蘑菇型RCE光探测器中谐振腔结构的设计和优化
发布时间：2021-09-23 06:40
在新一代高速光通信系统的发展驱动之下,光电子器件的发展越来越迅速。在垂直型PIN光探测器中,带宽和量子效率之间存在固有的相互制约关系,因而有各种新型结构的光探测器发展起来,谐振腔增强型光探测器（resonant cavity-enhanced photodetector,RCE）就是其中的一种。近年来,由于具有优良的光场调控特性,集成亚波长光栅（sub-wavelength gratings,SWG）的光电子器件发展非常迅速,其中,集成亚波长光栅的光探测器也受到广泛关注。本文以非周期亚波长光栅的偏转相位控制为核心展开。首先,介绍非周期亚波长光栅的理论分析方法,设计了偏转角度为1度的高反射率光栅偏转反射镜。其次,用该反射镜替换传统法布里-珀罗谐振腔（Fabry-Perot cavity,F-P cavity）的顶部反射镜,提出了一种新型的光栅法布里-珀罗谐振腔,该谐振腔的优点是可以控制振荡光场的宽度。最后,提出了该光栅谐振腔的应用——基于光栅谐振腔的蘑菇型RCE光探测器。器件集合了蘑菇型结构和RCE光探测器的优点,同时实现了 1 nm的窄线宽、95%的峰值量子效率和45 GHz的3 dB...
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２具有ＳＷＧ结构的ＲＣＥ光探测器结构示意图［４］??
更加有利于器件的设计和集成。??２００９年，北京邮电大学任晓敏课题组成员将亚波长光栅集成在ＲＣＥ光探测??器中ｔ４］，其结构示意图如图１－２所示。传统ＤＢＲ作为ＲＣＥ光探测器的上下反射??镜时存在带宽小和反射率低的缺点，而利用亚波长光栅作为上下反射镜的ＲＣＥ??光探测器峰值量子效率接近９０?％。??画國＿［國國疆：——??；：＇?，：：?——空间层??———吸＿??－—空间层??ＤＢＲ??Ｌ＿圖＿?＿?＿國一－亚波长光概??图１－２具有ＳＷＧ结构的ＲＣＥ光探测器结构示意图［４］??２０１０年，在Ｎａｔｕｒｅ?Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ期刊上，Ｄａｖｉｄ?Ｆａｔｔａｌ博士指出了利用非周期亚??波长光栅可以在实现高反射率的同时实现光束的汇聚［５］。此外，文章中还对比分??析了几种不同厚度的非周期光栅反射镜，指出了可以通过调整光栅的结构参数调??整汇聚性能。该亚光栅光栅汇聚反射镜的相位响应和磁场强度如下图１－３所示。??２??
可以实现偏振分束的功能。２０１８年，北京邮电大学任晓敏课题组成员提出了一??种基于二维聚焦光栅的偏振无关的高速光电探测器［６），它在二维非周期聚焦光栅??上集成了蘑菇台面ＰＩＮ结构，其结构示意图如图１－４所示。蘑菇台面的ＰＩＮ光??电探测器由于其低电阻容量ＲＣ时间常数而表现出高频响应。二维非周期聚焦??光栅不仅可以提高器件的外量子效率，还可以提高其反射和聚焦能力，并且对入??射光的偏振也不敏感。该器件的外量子效率为４４．７１?％，测量的３?ｄＢ带宽高达??３２?ＧＨｚ。??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??ｙ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｐ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??ｉ?１?１崎少１?１??去！?ｉ??ｉ?Ｙ／１?＼＼?ｉ?亚波长光栅??■?■ｉｉｉｉｉｊｉｉｉｉｌｉ丨丨—■■丨■丨ｉ丨■■丨丨丨＿??罐??图１－４基于二维反射汇聚光柵的蘑菇型光探测器结构示意图丨６】??１．１．２光电探测器??光电探测器是将入射光信号变成电信号输出的半导体器件。光电探测器的核??心原理是光电效应。光电效应ｍ?（Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｅｆｆｅｃｔ），也称为光生伏特效应，是??指物质在受到一定频率的光子照射后，激发出电子然后产生电流的现象。１８８７??年，德国物理学家赫兹最早发现了光电效应。在１９０５年，爱因斯坦提出了光电??效应的正确解释
