1.本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种雪崩光电探测器。
背景技术：2.光外差探测是一种对光信号的间接测量方式，这种方法通过测量相干的参考光与信号光之间的差频信号，最终实现对弱光信号的探测。与普通的直接测量方式相比，光外差探测具有高的转换增益、良好的滤波性能、良好的空间和偏振鉴别能力、以及抗干扰能力等，而且光外差探测可以得到响应信号的振幅、频率和相位信息。因此光外差探测在弱信号探侧、光通讯、激光雷达、遥测传感技术及光谱学领域有很广泛的应用前景。
3.实现光外差探测一般需要光分束混频器和光电平衡探测器，设备比较复杂。光电子集成技术能够将以上器件通过微加工方法集成到一个很小的芯片上。一般来说，差频信号是比较弱的交流电流信号，需要对这个弱交流信号进行放大。这就需要更强的本地光功率，另外当差频信号越弱的时候，需要的后续放大电路的放大倍数越高，放大电路带来噪声也越大。
4.利用平衡光电探测器的相干光检测装置如图1所示，信号光和参考光通过分束混频进入两个光电探测器，同样探测器产生的光电流分成直流和交流两部分，需要通过带通滤波器把交流信号提取出来。公式如下：
5.i＝i
直流
+i
交流
6.i
直流
∝
(a
2-b2)(t
2-k2)
7.i
交流
∝
4abtk sin(δωft)
8.一般情况下，信号光比参考光小几个量级，这种方式直流分量过大，不利于交流信号的提取。而如果参考光也很弱，则交流电流信号非常弱，不利于后续的放大电路。
技术实现要素：9.鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种雪崩光电探测器，通过光电子集成技术，由一个光混合分束器和两个三电极雪崩光电探测器组成，每个雪崩光电探测器由分别电控的吸收区和雪崩放大区组成，使弱光探测和平衡探测有机地集成在一起。与普通的平衡光电探测相比，所需的本地参考光光功率得到降低，同时差频电信号功率得到大幅度提升，降低了后续放大电路的压力。
10.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
11.本发明提供一种雪崩光电探测器，包括：光混合分束器、第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器；
12.将信号光和参考光分别通过光纤输入至光混合分束器，光混合分束器用于将信号光和参考光进行混合后再输出均带有信号光和参考光信息的第一光束和第二光束；
13.第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器分别包括探测区和雪崩区；
14.第一光束和第二光束通过光纤分别进入第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探
测器的探测区后形成电子或空穴传输至雪崩区中；
15.第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器的雪崩区为直接连接，形成电流后输出。
16.优选地，探测区包括吸收层；
17.吸收层包括：本征型半导体吸收层和欧姆接触层；
18.第一光束和第二光束分别进入本征型半导体吸收层被吸收后，进入欧姆接触层形成电子或空穴，再通过传输层将电子或空穴输出至雪崩区；
19.优选地，本征型半导体吸收层的材料为：硅、锗或其他iii-v族半导体材料。
20.优选地，第一雪崩光电探测器中的欧姆接触层与第一电极相连接；第二雪崩光电探测器中的欧姆接触层与第二电极相连接。
21.优选地，探测区还包括传输层；
22.传输层为漏斗形结构，包括大直径端和小直径端，传输层的大直径端与本征半导体吸收层相连接，传输层的小直径端与雪崩区相连接。
23.优选地，雪崩区包括：p型半导体层、雪崩层和n型半导体层；
24.传输层的小直径端位于p型半导体层和雪崩层之间；
25.在第一雪崩光电探测器中，沿b
′
b方向依次为p型半导体层、传输层的小直径端、雪崩层和n型半导体层；在第二雪崩光电探测器中，沿bb
′
方向依次为p型半导体层、传输层的小直径端、雪崩层和n型半导体层；
26.或在第一雪崩光电探测器中，沿b
′
b方向依次为n型半导体层、传输层的小直径端、雪崩层和p型半导体层；在第二雪崩光电探测器中，沿bb
′
方向依次为n型半导体层、传输层的小直径端、雪崩层和p型半导体层。
27.优选地，第一雪崩光电探测器中的n型半导体层与第二雪崩光电探测器中的p型半导体层为短路连接。
28.优选地，将第一雪崩光电探测器中的n型半导体层与第二雪崩光电探测器中的p型半导体层直接接触，构成短路连接。
29.优选地，在雪崩层的上方设置有隔光层，用于避免外界光的影响。
30.与现有的技术相比，本发明通过光电子集成技术，由一个光混合分束器和两个三电极雪崩光电探测器组成，每个雪崩光电探测器由分别电控的吸收区和雪崩放大区组成，使弱光探测和平衡探测有机地集成在一起。与普通的平衡光电探测相比，所需的本地参考光光功率得到降低，同时差频电信号功率得到大幅度提升，降低了后续放大电路的压力。
