一種新型諧振腔增強型光電探測器的性能分析

趙維

（渭南師范學院計算機科學系，陜西渭南714000）

隨著光波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）通信技術的發展，具有波長選擇特性和高響應速度的光探測器已經在光通信中顯示出了它的巨大優勢。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的基本結構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[1]，因而有可能成為波分復用光纖通信系統中的新一代光探測器。

1 RCE器件的結構及量子效率分析

量子效率是用來表征光電轉換效率的物理量，定義式為

式中，Lp是光生電流強度，E0是電子電荷，P0是入射光強度。

圖1為RCE器件的結構原理圖。圖中，吸收區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成，吸收區與頂部DBR和底部DBR之間的隔離區也為寬禁帶材料。在實際應用中，器件的反射鏡一般由介質或半導體材料的1/4波長堆棧構成，簡化設計時，頂鏡可以利用半導體材料和空氣的界面構成，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，其材料吸收系數由αex表示。頂鏡與底鏡的場反射系數分別為r1e-iψ1和r2e-iψ2

，其中ψ1、ψ2表示由于光場透射反射鏡而引起的相位偏移[2]。入射光波電場分量Ei的透射部分等于t1Ei。諧振腔內的前向傳輸波電場分量Ef即由上述透射分量及腔內反射組成。

圖1 RCE探測器的結構分析模型

圖1中z=0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腔鏡的反射得到：

此時，有源區吸收光功率（Pl）可以從入射光功率Pi得到：

假設所有光生載流子均對探測器電流有貢獻，則η即是吸收光功率與入射光功率之比值，即η=Pl/Pi，可得出：

式中，αc=（αexL1+αexL2+αd）/L。

在實際的探測器設計中，有源層以外的材料（αex為5～10 cm）對光的吸收（主要來自自由載流子吸收）與有源層（α≥104 cm）相比可以忽略，所以式（5）中的αex可以忽略不計，這樣η為：

式（6）右側大括號內的參數代表了腔的量子效率增強效應，當R2=0時該增強因子為1，此時式（6）給出的是傳統探測器的量子效率。圖2顯示了η對波長的依賴關系。三條曲線分別對應于頂鏡反射率R1為0．9，0．3和0．05時的情況（其中實線為－0．9，點線為－0．3，段線為－0．05），其余參數設定為底鏡反射率R2=0．9，αd=0．1，L=2 μm。η周期性地在諧振波長處，即2βL+ψ1+ψ2=2mπ（m=1，2，3．．）得到增強。

圖2 RCE器件量子效率在頂鏡反射率變化下的波長依賴性特性

圖3 RCE器件中的基于光波長的光場分布特性

圖2中的平直虛線即代表在相同有源層厚度（αd=0．1）情況下傳統光探測器所能達到的量子效率，兩種探測器的對比是很明顯的。傳統光探測器在很寬的波長范圍內具有基本恒定的量子效率，最大量子效率也不超過0．1[5]，而RCE型光探測器可以通過設計在特定波長處獲得極大增強的量子效率。這就是諧振腔對量子效率的增強作用[3]。

RCE器件的量子效率最大值條件為：R1=R2e－2αd，恰當地選擇器件參數可以使RCE PD的量子效率達到近乎100%的理論值。

2 RCE器件的駐波效應分析

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形成光場強度的周期性空間分布，器件量子效率由于受到光場強度分布的影響，將是有源層在光場中位置的函數，稱為駐波效應（Standing Wave Effect，SWE）[6]。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效應。

駐波效應在量子效率公式中可以方便表示為有效吸收系數αeff=SWE·α，它隨有源層位置的不同而表現為增強或減弱效應。

假設吸收區之外的吸收系數可忽略，而吸收區的吸收系數為常數，則：

腔內駐波的前向分量（Ef）與后向分量（Eb）由式（2）和式（3）給出，總電場E及其強度為：

將式（2）和式（4）代入式（10），并假設α=0，得：

圖3所示為基于GaAs材料的RCE光探測器由式（11）計算得出的依賴于光波長的腔內光場強度分布，可以看出RCE器件內部光場強度隨位置和波長呈現周期性變化，顯示出駐波效應的影響。

將式（11）代入式（8），略去與波長無關的因子，得到駐波效應與諧振腔參數的關系：

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系。d≈λ0/4n（實線）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有劇烈的變化。當d≈λ0/2n（虛線）時，駐波效應較為微弱，這是因為有源層覆蓋了整個的半周期。其中器件的底部反射鏡由20個周期的GaAs/AlAs DBR構成，頂部反射鏡由本征GaAs與空氣界面充當，（L1=L2=2 μm）。對于一個理想的底部反射鏡（r2=1，ψ2=0）和實頂鏡反射率（ψ1=0），L1=L2（有源層居中），駐波效應可簡化為：

式中，±對應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）標準化活動層厚度所示，該圖也顯示出了當有源層越來越厚時，SWE的作用也逐漸減小。

圖4 駐波效應對波長及吸收層厚度d的依賴性

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具有高量子效率，從而表現出波長選擇特性[4]。

4 結束語

這種諧振腔增強型光探測器將光學濾波器和光電探測器通過F-P微腔巧妙地集成在一起，其獨特結構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速度方面獲得很大改進。其具有的波長選擇特性，使這種新型器件可廣泛應用于包括光探測器、光調制器、發光二極管等多種光電器件。

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[2]Jervase J A，Zebda Y.Characteristic analysis of resonant cavity enhanced（RCE）photo detectors[J].IEEE J.of Quantum Electron，1998，34（7）：25-27.

[3]Selim M，Unlu，et al，Resonant cavity enhanced photonic devices[J].Appl.Phys，1995，78（2）：55-56.

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[5]顧聚興.用于傅里葉變換紅外光譜學的光電探測器[J].紅外，2006，5（10）：26-27.

[6]雒偉偉，黃永清.一種改進光探測器高速性能的新方法[J].光電子.激光，2009（5）：50-52.