Фотодетектор с резонансным резонатором

с резонансным резонатором Фотодетекторы , также известные как фотодетекторы RCE , представляют собой датчики, предназначенные для обнаружения света или других форм электромагнитного излучения. Они достигают этого, используя оптический резонатор , конфигурацию зеркал или других оптических элементов, которые образуют резонатор полости для световых волн , что позволяет более эффективно нацеливаться на определенные длины волн.

В фотодетекторах RCE активная структура устройства фотодетектора размещается внутри интерферометра Фабри – Перо . Интерферометр имеет две параллельные поверхности, между которыми может резонировать свет выбранной длины волны , усиливая оптическое поле . Хотя структура активного устройства детекторов RCE остается близкой к структуре обычных фотодетекторов, эффект усиления оптического резонатора позволяет делать фотодетекторы RCE тоньше и, следовательно, быстрее, одновременно увеличивая квантовую эффективность на резонансных длинах волн .

Преимущества

Квантовая эффективность обычных детекторов определяется оптическим поглощением (электромагнитным излучением) материала полупроводникового . Для полупроводников с низкими коэффициентами поглощения требуется более толстая область поглощения для достижения адекватной квантовой эффективности , но за счет полосы пропускания обработки сигналов фотодетектора.

Детектор RCE может иметь значительно более широкую полосу пропускания, чем обычный детектор. Конструктивная интерференция резонатора Фабри – Перо усиливает оптическое поле внутри фотодетектора на резонансных длинах волн для достижения квантовой эффективности , близкой к единице. Более того, оптический резонатор делает детекторы RCE селективными по длине волны, что делает фотодетекторы RCE привлекательными для с низкими перекрестными помехами длин волн демультиплексирования . ^{[ жаргон ]} Улучшенная квантовая эффективность снижает энергопотребление, а более высокая пропускная способность приводит к более быстрой работе.

Фотодетекторы RCE обладают как селективностью по длине волны, так и высокой скоростью отклика, что делает их идеальными для приложений мультиплексирования с разделением по длине волны . Оптическим модуляторам, расположенным в оптическом резонаторе, требуется меньше квантовых ям для поглощения той же доли падающего света, и поэтому они могут работать при более низких напряжениях. В случае излучателей полость изменяет спонтанное излучение светодиодов (СИД) , улучшая их спектральную чистоту и направленность .

Таким образом, системы оптической связи могут работать намного быстрее, иметь большую пропускную способность и становиться более надежными. Датчики камеры могут обеспечить большее разрешение, лучшую контрастность и меньше искажений. По этим причинам можно ожидать, что устройства RCE будут играть растущую роль в оптической электронике . в ближайшие годы ^{[ нужна ссылка ]}

Теория фотодетекторов RCE

По сравнению с обычными фотодиодами фотодетекторы RCE могут обеспечить более высокую квантовую эффективность , более высокую скорость обнаружения, а также обеспечивать селективное обнаружение по длине волны.

Квантовая эффективность фотодетекторов RCE

Ожидается, что фотодетекторы RCE будут иметь более высокую квантовую эффективность η, чем обычные фотодиоды . Формулировка η для устройств RCE дает представление о критериях проектирования.

Обобщенная схема фотодетектора RCE, показанная на рисунке 1, может дать необходимую теоретическую модель фотодетектирования . Тонкая поглощающая область толщиной d расположена между двумя относительно менее поглощающими областями, подложками, толщиной L ₁ и L ₂ . Оптический резонатор (DBR) с периодом λ/4 образован распределенным брэгговским отражателем , изготовленным из непоглощающих материалов с большей запрещенной зоной, на конце подложки. Переднее зеркало имеет коэффициент пропускания t ₁ и, как правило, имеет более низкую отражательную способность , чем зеркало сзади (R ₁ < R ₂ ). Коэффициент пропускания t ₁ позволяет свету проникать в полость, а коэффициент отражения R ₁ (=r ₁²) и R ₂ (=r ₂²) обеспечивает оптическое ограничение в резонаторе.

