一種新型諧振腔增強(qiáng)型光電探測器的性能分析

摘要：通過理論探討和實(shí)驗(yàn)仿真，分析了一種新型諧振腔增強(qiáng)型光電探測器RCEP(Resonant Cavity Enhanced Photodetector)的結(jié)構(gòu)及性能，該RCEP的基本結(jié)構(gòu)是將吸收層插入到諧振腔當(dāng)中，并指出這種新型器件較傳統(tǒng)器件可獲得較高的量子效率和響應(yīng)速度，而其具有的波長選擇特性，使這種新型器件可在光波分復(fù)用WDM(Wavelength Division Multiplexing)系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：諧振腔增強(qiáng)型(RCE)；光電探測器；量子效率；駐波效應(yīng)

    隨著光波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)通信技術(shù)的發(fā)展，具有波長選擇特性和高響應(yīng)速度的光探測器已經(jīng)在光通信中顯示出了它的巨大優(yōu)勢。這里探討一種新型的光電探測器——諧振腔增強(qiáng)型光電探測器(Resonant Cavity Enhanced Photodetector，RCEP )，該RCEP的基本結(jié)構(gòu)是將吸收層插入到諧振腔當(dāng)中。由于諧振腔的增強(qiáng)效應(yīng)使其在較薄的吸收層情況下即可獲得較高的量子效率，同時減少了光生載流子在吸收層的渡越時間，提高了器件的響應(yīng)速度，因而能夠解決傳統(tǒng)探測器量子效率和響應(yīng)速度之間的相互制約矛盾。此外，由于諧振腔的作用使該器件本身具有波長選擇特性，無需外加濾波器，因而有可能成為波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中的新一代光探測器。

1 RCE器件的結(jié)構(gòu)及量子效率分析
    量子效率是用來表征光電轉(zhuǎn)換效率的物理量，定義式為
   
式中，Lp是光生電流強(qiáng)度，Eo是電子電荷，Po是入射光強(qiáng)度。

    圖l為RCE器件的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中，吸收區(qū)是一種窄禁帶的半導(dǎo)體材料，頂部與底部的DBR由交替的非吸收的寬禁帶材料構(gòu)成，吸收區(qū)與頂部DBR和底部DBR之間的隔離區(qū)也為寬禁帶材料。在實(shí)際應(yīng)用中，器件的反射鏡一般由介質(zhì)或半導(dǎo)體材料的1／4波長堆棧構(gòu)成，簡化設(shè)計(jì)時，頂鏡可以利用半導(dǎo)體材料和空氣的界面構(gòu)成，提供約30％的反射率。吸收層間插在兩個端面反射鏡之間，其厚度為d，吸收系數(shù)為α。吸收層與器件的頂鏡和底鏡間的間隔由L1和L2表示，其材料吸收系數(shù)由αex表示。頂鏡與底鏡的場反射系數(shù)分別為，其中ψ1、ψ2表示由于光場透射反射鏡而引起的相位偏移。入射光波電場分量Ei的透射部分等于t1Ei。諧振腔內(nèi)的前向傳輸波電場分量Ef即由上述透射分量及腔內(nèi)反射組成。
    圖1中z=O處的前向傳輸光場Ef可以通過自洽得出，即Ef是入射光波的透射分量及其在腔內(nèi)的反饋之和；
    
    逆向傳輸波(即z=L處的Eb)可以通過計(jì)算前向傳輸光波經(jīng)腔鏡的反射得到：
    

    式(6)右側(cè)大括號內(nèi)的參數(shù)代表了腔的量子效率增強(qiáng)效應(yīng)。當(dāng)R2=0時該增強(qiáng)因子為l，此時式(6)給出的是傳統(tǒng)探測器的量子效率。圖2顯示了η對波長的依賴關(guān)系。三條曲線分別對應(yīng)于頂鏡反射率R1為0.9，0.3和0.05時的情況(其中實(shí)線為-0.9，點(diǎn)線為-0.3，段線為-0.05)，其余參數(shù)設(shè)定為底鏡反射率R2=0．9，αd=O．1，L=2μm。η周期性地在諧振波長處，即2βL+ψ1+ψ2=2mπ(m=l，2，3…)得到增強(qiáng)。

