RU2841361C1 - Photodetector module - Google Patents
Photodetector module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2841361C1 RU2841361C1 RU2024119313A RU2024119313A RU2841361C1 RU 2841361 C1 RU2841361 C1 RU 2841361C1 RU 2024119313 A RU2024119313 A RU 2024119313A RU 2024119313 A RU2024119313 A RU 2024119313A RU 2841361 C1 RU2841361 C1 RU 2841361C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodetector
- current
- ohmic contacts
- layers
- heterostructure
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиофотоники и может быть использовано при конструировании устройств возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток для связи, радиолокации и радионавигации.The invention relates to the field of radio photonics and can be used in the design of antenna excitation devices and active phased antenna arrays for communications, radar and radio navigation.
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.The task in developing transmission paths of radio-photonic systems is to increase the efficiency, power and speed of such systems. In most radio-photonic devices, a photoelectric conversion of a modulated optical (laser) signal supplied via optical fiber into an electrical signal is performed.
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.The increase in the power and efficiency (efficiency) of photodetector modules is achieved by reducing optical and ohmic losses in the photodetector. The main cause of optical losses in powerful photodetectors is the "shading" of the photosensitive surface of the photodetector by the contact grid formed to reduce ohmic (contact) losses and to increase the power of the photodetector. Another important cause of optical and recombination losses in photodetectors is the recombination of generated electron-hole pairs before their separation by the p-n junction field. The proposed technical solution is devoted to solving the problems of reducing optical, recombination and ohmic losses.
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.A photodetector module is known (see US 20210194586, IPC H04B 10/2575, published 06/24/2021), including a source of laser radiation supplied via an optical fiber, a radio frequency source, an electro-optical modulator connected via a waveguide to the source of optical radiation and to the radio frequency source, wherein the electro-optical modulator comprises a first ring resonator modulator and a second ring resonator modulator, a low-power photodetector that converts the modulated optical signal into a high-frequency electrical signal supplied to the radio frequency output.
Недостатками известного модуля являются низкая мощность, менее одного мВт и низкая эффективность.The disadvantages of the known module are low power, less than one mW, and low efficiency.
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.A photodetector module is known (see US 20060140644, IPC H04B 10/04, published 29.06.2006), consisting of a photodetector, optical fiber and antenna, in which a variant of converting a modulated optical signal into a high-frequency electrical signal using a photodetector is implemented, followed by transmitting the signal to the antenna due to photoelectric conversion of the modulated optical signal and transmitting the signal via optical fiber to the photodetector and to the antenna.
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.The disadvantages of the known module are the low efficiency and power (1 mW) of the excitation device, which is limited by the low power of the photodetector, which leads to a loss of power of the signal generated by the antenna and distortion of the signal itself.
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.A photodetector module is known (see RU 2670719, IPC H04D 10/25, G02B 6/42, published 24.10.2018), including a symmetrical fiber-optic splitter, into the primary optical fiber of which optical radiation pulses are introduced. The length of the secondary optical fibers of the splitter is set to differ by no more than 3 mm, each of the secondary optical fibers is optically coupled to a photodetector. At optimal power, the input optical pulse is fed to the photosensitive surface of each photodetector. Serial connection of photodetectors (in the amount of N) allows to increase the output resistance by N times, which makes it possible to match the photodetector module with the load.
Недостатками известного модуля являются низкие мощность и эффективность, вследствие использования оптических разветвителей, вносящих существенные оптические потери.The disadvantages of the known module are low power and efficiency, due to the use of optical splitters, which introduce significant optical losses.
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.A photodetector module is known (see CN 206117559, IPC H01S 01/00, published on 19.04.2017), which includes laser emitters with different wavelengths, an optical system for introducing radiation into optical fibers and a multi-junction photodetector of laser radiation.
Недостатком известного модуля является необходимость подстройки мощности лазерных излучателей для получения одинаковых токов в каждом переходе многопереходного фотодетектора, что приводит к низкой эффективности устройства.The disadvantage of the known module is the need to adjust the power of the laser emitters to obtain the same currents in each transition of the multi-junction photodetector, which leads to low efficiency of the device.
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.A photodetector module is known (see US 2006140644, IPC H04B 10/04, published 29.06.2006), which coincides with the present technical solution in the greatest number of essential features and is adopted as a prototype. The prototype photodetector module includes an optical fiber for inputting laser radiation and a laser radiation photodetector, made on the basis of a semiconductor structure.
