基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的波長選擇光探測器及激光器的研究.pdf

1、半導(dǎo)體微型諧振腔(環(huán)形、盤形、球形)由于其結(jié)構(gòu)緊湊、波長可選、易于大規(guī)模平面集成等優(yōu)點在濾波、復(fù)用/解復(fù)用、波長轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注；基于環(huán)形、盤形、球形諧振腔的激光器已經(jīng)得到了深入的研究，但是基于微型諧振腔的探測器的研究還相對較少，目前國際上尚未實現(xiàn)器件整體都由半導(dǎo)體材料制成的環(huán)形腔光探測器?；谖⑿椭C振腔的半導(dǎo)體光探測器不僅兼具諧振腔增強(qiáng)型(RCE)和波導(dǎo)型光探測器之長，即具有高速、高量子效率、波長可選等優(yōu)點，還由于其體積小、

2、入光方向平行于基片等優(yōu)點，在未來大規(guī)模的光電子集成(OEIC)和密集波分復(fù)用(DWDM)光纖系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用前景。 本論文的工作是圍繞任曉敏教授任首席科學(xué)家的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(973計劃項目，項目編號：2003CB314901，2003CB314902)、教育部“新世紀(jì)人才支持計劃(項目編號：NCET-05-0111)、國家自然基金(項目編號：60576018)、國家自然基金重點項目(項目編號：90601002)

3、、北京市“科技新星計劃”(項目編號：2006A46)、國際科技合作重點項目計劃項目(項目編號：2006DFB11110)展開的。 本文主要針對基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的波長選擇光探測器進(jìn)行了深入的理論分析和參數(shù)設(shè)計，并對環(huán)形腔光探測器進(jìn)行了實驗上的探索：采用InP/InGaAsP材料制作了含InGaAs吸收層的環(huán)形及跑道形諧振腔，其波導(dǎo)寬度為3μm，直波導(dǎo)和諧振腔的間距為1μm，環(huán)形諧振腔的半徑為80μm，跑道形諧振腔的半徑為80μm，連

4、接環(huán)形部分的直波導(dǎo)長度為30μm，測試了波長選擇性能，取得了較好的實驗結(jié)果。本文主要研究成果如下： 1、通過三維光波導(dǎo)的模式耦合理論結(jié)合傳輸矩陣方法解析的求出了邊耦合和垂直耦合情況下直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)的耦合系數(shù)，并用該表達(dá)式分析了波導(dǎo)寬度、厚度、直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)間距和環(huán)形波導(dǎo)半徑對耦合系數(shù)的影響。分析結(jié)果表明，耦合系數(shù)隨波導(dǎo)寬度、厚度和直波導(dǎo)與環(huán)形波導(dǎo)間距的增大而減小，隨環(huán)形波導(dǎo)半徑的增大而增大。 2、提出了一種基于半導(dǎo)體環(huán)形諧振

5、腔結(jié)構(gòu)的光探測器。該探測器的濾波和吸收部分相分離，濾波部分由低損耗的微環(huán)形諧振腔構(gòu)成。與濾波和吸收功能在同一環(huán)形腔內(nèi)實現(xiàn)的光探測器相比，該探測器解決了吸收效率和光譜線寬之間的制約關(guān)系。首次推導(dǎo)出了該光探測器量子效率的表達(dá)式，得出了器件量子效率、光譜線寬與環(huán)半徑的關(guān)系。分析結(jié)果表明，在完全耦合(即透射端口的輸出光強(qiáng)為零時)的情況下，該探測器的量子效率理論上可以達(dá)到1。 3、提出了一種新型的吸收層在環(huán)形腔內(nèi)的光探測器，該探測器的吸收

6、層部分只占環(huán)形腔的一部分。采用模式耦合理論和光束傳播法(BPM)方法分析了耦合系數(shù)和吸收層所占腔長比例與量子效率間的關(guān)系。結(jié)果表明：在環(huán)形諧振腔半徑為80μm時，環(huán)形腔光探測器的量子效率可達(dá)85％，光譜線寬可達(dá)0.4nm(FWHM)。 4、首次用InP/InGaAsP材料制備了含有InGaAs吸收層的環(huán)形和跑道形諧振腔光探測器。測試了波長選擇性能，對于半徑為80μm圓形諧振腔，其透射光譜的自由光譜范圍(FSR)為0.75nm，F(xiàn)

7、WHM為0.5nm；對于半徑為80μm，直波導(dǎo)長度為30μm的跑道形諧振腔，其透射光譜的FSR為0.7nm，F(xiàn)WHM為0.4nm 。 5、用直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)耦合系數(shù)的表達(dá)式結(jié)合半導(dǎo)體激光器自再現(xiàn)條件求得了環(huán)形半導(dǎo)體激光器閾值增益的解析表達(dá)式，利用該表達(dá)式對影響閾值增益的各參數(shù)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：閾值增益隨波導(dǎo)寬度和厚度、波導(dǎo)間距的增大而增大，隨環(huán)形激光器半徑的增大而減??；輸出耦合隨波導(dǎo)寬度和厚度、波導(dǎo)間距的增大而減小，隨環(huán)