Активная область и область подложки имеют коэффициенты поглощения α и α _ex соответственно. поля Коэффициенты отражения переднего и заднего зеркал равны $r_{1}e^{-j\phi _{1}}$ и $r_{2}e^{-j\phi _{2}}$ соответственно, где ф ₁ и ф ₂ — фазовые сдвиги, обусловленные проникновением света (см. Глубина проникновения ) в зеркала.

Оптический микрорезонатор позволяет создавать оптическое поле внутри оптического резонатора . По сравнению с обычным детектором, где свет поглощается за один проход через область поглощения, в детекторах RCE захваченный свет поглощается каждый раз, когда он проходит через область поглощения.

Квантовая эффективность $\eta$ для детектора RCE определяется следующим образом:

\eta =(1-R_{1})(1-e^{-\alpha d})\left[{\frac {(e^{-\alpha _{ex}L_{1}}+r_{2}^{2}e^{-\alpha _{ex}L_{2}-\alpha _{c}L})}{1-2r_{1}r_{2}e^{-\alpha _{c}L}\cos(2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2})+(r_{1}r_{2})^{2}e^{-\alpha _{c}L}}}\right]

Здесь $\alpha _{c}={\frac {\alpha _{\text{ex}}L_{1}+\alpha _{\text{ex}}L_{2}+\alpha d}{L}}$ . В практической конструкции детектора α _ex << α, поэтому α _ex можно пренебречь и $\eta$ может быть дано как:

\eta =(1-R_{1})(1-e^{-\alpha d})\left[{\frac {(1+R_{2}e^{-\alpha d})}{1-2{\sqrt {R_{1}R_{2}}}e^{-\alpha _{c}d}\cos(2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2})+(R_{1}R_{2})e^{-\alpha _{c}d}}}\right]

Термин внутри скобок представляет собой эффект улучшения полости. Это периодическая функция $2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2}$ , который имеет минимум при $2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2}=2m\pi$ . Причем η периодически увеличивается на резонансной длине волны, удовлетворяющей этому условию. Расстояние между резонансными длинами волн определяется свободным спектральным диапазоном резонатора.

Пиковое значение η на резонансной длине волны определяется как:

\eta =(1-R_{1})(1-e^{-\alpha d})\left[{\frac {(1+R_{2}e^{-\alpha d})}{(1-{\sqrt {R_{1}R_{2}}}e^{-\alpha _{c}d})^{2}}}\right]

для тонкого активного слоя при αd<<1 η принимает вид:

\eta =(1-R_{1})\alpha d\left[{\frac {(1+R_{2}e^{-\alpha d})}{(1-{\sqrt {R_{1}R_{2}}}e^{-\alpha _{c}d})^{2}}}\right]

Это значительное улучшение по сравнению с квантовой эффективностью обычного фотодетектора, которая определяется выражением:

\eta =(1-R)\alpha L

.

Это показывает, что более высокая квантовая эффективность может быть достигнута для меньших областей поглощения.

Критическими требованиями к конструкции являются очень высокая отражательная способность заднего зеркала и умеренная толщина поглощающего слоя. На оптических частотах металлические зеркала имеют низкую отражательную способность (94%) при использовании с такими материалами, как GaAs. Это делает металлические зеркала неэффективными для обнаружения RCE. В то время как распределенный отражатель Брэгга (DBR) может обеспечить отражательную способность, близкую к единице, и является идеальным выбором для структур RCE.

Для R ₁ =0,2, R ₂ =0,99 и α=10 ⁴ см ^-1η 0,99 или более может быть достигнуто при d=0,7–0,95 мкм. Аналогично, для разных значений R ₁ можно достичь очень высокого η. Однако R ₁ =0 ограничивает длину области толщины. d>5 мкм позволяет достичь 0,99 η, но за счет ширины полосы пропускания.

Скорость обнаружения фотодиодов RCE

Скорость обнаружения зависит от скоростей дрейфа электронов и дырок. меньшая, И между этими двумя дырками скорость дрейфа чем у электронов. Ограниченная по времени прохождения полоса пропускания обычного штыревого фотодиода определяется выражением:

f_{\text{transit}}=0.45{\frac {v_{h}}{L}}

Однако квантовая эффективность является функцией L следующим образом:

\eta =(1-R)\alpha L

.