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能波导集成型锗pin光电探测器的制备[J]. 刘道群,李志华,冯俊波,唐波,张鹏,王桂磊. 微纳电子技术. 2018(05)
[2]一维增透亚波长光栅的研究[J]. 江孝伟,武华. 发光学报. 2017(02)
[3]High-reflectivity high-contrast grating focusing reflector on silicon-on-insulator wafer[J]. 房文敬,黄永清,段晓峰,刘凯,费嘉瑞,任晓敏. Chinese Physics B. 2016(11)
[4]亚波长抗反射光栅的设计[J]. 田锟,邹永刚,海一娜,王丹,白云峰,范杰,王海珠,马晓辉. 中国激光. 2016(09)
[5]高反射、高透射和高Q谐振的纳米光栅结构设计及物理分析[J]. 武华,李冲,郭霞. 北京工业大学学报. 2015(12)
[6]一种设计环形汇聚光栅反射镜的新方法[J]. 马长链,黄永清,段晓峰,任晓敏,王琦,王俊,张霞,蔡世伟. 物理学报. 2014(24)
[7]High-transmittivity non-periodic sub-wavelength high-contrast grating with large-angle beam-steering ability[J]. 马长链,黄永清,段晓峰,任晓敏. Chinese Optics Letters. 2014(12)
[8]光通信波段亚波长光栅偏振器的设计与分析[J]. 蔡二飞,黄永清,段晓峰,王亭亭,任晓敏. 半导体光电. 2013(03)
[9]三层亚波长光栅结构的透射特性(英文)[J]. 褚金奎,张英杰,王志文,金仁成. 纳米技术与精密工程. 2013(05)
[10]亚波长光栅偏振器的研究现状与发展前景[J]. 朱久凯,吴福全,任树锋,李志焕,杨海磊,彭敦云. 激光杂志. 2012(06)
硕士论文
[1]Ⅲ-Ⅴ族半导体雪崩光电二极管特性研究[D]. 王欣.兰州大学 2018
[2]蘑菇型光探测器及其关键工艺研究[D]. 陈海浪.北京邮电大学 2018
[3]光通信系统中的新型高折射率差亚波长光栅的研究[D]. 张敏.北京邮电大学 2018
本文编号：3405227
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２具有ＳＷＧ结构的ＲＣＥ光探测器结构示意图［４］??
更加有利于器件的设计和集成。??２００９年，北京邮电大学任晓敏课题组成员将亚波长光栅集成在ＲＣＥ光探测??器中ｔ４］，其结构示意图如图１－２所示。传统ＤＢＲ作为ＲＣＥ光探测器的上下反射??镜时存在带宽小和反射率低的缺点，而利用亚波长光栅作为上下反射镜的ＲＣＥ??光探测器峰值量子效率接近９０?％。??画國＿［國國疆：——??；：＇?，：：?——空间层??———吸＿??－—空间层??ＤＢＲ??Ｌ＿圖＿?＿?＿國一－亚波长光概??图１－２具有ＳＷＧ结构的ＲＣＥ光探测器结构示意图［４］??２０１０年，在Ｎａｔｕｒｅ?Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ期刊上，Ｄａｖｉｄ?Ｆａｔｔａｌ博士指出了利用非周期亚??波长光栅可以在实现高反射率的同时实现光束的汇聚［５］。此外，文章中还对比分??析了几种不同厚度的非周期光栅反射镜，指出了可以通过调整光栅的结构参数调??整汇聚性能。该亚光栅光栅汇聚反射镜的相位响应和磁场强度如下图１－３所示。??２??