附图说明
31.图1是平衡光电探测器的相干光检测结构示意图。
32.图2是根据本发明实施例提供的雪崩光电探测器结构示意图。
33.图3是根据本发明实施例提供的雪崩光电探测器结构示意图。
34.图4是根据本发明实施例提供的第一光电探测器和第二光电探测器的结构示意图。
35.图5是根据本发明实施例提供的第一光电探测器和第二光电探测器的连接示意图。
36.图6是根据本发明实施例提供的探测区的结构示意图。
37.图7是根据本发明实施例提供的雪崩区的结构示意图。
38.图8是根据本发明另一个实施例提供的雪崩光电探测器的结构示意图。
39.图9是根据本发明另一个实施例提供的雪崩区的结构示意图。
40.其中的附图标记包括：光混合分束器1、第一雪崩光电探测器2、吸收层21、本征型半导体吸收层211、欧姆接触层212、传输层22、p型半导体层23、雪崩层24、n型半导体层25、隔光层26、第二雪崩光电探测器3、吸收层31、本征型半导体吸收层311、欧姆接触层312、传输层32、p型半导体层33、雪崩层34和n型半导体层35。
具体实施方式
41.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
42.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
43.图2示出了根据本发明实施例提供的雪崩光电探测器结构。
44.图3示出了根据本发明实施例提供的雪崩光电探测器结构示意图。
45.如图2和图3所示，本发明实施例提供的雪崩光电探测器包括：光混合分束器1、第一雪崩光电探测器2和第二雪崩光电探测器3。
46.信号光ps和参考光pr为两束相干光，信号光ps和参考光pr作为输入光束通过光纤同时进入光混合分束器1中。
47.光混合分束器1用于将信号光ps和参考光pr进行混合后再输出两束相同且均带有信号光ps和参考光pr信息的第一光束和第二光束。
48.第一光束通过光纤进入第一雪崩光电探测器2中，第二光束通过光纤进入第二光电探测器3中。
49.图4示出了根据本发明实施例提供的第一光电探测器和第二光电探测器的结构示意图。
50.图5示出了根据本发明实施例提供的第一光电探测器和第二光电探测器的连接示意图。
51.如图4和图5所示，第一雪崩光电探测器2包括探测区和雪崩区。
52.图6示出了根据本发明实施例提供的探测区的结构示意图。
53.如图6所示，探测区包括吸收层21和传输层22。
54.吸收层21包括：本征型半导体吸收层211和欧姆接触层212。
55.第一光束首先进入本征型半导体吸收层211被吸收后，进入欧姆接触层212形成电子或空穴，通过传输层22将电子或空穴输出至雪崩区。
56.本征型半导体吸收层211的材料为：硅、锗或其他iii-v族半导体材料。欧姆接触层212由高掺杂的半导体材料制备而成，与第一电极v1相连接。传输层22由低掺杂的半导体材料制备而成，为了降低其电子或空穴在传输过程中的损耗，将传输层22制作成漏斗形结构。
包括大直径端和小直径端，大直径端与本征半导体吸收层211相连接，小直径端位于雪崩区的p型半导体层23和雪崩层24之间。
57.图7示出了根据本发明实施例提供的雪崩区的结构示意图。
58.如图7所示，雪崩区包括：p型半导体层23、雪崩层24和n型半导体层25。
59.p型半导体层23和n型半导体层25的材料可以互相替换。
60.从图4中b
′
b方向依次为p型半导体层23、传输层22的小直径端、雪崩层24和n型半导体层25。
61.第二雪崩光电探测器3也包括探测区和雪崩区。
62.探测区包括吸收层31和传输层32。
63.吸收层31包括：本征型半导体吸收层311和欧姆接触层312。
64.第二光束首先进入本征型半导体吸收层311被吸收后，进入欧姆接触层312形成电子或空穴，通过传输层32将电子或空穴输出至雪崩区。
65.本征型半导体吸收层311的材料为：硅、锗或其他iii-v族半导体材料。欧姆接触层312由高掺杂的半导体材料制备而成，与第二电极v2相连接。传输层32由低掺杂的半导体材料制备而成，为了降低其电子或空穴在传输过程中的损耗，将传输层32制作成漏斗形。传输层32的大直径端与本征半导体吸收层311相连接，传输层32的小直径端位于雪崩区的p型半导体层33和雪崩层34之间。
66.雪崩区包括：p型半导体层33、雪崩层34和n型半导体层35。
67.从图4中bb
′
方向依次为p型半导体层33、传输层32的小直径端、雪崩层34和n型半导体层35。
68.p型半导体层33和n型半导体层35的材料可以互相替换。
69.第二雪崩光电探测器3倒立放置，n型半导体层35与p型半导体层23为短路连接，形成电流后输出电流is。
70.其中，vb是偏置电压，vg是接地电压。
71.图8示出了根据本发明另一个实施例提供的雪崩光电探测器的结构示意图。
72.图9示出了根据本发明另一个实施例提供的雪崩区的结构示意图。