Недостатками известного фотодетекторного модуля-прототипа являются небольшая эффективность и мощность (1 мВт) устройства, которые ограничиваются малой мощностью и низкой эффективностью фотодетектора.The disadvantages of the known prototype photodetector module are the low efficiency and power (1 mW) of the device, which are limited by the low power and low efficiency of the photodetector.
Задачей настоящего изобретения является разработка фотодетекторного модуля с повышенной выходной мощностью и высокой эффективностью.The objective of the present invention is to develop a photodetector module with increased output power and high efficiency.
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%.The stated task is achieved in that the photodetector module includes an optical fiber and a laser radiation photodetector made on the basis of a semiconductor heterostructure with a narrow-band photoactive layer enclosed between two wide-band layers, with ohmic contacts to the front and back surfaces of the heterostructure. What is new is that the heterostructure is made in the form of a cylinder with layer planes parallel to the bases of the cylinder, the axis of which coincides with the optical axis of the optical fiber, perforated dielectric layers are made on the front and back surfaces of the heterostructure, while the ohmic contacts include current-conducting layers made on the perforated dielectric layers, and local ohmic contacts from a contact composite made in the holes of the perforated dielectric layers; the front current-conducting layer is made in the form of a ring with an internal diameter exceeding the diameter of the optical fiber, and the rear current-conducting layer is made in the form of a square plate with a side size of the square equal to the diameter of the said cylinder, local ohmic contacts are located at equal distances from each other, while the total area of the local ohmic contacts is set equal to 4-8% of the total area of the current-conducting layers, and the current-conducting layers are made mirror-like with a reflection coefficient exceeding 95%, and the dielectric layer inside the front annular current-conducting layer is made anti-reflective with a reflection coefficient of less than 1%.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is explained by drawings, where:
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);Fig. 1 shows a diagram of the design of the photodetector module (1 - optical fiber; 2 - front wide-band layer; 3 - photoactive narrow-band layer; 4 - back wide-band layer; 5 - optical axis of the optical fiber 1 and the cylindrical heterostructure 6 of the photodetector; 7 - front perforated dielectric layer; 8 - back perforated dielectric layer; 9 - front current-conducting layer made in the form of a ring; 10 - back current-conducting layer made in the form of a square plate; 12 - contact composite in the holes of the front perforated dielectric layer; 13, 14, 15 - contact composite located in the holes of the back perforated dielectric layer 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);Fig. 2 shows a top view (from the side of optical fiber 1) of the photodetector module (10 - current-conducting layer on the rear perforated dielectric layer 8, made in the form of a square plate with the length W of the side of the square equal to the diameter d3 of the cylindrical heterostructure 6 of the photodetector; 9 - current-conducting layer on the front perforated dielectric layer 7; 11, 12, 16, 18 - contact composite located in the openings of the front dielectric layer 7; 13, 14, 15, 17, 19 - contact composite located in the openings of the rear perforated dielectric layer 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).in fig. 3 shows the operation diagram of the photodetector module (20, 22 - laser beams introduced into the photodetector from optical fiber 1 with typical angles of incidence (usually less than ±15 angular degrees), determined by the numerical aperture of optical fiber 1; 21 - "mirror" boundary of the rear perforated dielectric layer 8 and the rear "mirror" current-collecting layer 10, providing reflection of laser beams and their absorption in the active narrow-band layer 3; 23, 26, 30 - recombination radiation generated by absorbed laser radiation 22; 27 - boundary of the front perforated dielectric layer 7 with air; 23 - rays reflected from boundary 27 and absorbed in narrow-band layer 3 with the generation and separation of electron-hole pairs; 25 - boundary of the front perforated dielectric layer 7 with the front wide-band layer 2 of heterostructure 6; 26 - a beam of recombination radiation incident on boundary 25 and reflected from this boundary and from the cylindrical surface 28 of heterostructure 6 and absorbed in narrow-band layer 3 of heterostructure 6; 30 - a beam of isotropic recombination radiation that has undergone reflection from boundary 29 of the rear perforated dielectric layer 8 with the rear wide-band layer 4 of heterostructure 6; 31 - a beam reflected from boundary 29 and absorbed in narrow-band layer 3 with the generation of electron-hole pairs).
