一種新型諧振腔增強型光電探測器的性能分析

摘要：通過理論探討和實驗仿真，分析了一種新型諧振腔增強型光電探測器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是光生電流強度，Eo是電子電荷，Po是入射光強度。

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)可以通過計算前向傳輸光波經(jīng)腔鏡的反射得到：