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用WDM(Wavelength Division Multiplexing)系統(tǒng)中獲得廣泛應用。
關鍵詞：諧振腔增強型(RCE)；光電探測器；量子效率；駐波效應

隨著光波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)通信技術的發(fā)展，具有波長選擇特性和高響應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中。由于諧振腔的增強效應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，提高了器件的響應速度，因而能夠解決傳統(tǒng)探測器量子效率和響應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。在實際應用中，器件的反射鏡一般由介質(zhì)或半導體材料的1／4波長堆棧構(gòu)成，簡化設計時，頂鏡可以利用半導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：