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.The photodetector module includes an optical fiber 1 and a laser radiation photodetector made on the basis of a semiconductor heterostructure 6 with a photoactive narrow-band layer 3 enclosed between two wide-band layers 2, 4, with ohmic contacts to the front and back surfaces of the heterostructure 6, made in the form of a cylinder with layer planes parallel to the bases of the cylinder, the axis 5 of which coincides with the optical axis of the optical fiber 1. Such a design of the photodetector module ensures maximum efficiency of input of laser radiation from the optical fiber 1 into the photoactive narrow-band layer 3 enclosed between two wide-band layers 2 and 4. In this case, the front wide-band layer 2 is transparent for laser radiation, and the back wide-band layer 4 performs the function of a back potential barrier for electron-hole pairs generated by laser radiation, ensuring their effective separation by the field of the p-n junction of the photodetector using ohmic contacts. On the front and back surfaces of the heterostructure 6, perforated dielectric layers 7, 8 are made, wherein the ohmic contacts include current-conducting layers 9, 10 made on the perforated dielectric layers 7, 8. The current-conducting layers 9, 10 made in this manner ensure the collection of the photocurrent generated by the laser radiation. In this case, the current-conducting layers 9, 10 do not absorb the recombination radiation obtained as a result of the recombination of the generated electron-hole pairs that are not separated by the field of the p-n junction of the photodetector. Thus, a reduction in recombination losses and an increase in the efficiency of the photodetector are ensured. The ohmic contacts, in addition to the current-conducting layers 9, 10, also include local ohmic contacts 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, made in the openings of the perforated dielectric layers 7, 8 filled with a contact composite. Such a design of the ohmic contacts 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 ensures the collection of the photocurrent generated by the laser radiation, practically without increasing the recombination losses for the absorption of radiation in the subcontact regions, due to a qualitative reduction in the area of the subcontact local regions in relation to the area of the non-absorbing (mirror) surface of the current-conducting layers 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.The front current-conducting layer 9 is made in the form of a ring with an internal diameter d 2 , exceeding the diameter d 1 of the optical fiber 1. Such a design of the front surface of the photodetector ensures minimal optical losses of laser radiation when it is introduced into the heterostructure 6 of the photodetector, since losses due to reflection of laser radiation from the surface of the front current-conducting layer 9 are eliminated.
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.The back current-conducting layer 10 is made in the form of a square plate with the size of the square side equal to the diameter of the said cylinder, in the form of which the heterostructure 6 of the photodetector is made. Such a design of the photodetector ensures the minimization of the linear dimensions of the photodetector, which is necessary to increase the speed of the photodetector. In addition, the corners of the square plate of layer 10, protruding beyond the cylindrical section of the heterostructure 6 of the photodetector, allow for one-sided electrical installation of the photodetector, which reduces the length of the electrical installation lines, reducing the inductance and increasing the range of operating frequencies of the photodetector.
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.Local ohmic contacts 11-19 are located equidistant from each other and are uniformly distributed over the areas of the current-conducting layers 9,10. Such a design ensures equalization of the current density over the area of the photodetector, which, in turn, prevents local current overheating of the photodetector and increases the maximum power of the photodetector.
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 Sк локальных омических контактов к суммарной площади Sт токоотводящих слоев 9, 10, составляющее Sк/Sт=4-8%. При Sк/Sт<4% имеет место недопустимое увеличение омических потерь на локальных омических контактах 11-19. При Sк/Sт>8% заметно увеличиваются оптические потери, что приводит к уменьшению эффективности фотодетектора.The total area of local ohmic contacts 11-19 is set equal to 4-8% of the total area of current-conducting layers 9, 10. This ensures a decrease in optical losses associated with the absorption of recombination radiation by local ohmic contacts 11-19 due to a decrease in their total area. However, with a decrease in the area of local ohmic contacts 11-19, the ohmic losses on these contacts increase. An optimal ratio of the total area S k of local ohmic contacts to the total area S t of current-conducting layers 9, 10 was established, amounting to S k /S t = 4-8%. At S k /S t < 4%, an unacceptable increase in ohmic losses on local ohmic contacts 11-19 occurs. At S k /S t > 8%, optical losses increase noticeably, which leads to a decrease in the efficiency of the photodetector.
Токоотводящие слои 9, 10 выполнены зеркальными с коэффициентом отражения Котр>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 Котр равный (95-98)%.The current-conducting layers 9, 10 are made mirror-like with a reflection coefficient Kref >95%. This ensures a reduction in optical radiation losses, which in turn ensures an increase in the efficiency of the photodetector. Silver and gold with a reflection coefficient Kref equal to (95-98)% can be used as materials for the current-conducting layers 9, 10.
