти отраженные лучи 24 попадают в фотоактивный узкозонный слой 3, поглощаются в этом слое с генерацией дополнительного фототока, уменьшая рекомбинационные потери фотодетектора. Часть изотропного рекомбинационного излучения 26 попадает на границу 25 (фиг. 3) диэлектрического слоя 7 с фронтальным широкозонным слоем 2, отражается от этой границы с последующим отражением лучей от цилиндрической поверхности 28 гетероструктуры 6 фотодетектора и попадает в фотоактивный узкозонный слой 3 с генерацией фототока. Половина изотропного рекомбинационного излучения распространяется в направлении тыльной поверхности фотодетектора (лучи 30 на фиг. 3). Большая часть этих лучей отражается от границы 29 тыльного широкозонного слоя 4 с диэлектрическим слоем 8 (фиг. 1, 3), после чего отраженные лучи 31 поглощаются в фотоактивном узкозонном слое 3, генерируя фототок, уменьшая рекомбинационные потери фотодетектора.

Таким образом, разработанная конструкция фотодетектора обеспечивает качественное уменьшение оптических и рекомбинационных потерь и, как следствие этого, увеличение выходной мощности и эффективности фотодетекторного модуля.

Пример. Был изготовлен фотодетекторный модуль, который включает оптоволокно с диаметром 100 мкм и фотодетектор на основе гетероструктуры с фотоактивным узкозонным слоем из GaAs, заключенный между широкозонным слоем p-Al_0.25Ga_0.75As и тыльным широкозонным слоем n-Al_0.25Ga_0.75As. Гетероструктура была выполнена в форме цилиндра диаметром 170 мкм. Перфорированные диэлектрические слои выполнены двуслойными из TiO_x/SiO₂. Токоотводящие слои выполнены из серебра, обеспечивающего высокую электропроводность и высокий коэффициент отражения К_отр=(95-98)%. Фронтальный токоотводящий слой выполнен в виде кольца с внутренним диаметром 120 мкм. Тыльный токоотводящий слой выполнен из позолоченной меди в форме квадратной пластины толщиной 30 мкм со сторонами квадрата равными 170 мкм. Локальные омические контакты выполнены из композита NiCr/Ag/Au на фронтальной поверхности фотодетектора и композита AuGe/Ni/Au на тыльной поверхности гетероструктуры. Отверстия в диэлектрических слоях имели диаметр 5 мкм с шагом 25 мкм. Отношение суммарных площадей локальных контактов к суммарной площади токоотводящих слоев составило 4%.

Техническим результатом стало создание фотодетекторного модуля с увеличенной выходной электрической мощностью и увеличенной эффективностью фотодетектора, благодаря снижению оптических и рекомбинационных потерь.

Изобретение относится к области радиофотоники и может быть использовано при конструировании устройств возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток для связи, радиолокации и радионавигации. Технический результат - повышение выходной мощности и эффективности фотодетекторного модуля. Фотодетекторный модуль включает оптоволокно и фотодетектор лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой гетероструктуры с узкозонным фотоактивным слоем, заключенным между двумя широкозонными слоями, с системой омических контактов к фронтальной и тыльной поверхностям гетероструктуры. На фронтальной и тыльной поверхностях гетероструктуры выполнены перфорированные диэлектрические слои и омические контакты, включающие токоотводящие слои, выполненные на перфорированных диэлектрических слоях, и локальные омические контакты, выполненные в отверстиях в перфорированных диэлектрических слоях и расположенные равноудаленно друг от друга. Суммарная площадь локальных омических контактов установлена равной 4-8% от суммарной площади токоотводящих слоев, причем токоотводящие покрытия выполнены зеркальными. 3 ил.

Фотодетекторный модуль, включающий оптоволокно и фотодетектор лазерного излучения, выполненный на основе полупроводниковой гетероструктуры с узкозонным фотоактивным слоем, заключенным между двумя широкозонными слоями, с омическими контактами к фронтальной и тыльной поверхностям гетероструктуры, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена в форме цилиндра с плоскостями слоев, параллельными основаниям цилиндра, ось которого совпадает с оптической осью оптоволокна, на фронтальной и тыльной поверхностях гетероструктуры выполнены перфорированные диэлектрические слои, при этом омические контакты включают токоотводящие слои, выполненные на перфорированных диэлектрических слоях, и локальные омические контакты в виде контактного композита, выполненные в отверстиях перфорированных диэлектрических слоев; фронтальный токоотводящий слой выполнен в виде кольца с внутренним диаметром, превышающим диаметр оптоволокна, а тыльный токоотводящий слой выполнен в виде квадратной пластины с размером стороны квадрата, равным диаметру упомянутого цилиндра, локальные омические контакты расположены равноудаленно друг от друга, при этом суммарная площадь локальных омических контактов установлена равной 4-8% суммарной площади токоотводящих слоев, причем токоотводящие слои выполнены зеркальными с коэффициентом отражения, превышающим 95%, а слой диэлектрика внутри фронтального кольцевого токоотводящего слоя выполнен антиотражающим с коэффициентом отражения менее 1%.