Для высокоскоростного детектора при малом значении L, поскольку α очень мало, η становится очень малым (η<<1). Это показывает, что ради оптимального значения квантовой эффективности приходится жертвовать полосой пропускания.

Штыревой фотодетектор RCE может уменьшить область поглощения до гораздо меньшего масштаба. В этом случае носителям также необходимо пройти меньшее расстояние, L ₁ (< L) и L ₂ (< L) для электронов и дырок соответственно.

Длину L1 и L2 также можно оптимизировать, чтобы она соответствовала задержке между дыркой и дрейфом электрона. После этого полоса пропускания перехода определяется выражением:

f_{\text{transit}}=0.45{\frac {v_{h}+v_{e}}{L+d}}

Как и в большинстве полупроводников $v_{e}$ больше, чем $v_{h}$ пропускная способность резко увеличивается.

Сообщалось, что для большого устройства с L = 0,5 мкм может быть достигнута полоса пропускания 64 ГГц, а небольшое устройство с L = 0,25 мкм может обеспечить полосу пропускания 120 ГГц, тогда как обычные фотодетекторы имеют полосу пропускания 10–30 ГГц.

Селективность по длине волны фотодетекторов RCE

Структура RCE может в некоторой степени обеспечить селективность длины волны детектора благодаря резонансным свойствам резонатора. Резонансное состояние резонатора задается как $2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2}=2m\pi$ . При любом другом значении эффективность η уменьшается от максимального значения и обращается в нуль при $2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2}=(2m+1)\pi$ . Расстояние между длинами волн максимумов η разделено свободным спектральным диапазоном резонатора, определяемым как:

FSR={\frac {\lambda ^{2}}{2n_{\text{eff}}(L+L_{{\text{eff}},1}+L_{{\text{eff}},2})}}

Где n _eff — эффективный показатель преломления , а L _eff,i ^{[ нужны разъяснения ]} – эффективные оптические длины пути зеркал.

Утонченность, отношение FSR к FWHM на резонансной длине волны, дает селективность резонатора по длине волны.

{\text{Finesse}}={\frac {\pi (R_{1}R_{2})^{1/4}e^{-{\frac {\alpha d}{2}}}}{(1-{\sqrt {R_{1}R_{2}}}e^{-\alpha _{c}d})^{2}}}

Это показывает, что селективность по длине волны увеличивается с более высокой отражательной способностью и меньшими значениями L.

Требования к материалам для устройств RCE

Предполагаемая превосходная производительность устройств RCE критически зависит от реализации активной области с очень низкими потерями. Это обеспечивает соблюдение следующих условий: зеркало и материалы резонатора не должны поглощать длину волны обнаружения, а зеркало должно иметь очень высокую отражательную способность, чтобы обеспечить максимальное оптическое ограничение внутри резонатора.

Поглощение в резонаторе можно ограничить, сделав ширину запрещенной зоны активной области меньше, чем у резонатора и зеркала. Но большая разница в запрещенной зоне будет препятствовать извлечению фотогенерированных носителей из гетероперехода . Обычно в пределах спектра поглощения сохраняется умеренное смещение.

Различные комбинации материалов удовлетворяют всем вышеуказанным критериям и поэтому используются в схеме RCE. Некоторые комбинации материалов, используемые для обнаружения RCE:

1.GaAs(M,C)/AlGaAs(M)/InGaAs(A) около 830-920нм.

2.InP(C)/In _0,53 Ga _0,47 As(M)/In _0,52 Al _0,48 As(M)/In _0,53–0,7 GaAs(A) около 1550 нм.

3.GaAs(M,C)/AlAs(M)/Ge(A) около 830-920нм.

4.Si(M,C)/SiGe(M)/Ge(A) около 1550нм.

5.GaP(M)/AlP(M)/Si(A,S) вблизи видимой области .