73.如图8和图9所示，将第一雪崩探测器2和第二雪崩探测器3的雪崩区直接连在一起，即n型半导体层35与p型半导体层23直接接触，构成短路连接，使结构更加紧凑。在第一雪崩探测器2和第二雪崩探测器3雪崩层的上方设置有隔光层26，用于避免外界光的影响。
74.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
75.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
技术特征：1.一种雪崩光电探测器，其特征在于，包括：光混合分束器、第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器；将信号光和参考光分别通过光纤输入至所述光混合分束器，所述光混合分束器用于将所述信号光和所述参考光进行混合后再输出均带有所述信号光和所述参考光信息的第一光束和第二光束；所述第一雪崩光电探测器和所述第二雪崩光电探测器分别包括探测区和雪崩区；所述第一光束和所述第二光束通过光纤分别进入所述第一雪崩光电探测器和所述第二雪崩光电探测器的探测区后形成电子或空穴传输至所述雪崩区中；所述第一雪崩光电探测器和所述第二雪崩光电探测器的雪崩区为直接连接，形成电流后输出。2.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述探测区包括吸收层；所述吸收层包括：本征型半导体吸收层和欧姆接触层；所述第一光束和所述第二光束分别进入所述本征型半导体吸收层被吸收后，进入所述欧姆接触层形成电子或空穴，再通过传输层将所述电子或空穴输出至雪崩区。3.根据权利要求2所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述本征型半导体吸收层的材料为：硅、锗或其他iii-v族半导体材料。4.根据权利要求3所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一雪崩光电探测器中的欧姆接触层与第一电极相连接；所述第二雪崩光电探测器中的欧姆接触层与第二电极相连接。5.根据权利要求4所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述探测区还包括传输层；所述传输层为漏斗形结构，包括大直径端和小直径端，所述传输层的大直径端与所述本征型半导体吸收层相连接，所述传输层的小直径端与所述雪崩区相连接。6.根据权利要求5所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述雪崩区包括：p型半导体层、雪崩层和n型半导体层；所述传输层的小直径端位于所述p型半导体层和所述雪崩层之间；在所述第一雪崩光电探测器中，沿b
′
b方向依次为所述p型半导体层、所述传输层的小直径端、所述雪崩层和所述n型半导体层；在所述第二雪崩光电探测器中，沿bb
′
方向依次为所述p型半导体层、所述传输层的小直径端、所述雪崩层和所述n型半导体层；或在所述第一雪崩光电探测器中，沿b
′
b方向依次为所述n型半导体层、所述传输层的小直径端、所述雪崩层和所述p型半导体层；在所述第二雪崩光电探测器中，沿bb
′
方向依次为所述n型半导体层、所述传输层的小直径端、所述雪崩层和所述p型半导体层。7.根据权利要求6所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一雪崩光电探测器中的n型半导体层与所述第二雪崩光电探测器中的p型半导体层为短路连接。8.根据权利要求7所述的雪崩光电探测器，其特征在于，将所述第一雪崩光电探测器中的n型半导体层与所述第二雪崩光电探测器中的p型半导体层直接接触，构成短路连接。9.根据权利要求8所述的雪崩光电探测器，其特征在于，在所述雪崩层的上方设置有隔光层，用于避免外界光的影响。
技术总结本发明提供一种雪崩光电探测器，包括：光混合分束器、第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器；将信号光和参考光分别通过光纤输入至光混合分束器，光混合分束器用于将信号光和参考光进行混合后再输出均带有信号光和参考光信息的第一光束和第二光束；第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器分别包括探测区和雪崩区；第一光束和第二光束通过光纤分别进入第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器的探测区后形成电子或空穴传输至雪崩区中；第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器的雪崩区为直接连接，形成电流后输出。本发明所需的本地参考光光功率得到降低，同时差频电信号功率得到大幅度提升，降低了后续放大电路的压力。力。力。
技术研发人员：宋俊峰 李雪童 刘小斌 李盈祉 陈柏松 李雪妍 郜峰利
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1