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.The dielectric layer 7 inside the frontal annular current-conducting layer 9 is made anti-reflective with a reflection coefficient of less than 1%. This ensures a reduction to a theoretical minimum of the optical loss value when introducing laser radiation from the optical fiber 1 into the heterostructure 6 of the photodetector, which, in turn, ensures an increase in the efficiency and power of the module.
Работает фотодетекторный модуль следующим образом.The photodetector module operates as follows.
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.Laser beams 20, 22 (Fig. 3) are introduced through optical fiber 1 into the photodetector with minimal optical losses due to the fact that the front current-collecting layer 9 is made in the form of a ring with an internal diameter d 2 (Fig. 1), larger than the diameter d 1 of optical fiber 1 and due to the antireflective dielectric layer 7 (Fig. 1), made inside the front annular current-collecting layer 9 with a reflection coefficient of less than 1%. A significant portion of the laser beams is absorbed in the narrow-band photoactive layer 3, generating electron-hole pairs, which are separated by the field of the p-n junction and contribute to the photocurrent. However, some of the laser beams 20 (Fig. 3) pass through the photoactive narrow-band layer 3 without being absorbed in it and are reflected from the surface 21 of the rear mirror current-collecting layer 10. The reflected beams enter the narrow-band layer 3 and are absorbed in it, contributing to the photocurrent of the photodetector. In this way, the optical losses in the photodetector are reduced. Some of the “primary” beams 22 (Fig. 3), absorbed in the photoactive narrow-band layer 3, generate electron-hole pairs that recombine in the photoactive narrow-band layer 3 with the generation of isotropic recombination radiation 23, 26, 30 (Fig. 3). Some of the recombination radiation 23 propagates in the direction of the front surface of the photodetector and is reflected from the boundary 27 of the photodetector with air. The reflection coefficient of this boundary is more than 95%, due to the effect of total internal reflection, which occurs when isotropic radiation exits from an optically denser medium (with a refractive index of n~3.5) into the air. These reflected rays 24 enter the photoactive narrow-band layer 3, are absorbed in this layer with the generation of an additional photocurrent, reducing the recombination losses of the photodetector. Part of the isotropic recombination radiation 26 enters the boundary 25 (Fig. 3) of the dielectric layer 7 with the front wide-band layer 2, is reflected from this boundary with subsequent reflection of the rays from the cylindrical surface 28 of the heterostructure 6 of the photodetector and enters the photoactive narrow-band layer 3 with the generation of a photocurrent. Half of the isotropic recombination radiation propagates in the direction of the rear surface of the photodetector (rays 30 in Fig. 3). Most of these rays are reflected from the boundary 29 of the rear wide-band layer 4 with the dielectric layer 8 (Fig. 1, 3), after which the reflected rays 31 are absorbed in the photoactive narrow-band layer 3, generating a photocurrent, reducing the recombination losses of the photodetector.
Таким образом, разработанная конструкция фотодетектора обеспечивает качественное уменьшение оптических и рекомбинационных потерь и, как следствие этого, увеличение выходной мощности и эффективности фотодетекторного модуля.Thus, the developed design of the photodetector ensures a qualitative reduction in optical and recombination losses and, as a consequence, an increase in the output power and efficiency of the photodetector module.
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-Al0.25Ga0.75As и тыльным широкозонным слоем n-Al0.25Ga0.75As. Гетероструктура была выполнена в форме цилиндра диаметром 170 мкм. Перфорированные диэлектрические слои выполнены двуслойными из TiOx/SiO2. Токоотводящие слои выполнены из серебра, обеспечивающего высокую электропроводность и высокий коэффициент отражения Котр=(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%.Example. A photodetector module was manufactured that included an optical fiber with a diameter of 100 μm and a photodetector based on a heterostructure with a photoactive narrow-bandgap layer made of GaAs, enclosed between a wide-bandgap layer of p-Al 0.25 Ga 0.75 As and a back wide-bandgap layer of n-Al 0.25 Ga 0.75 As. The heterostructure was made in the form of a cylinder with a diameter of 170 μm. The perforated dielectric layers are made in two layers of TiO x /SiO 2 . The current-collecting layers are made of silver, which provides high electrical conductivity and a high reflectivity K reflect = (95-98)%. The front current-collecting layer is made in the form of a ring with an inner diameter of 120 μm. The back current-collecting layer is made of gilded copper in the form of a square plate with a thickness of 30 μm with the sides of the square equal to 170 μm. Local ohmic contacts are made of NiCr/Ag/Au composite on the front surface of the photodetector and AuGe/Ni/Au composite on the back surface of the heterostructure. The holes in the dielectric layers had a diameter of 5 μm with a pitch of 25 μm. The ratio of the total areas of local contacts to the total area of the current-conducting layers was 4%.