Будущее фотодиодов RCE

Существует множество примеров устройств RCE, таких как штыревой фотодиод, лавинный фотодиод и диод Шоттки , которые успешно подтверждают теорию. Некоторые из них уже используются сегодня, в то время как в будущем есть варианты использования, такие как модуляторы и оптическая логика в системах мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), которые могут повысить квантовую эффективность, рабочую полосу пропускания и селективность по длине волны.

Детекторы RCE предпочтительнее по потенциальной цене и производительности в коммерческих системах WDM. Детекторы RCE имеют очень хороший потенциал для внедрения в системах WDM и значительно улучшают производительность. Существуют различные реализации модуляторов RCE, и существуют огромные возможности для дальнейшего улучшения их производительности. Помимо фотодетекторов, структуры RCE имеют множество других реализаций и очень высокий потенциал повышения производительности. ( Светоизлучающий диод LED) может иметь более узкий спектр и более высокую направленность , чтобы обеспечить лучшее соединение с оптическим волокном и лучшее использование полосы пропускания волокна. Оптические усилители можно сделать более компактными, что позволит снизить мощность, необходимую для накачки, а также снизить стоимость. Фотонная логика будет работать более эффективно, чем сейчас. При простой конструкции будет гораздо меньше перекрестных помех, больше скорость и больше усиления.

См. также

Ссылки

[1] Гоедблед и Йостен; "Тонкопленочные штыревые фотодиоды с внутренним отражением"; Журнал IEEE твердотельных схем, 173–179, том: 13, выпуск: 1 февраля (1978 г.).

[2] Р.Г. Ханспергер, Интегрированная оптика: теория и технология, Нью-Йорк, (1991).

[3] М. Селим Унлу, Сэмюэл Страйт; «Фотонные устройства с резонансным резонатором»; Дж. Прил. Физ. 78, 607 (1995).

[4] К. Кишино. М. С. Унлу, Дж. И. Чи, Дж. Рид, Л. Арсено и Х. Моркоч; «Фотодетекторы с улучшенным резонансным резонатором», IEEE J. Quantum Electron. 27, 2025 (1991).

[5] А.Г. Дентаи, Р. Кучиболта, И.К. Кэмпбелл, К. Цай, К. Лей; «ВЫСОКАЯ КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ДЛИННОВОЛНОВЫЙ МИКРОПОЛОНАТНЫЙ ФОТОДИОД InP/lnGaAs», 7 ноября 1991 г. Vol. 27 Нет 23.

[6] Рави Кучибхотла, Джо К. Кэмпбелл, Джон К. Бин, Ларри Петиколас и Роберт Халл; «Si0.8Ge0.2 /Si брэгговские зеркала: для оптоэлектронных устройств»; Прил. Физ. Летт. 62 (18), 3 мая 1993 г.

[7] Ф. Я. Хуанджа, А. Сальвадор, К. Гуй, Н. Терагучи и Х. Моркок; «Резонансно-резонаторные фотодиоды GaAs/lnGaAs/AIAs с периодической структурой поглотителя»; Приложение. Физ. Л&т. 63 (2), 12 июля 1993 г.

[8] Р. Кучибхотла; А. Шринивасан; Дж. К. Кэмпбелл; К. Лей; Д.Г. Деппе; Ю.С. Он; Б.Г. Стритман; «Низковольтный лавинный фотодиод с высоким коэффициентом усиления»; 354–356, Том: 3 Выпуск: 4, Письма IEEE Photonics Technology Letters, апрель 1991 г.

[9] Ли, З.-М. Ландхир, Д. Вейе, М. Конн, Д. Р. Сарридж, Р. Сюй, Дж. М. Макдональд; «Анализ фотодетектора GaAs/AlGaAs MSM с резонансным резонатором»; 473–476, том: 4, выпуск: 5, IEEE Photonics Technology Letters, май 1992 г.

[10]С. Унлу, К. Кишино, Дж. И. Чи, Л. Арсено, Дж. Рид и Х. Моркоч; «Демультиплексирующий гетеропереходный фототранзистор»; Электрон. Летт. 26, 1857 (1990).