可以实现偏振分束的功能。２０１８年，北京邮电大学任晓敏课题组成员提出了一??种基于二维聚焦光栅的偏振无关的高速光电探测器［６），它在二维非周期聚焦光栅??上集成了蘑菇台面ＰＩＮ结构，其结构示意图如图１－４所示。蘑菇台面的ＰＩＮ光??电探测器由于其低电阻容量ＲＣ时间常数而表现出高频响应。二维非周期聚焦??光栅不仅可以提高器件的外量子效率，还可以提高其反射和聚焦能力，并且对入??射光的偏振也不敏感。该器件的外量子效率为４４．７１?％，测量的３?ｄＢ带宽高达??３２?ＧＨｚ。??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??ｙ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｐ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??ｉ?１?１崎少１?１??去！?ｉ??ｉ?Ｙ／１?＼＼?ｉ?亚波长光栅??■?■ｉｉｉｉｉｊｉｉｉｉｌｉ丨丨—■■丨■丨ｉ丨■■丨丨丨＿??罐??图１－４基于二维反射汇聚光柵的蘑菇型光探测器结构示意图丨６】??１．１．２光电探测器??光电探测器是将入射光信号变成电信号输出的半导体器件。光电探测器的核??心原理是光电效应。光电效应ｍ?（Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｅｆｆｅｃｔ），也称为光生伏特效应，是??指物质在受到一定频率的光子照射后，激发出电子然后产生电流的现象。１８８７??年，德国物理学家赫兹最早发现了光电效应。在１９０５年，爱因斯坦提出了光电??效应的正确解释
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能波导集成型锗pin光电探测器的制备[J]. 刘道群,李志华,冯俊波,唐波,张鹏,王桂磊. 微纳电子技术. 2018(05)
[2]一维增透亚波长光栅的研究[J]. 江孝伟,武华. 发光学报. 2017(02)
[3]High-reflectivity high-contrast grating focusing reflector on silicon-on-insulator wafer[J]. 房文敬,黄永清,段晓峰,刘凯,费嘉瑞,任晓敏. Chinese Physics B. 2016(11)
[4]亚波长抗反射光栅的设计[J]. 田锟,邹永刚,海一娜,王丹,白云峰,范杰,王海珠,马晓辉. 中国激光. 2016(09)
[5]高反射、高透射和高Q谐振的纳米光栅结构设计及物理分析[J]. 武华,李冲,郭霞. 北京工业大学学报. 2015(12)
[6]一种设计环形汇聚光栅反射镜的新方法[J]. 马长链,黄永清,段晓峰,任晓敏,王琦,王俊,张霞,蔡世伟. 物理学报. 2014(24)
[7]High-transmittivity non-periodic sub-wavelength high-contrast grating with large-angle beam-steering ability[J]. 马长链,黄永清,段晓峰,任晓敏. Chinese Optics Letters. 2014(12)
[8]光通信波段亚波长光栅偏振器的设计与分析[J]. 蔡二飞,黄永清,段晓峰,王亭亭,任晓敏. 半导体光电. 2013(03)
[9]三层亚波长光栅结构的透射特性(英文)[J]. 褚金奎,张英杰,王志文,金仁成. 纳米技术与精密工程. 2013(05)
[10]亚波长光栅偏振器的研究现状与发展前景[J]. 朱久凯,吴福全,任树锋,李志焕,杨海磊,彭敦云. 激光杂志. 2012(06)
硕士论文
[1]Ⅲ-Ⅴ族半导体雪崩光电二极管特性研究[D]. 王欣.兰州大学 2018
[2]蘑菇型光探测器及其关键工艺研究[D]. 陈海浪.北京邮电大学 2018
[3]光通信系统中的新型高折射率差亚波长光栅的研究[D]. 张敏.北京邮电大学 2018
本文编号：3405227
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