Техническим результатом стало создание фотодетекторного модуля с увеличенной выходной электрической мощностью и увеличенной эффективностью фотодетектора, благодаря снижению оптических и рекомбинационных потерь.The technical result was the creation of a photodetector module with increased output electrical power and increased efficiency of the photodetector, due to the reduction of optical and recombination losses.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2841361C1 true RU2841361C1 (en) | 2025-06-06 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060140644A1 (en) * | 2004-12-23 | 2006-06-29 | Paolella Arthur C | High performance, high efficiency fiber optic link for analog and RF systems |
| CN206117559U (en) * | 2016-06-20 | 2017-04-19 | 江苏中天科技股份有限公司 | Optic fibre energy supply system based on multijunction spotlight photovoltaic cell |
| RU2670719C1 (en) * | 2018-02-05 | 2018-10-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Fiber-optic photoelectronic ultrahigh frequency module |
| RU2676187C1 (en) * | 2018-02-21 | 2018-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Microwave photodetector of laser radiation |
| RU2817550C1 (en) * | 2023-11-29 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Photoelectric fibre-optic microwave module |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060140644A1 (en) * | 2004-12-23 | 2006-06-29 | Paolella Arthur C | High performance, high efficiency fiber optic link for analog and RF systems |
| CN206117559U (en) * | 2016-06-20 | 2017-04-19 | 江苏中天科技股份有限公司 | Optic fibre energy supply system based on multijunction spotlight photovoltaic cell |
| RU2670719C1 (en) * | 2018-02-05 | 2018-10-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Fiber-optic photoelectronic ultrahigh frequency module |
| RU2676187C1 (en) * | 2018-02-21 | 2018-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Microwave photodetector of laser radiation |
| RU2817550C1 (en) * | 2023-11-29 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Photoelectric fibre-optic microwave module |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9530905B2 (en) | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices | |
| JP2770996B2 (en) | Multi-channel cavity laser | |
| US6690851B1 (en) | Virtual optoelectronic crossbar switch | |
| JP2000507399A (en) | VCSEL based multi-wavelength transmitter and receiver module for serial and parallel optical links | |
| EP2005229A1 (en) | Photodetector | |
| US6829442B2 (en) | High speed optical receiver | |
| US5742045A (en) | Apparatus using diode laser logic to form a configurable optical gate system | |
| RU2841361C1 (en) | Photodetector module | |
| CN114188426B (en) | A photodetector with high bandwidth and high responsivity | |
| RU2837684C1 (en) | Photoelectric fibre optic module | |
| CN118610281B (en) | A photoconductive terahertz light mixing chip and its preparation method and application | |
| CN114335207A (en) | Germanium-silicon photoelectric detector based on double-layer sub-wavelength grating | |
| RU2842957C1 (en) | Photoelectric radio photon device | |
| RU2823170C1 (en) | Radio-photonic photoelectric device | |
| CN113284964B (en) | A guided mode photodetector | |
| CN115664540A (en) | Hybrid integrated system for transmitting terahertz signals and chip thereof | |
| US20230314731A1 (en) | Fused fiber-optic tapers in optical wireless receivers and method | |
| RU2830139C1 (en) | Photodiode fibre optic module | |
| RU2696355C1 (en) | Fiber-optical photoelectric converter of laser radiation | |
| JP3320058B2 (en) | Angle cavity resonant photodetector assembly and method of manufacturing the same | |
| JP2003174186A (en) | Semiconductor light receiving element | |
| RU2825199C1 (en) | Fibre-optic photodetector module | |
| Suzuki et al. | A proposed vertical-cavity optical repeater for optical inter-board connections | |
| RU2817550C1 (en) | Photoelectric fibre-optic microwave module | |
| Stach et al. | 1 Gbit/s bidirectional data transmission over 100 m graded-index glass optical fiber with monolithically integrated transceiver chips |