中红外低噪声波导光电探测器与超短波导锥形结构的设计

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中红外 波导光电探测器 超短波导锥形 暗电流 噪声等效功率

学术背景

中红外光谱范围（2.5至20 µm）因其包含许多分子键的特征吸收峰，被广泛应用于气体检测、光学通信、高质量成像、细菌研究以及土壤成分分析等领域。在这些应用中，波导光电探测器因其高集成度、低功耗和易于小型化的特点，成为光子集成电路（PICs）中的关键组件。然而，传统波导光电探测器在灵敏度和信噪比方面存在局限性，尤其是在暗电流噪声控制和量子效率优化方面面临挑战。

为了提高波导光电探测器的性能，研究人员提出了多种改进方案，例如通过优化材料选择、设计新型波导结构或引入模式转换技术来减少耦合损耗。然而，如何在保持量子效率的同时显著降低暗电流噪声，仍然是一个亟待解决的问题。本文的研究正是针对这一问题展开，提出了一种结合超短波导锥形结构的中红外低噪声波导光电探测器设计方案，旨在通过压缩光纤耦合光场到亚波长尺寸，有效减小吸收器面积，从而实现低暗电流和高信噪比。

论文来源

这篇论文由王宇鹏（Yupeng Wang）和裴金迪（Jindi Pei）共同第一作者撰写，周毅（Yi Zhou）和王玲芳（Lingfang Wang）为通讯作者。作者团队来自中国科学院大学杭州高等研究院物理与光电工程学院以及中国科学院上海技术物理研究所国家红外探测技术重点实验室。论文于2025年发表在《Optical and Quantum Electronics》期刊上，文章编号为57:157，DOI为10.1007/s11082-025-08069-4。

研究内容与方法

a) 研究流程

本研究主要包括以下步骤：

1. 超短波导锥形结构的设计与优化

研究首先设计了一个基于多模干涉（MMI, Multi-Mode Interference）原理的超短波导锥形结构。该结构的核心目标是将光纤尺寸的模式场压缩到亚波长尺寸，同时尽量减少传输损耗。具体设计过程包括： - 输入波导宽度：设定为15 µm，以覆盖典型中红外单模光纤的输出光束。 - 线性波导锥形长度与输出端宽度优化：通过对线性波导锥形长度（5 µm至20 µm）和输出端宽度（3 µm至7 µm）进行参数扫描，确定了最佳配置为输出端宽度5 µm、锥形长度15 µm，此时传输效率达到96.1%。 - MMI结构优化：基于自成像原理（Self-Imaging Principle），进一步优化了MMI的宽度和长度。最终确定的最佳配置为宽度4.4 µm、长度6.4 µm，传输效率达到92.4%。

2. 波导光电探测器吸收层的设计与性能分析

研究团队对波导光电探测器的吸收层进行了详细设计和模拟分析，主要包括： - 吸收层厚度与长度的影响：通过调整PIN结构的厚度（0.2 µm至1 µm）和长度（5 µm至30 µm），分析其对量子效率（QE, Quantum Efficiency）、暗电流和噪声等效功率（NEP, Noise Equivalent Power）的影响。 - 暗电流计算：基于扩散电流公式，计算了不同厚度和长度下的暗电流值。 - 量子效率模拟：利用有限差分时域（FDTD, Finite-Difference Time-Domain）方法模拟了不同吸收层厚度和长度下的量子效率变化。

3. 对比实验

为了验证超短波导锥形结构的有效性，研究团队对比了两种结构的性能： - 带超短波导锥形结构的探测器：吸收层宽度为1.32 µm，长度为10 µm。 - 无波导锥形结构的探测器：吸收层宽度为15 µm，长度为30 µm。

b) 主要结果

1. 超短波导锥形结构的性能

  • 传输效率：优化后的超短波导锥形结构总长度为21.4 µm，传输效率达到92.4%，相比传统波导锥形结构长度减少了1个数量级。
  • 模式转换效果：通过MMI实现了从光纤尺寸到亚波长尺寸的高效模式转换，输出波导宽度仅为5 µm。

2. 吸收层性能分析

  • 量子效率：当吸收层厚度为0.5 µm、长度为10 µm时，量子效率达到43.4%，响应度为1.6 A/W。
  • 暗电流与噪声等效功率：在偏置电压为-0.1 V时，暗电流为2.38 × 10⁻⁶ A，噪声等效功率为5.4 × 10⁻¹³ W/Hz¹/²。
  • 对比结果：相比无波导锥形结构的探测器，量子效率降低了8.3%，但噪声等效功率降低了68.2%。

c) 结论

本研究表明，通过引入超短波导锥形结构，可以显著减小波导光电探测器的吸收层面积，从而有效降低暗电流噪声，同时保持较高的量子效率。这种设计不仅提高了探测器的信噪比，还为实现高度集成化的中红外波导光电探测器提供了新思路。

研究意义与价值

科学价值

本研究首次提出了一种结合超短波导锥形结构的中红外低噪声波导光电探测器设计，解决了传统波导光电探测器在暗电流噪声控制方面的难题。通过优化波导锥形结构和吸收层参数，实现了高效的模式转换和低噪声性能，为相关领域的研究提供了重要的理论和技术支持。

应用价值

该设计具有广泛的潜在应用前景，特别是在中红外光谱检测和分子指纹识别领域。由于其高灵敏度和低噪声特性，这种探测器可广泛应用于环境监测、生物医学诊断和工业过程控制等场景。

研究亮点

  1. 创新性设计：首次提出结合超短波导锥形结构的中红外波导光电探测器，显著缩短了波导锥形结构的长度。
  2. 高性能表现：优化后的探测器噪声等效功率降低了68.2%，为低噪声探测器的设计提供了新范例。
  3. 多学科融合：结合了光学、材料科学和电子工程等多个领域的先进技术，展示了跨学科研究的潜力。

其他有价值的信息

研究团队得到了国家自然科学基金（NSFC）等多项资助，表明该研究受到了学术界的高度重视。此外，研究中使用的FDTD模拟方法和MMI设计原理为后续类似研究提供了重要参考。