    圖2中的平直虛線即代表在相同有源層厚度(ad=0．1)情況下傳統(tǒng)光探測器所能達(dá)到的量子效率，兩種探測器的對比是很明顯的。傳統(tǒng)光探測器在很寬的波長范圍內(nèi)具有基本恒定的量子效率，最大量子效率也不超過0．1，而RCE型光探測器可以通過設(shè)計(jì)在特定波長處獲得極大增強(qiáng)的量子效率。這就是諧振腔對量子效率的增強(qiáng)作用。
    RCE器件的量子效率最大值條件為：，恰當(dāng)?shù)剡x擇器件參數(shù)可以使RCE PD的量子效率達(dá)到近乎100％的理論值。

2 RCE器件的駐波效應(yīng)分析
    對于兩個相向傳播的光波方程式(2)和式(3)，它們相互疊加形成的駐波將會在腔內(nèi)形成光場強(qiáng)度的周期性空間分布，器件量子效率由于受到光場強(qiáng)度分布的影響，將是有源層在光場中位置的函數(shù)，稱為駐波效應(yīng)(Standing Wave Effect，SWE)。正是SWE的存在使得RCE器件具有波長選擇性和諧振波長處的增強(qiáng)效應(yīng)。
    駐波效應(yīng)在量子效率公式中可以方便表示為有效吸收系數(shù)αeff=SWE·α，它隨有源層位置的不同而表現(xiàn)為增強(qiáng)或減弱效應(yīng)。
   
    假設(shè)吸收區(qū)之外的吸收系數(shù)可忽略，而吸收區(qū)的吸收系數(shù)為常數(shù)，則：
   
    腔內(nèi)駐波的前向分量(Ef)與后向分量(Eb)由式(2)和式(3)給出，總電場E及其強(qiáng)度為：

    圖3所示為基于GaAs材料的RCE光探測器由式(11)計(jì)算得出的依賴于光波長的腔內(nèi)光場強(qiáng)度分布，可以看出RCE器件內(nèi)部光場強(qiáng)度隨位置和波長呈現(xiàn)周期性變化，顯示出駐波效應(yīng)的影響。
    將式(11)代入式(8)，略去與波長無關(guān)的因子，得到駐波效應(yīng)與諧振腔參數(shù)的關(guān)系：
   

    圖4(a)波長顯示了SWE在不同有源層厚度時對波長的依賴關(guān)系。d≈λo／4n(實(shí)線)時，SWE在0．35到1．7之間變動，這使得器件對不同波長的光響應(yīng)有劇烈的變化。當(dāng)d≈λ0／2n(虛線)時，駐波效應(yīng)較為微弱，這是因?yàn)橛性磳痈采w了整個的半周期。其中器件的底部反射鏡由20個周期的GaAs／AlAs DBR構(gòu)成，頂部反射鏡由本征GaAs與空氣界面充當(dāng)，(L1=L2=2μm)。對于一個理想的底部反射鏡(r2=1，ψ2=0)和實(shí)頂鏡反射率(ψ1=0)，L1=L2(有源層居中)，駐波效應(yīng)可簡化為：
   
    式中，±對應(yīng)于有源層中心位于駐波最大和最小處的情況。SWE的極端情況如圖4(b)標(biāo)準(zhǔn)化活動層厚度所示，該圖也顯示出了當(dāng)有源層越來越厚時，SWE的作用也逐漸減小。

3 RCE器件的波長選擇特性分析
    對于RCE器件，在非諧振波長位置(例如：2βL+ψ1+ψ2=(2m+1)π，m=1，2，3…)，腔內(nèi)光場的幅值將由于前向與后向光波相消干涉的影響而減小，因而RCE器件只在其諧振波長附近很窄的范圍內(nèi)具有高量子效率，從而表現(xiàn)出波長選擇特性。

4 結(jié)束語
    這種諧振腔增強(qiáng)型光探測器將光學(xué)濾波器和光電探測器通過F—P微腔巧妙地集成在一起，其獨(dú)特結(jié)構(gòu)解決了普通光探測器量子效率與載流子渡越時間相互制約的問題，使其在量子效率和響應(yīng)速度方面獲得很大改進(jìn)。其具有的波長選擇特性，使這種新型器件可廣泛應(yīng)用于包括光探測器、光調(diào)制器、發(fā)光二極管等多種光電器件。