一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析

摘要：通过理论探讨和实验仿真，分析了一种新型谐振腔增强型光电探测器RCEP(Resonant Cavity Enhanced Photodetector)的结构及性能，该RCEP的基本结构是将吸收层插入到谐振腔当中，并指出这种新型器件较传统器件可获得较高的量子效率和响应速度，而其具有的波长选择特性，使这种新型器件可在光波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)系统中获得广泛应用。
关键词：谐振腔增强型(RCE)；光电探测器；量子效率；驻波效应

随着光波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)通信技术的发展，具有波长选择特性和高响应速度的光探测器已经在光通信中显示出了它的巨大优势。这里探讨一种新型的光电探测器――谐振腔增强型光电探测器(Resonant Cavity Enhanced Photodetector，RCEP )，该RCEP的基本结构是将吸收层插入到谐振腔当中。由于谐振腔的增强效应使其在较薄的吸收层情况下即可获得较高的量子效率，同时减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，提高了器件的响应速度，因而能够解决传统探测器量子效率和响应速度之间的相互制约矛盾。此外，由于谐振腔的作用使该器件本身具有波长选择特性，无需外加滤波器，因而有可能成为波分复用光纤通信系统中的新一代光探测器。

1 RCE器件的结构及量子效率分析
量子效率是用来表征光电转换效率的物理量，定义式为

式中，Lp是光生电流强度，Eo是电子电荷，Po是入射光强度。

图l为RCE器件的结构原理图。图中，吸收区是一种窄禁带的半导体材料，顶部与底部的DBR由交替的非吸收的宽禁带材料构成，吸收区与顶部DBR和底部DBR之间的隔离区也为宽禁带材料。在实际应用中，器件的反射镜一般由介质或半导体材料的1／4波长堆栈构成，简化设计时，顶镜可以利用半导体材料和空气的界面构成，提供约30％的反射率。吸收层间插在两个端面反射镜之间，其厚度为d，吸收系数为α。吸收层与器件的顶镜和底镜间的间隔由L1和L2表示，其材料吸收系数由αex表示。顶镜与底镜的场反射系数分别为，其中ψ1、ψ2表示由于光场透射反射镜而引起的相位偏移。入射光波电场分量Ei的透射部分等于t1Ei。谐振腔内的前向传输波电场分量Ef即由上述透射分量及腔内反射组成。
图1中z=O处的前向传输光场Ef可以通过自洽得出，即Ef是入射光波的透射分量及其在腔内的反馈之和；

逆向传输波(即z=L处的Eb)可以通过计算前向传输光波经腔镜的反射得到：