基于金属交叉电极耦合谐振腔增强结构的高性能光电探测器研究

摘要

光电探测器是光纤通信系统的基本器件，也是混频法产生无线波的重要元件。随着高速光纤通信和太赫兹（THz）波的发展，这就要求光电探测器向高速方向发展。金属-半导体-金属交叉电极具有很低的电容而被广泛地应用于高速光电探测器和 THz混频器（THz混频器是一种超高速的光电探测器）中。
　　响应度是高速光电探测器一个非常重要的物理量，它决定了转化的电信号能否被探测到和输出的THz能否可利用。响应度的大小与量子效率和光的透射率两个方面有关，因此，增加金属交叉电极高速探测器的量子效率和透射率是一个亟待解决的问题。谐振腔增强结构能在较薄的吸收层上得到很高的量子效率；金属交叉电极的间距减少到亚波长级别时，它还具有对光透射增强和充当反射镜的功能。本文把几种结构不同的金属交叉电极与谐振腔增强结构耦合起来，得到了高速、高响应度的高性能光电探测器。全文的研究内容主要包括以下几个方面：
　　（1）研究了混频法产生THz波的基本原理，从THz混频器的工作原理出发推导出THz波输出功率的计算公式，分析了影响输出功率的因素，发现了增强量子效率是提高输出功率的最佳方法。然后提出了在普通 THz混频器上耦合一个谐振腔增强结构，并分析了谐振腔结构对THz输出功率的影响。得到了谐振腔的最高量子效率为93％，以及它的低频THz波输出功率为非谐振腔结构的8倍。
　　（2）推导了亚波长金属单狭缝的透射率计算公式，详细地分析了影响透射率的几种因素。根据亚波长金属单狭缝可以形成透射增强、充当反射镜和提供低电容电极的三重功能，提出了亚波长金属单狭缝的级联腔结构光电探测器。主要分析了金属狭缝对探测器性能的影响，狭缝的第一级谐振高度都为320nm，当狭缝的宽度为60nm时，级联腔结构探测器与普通结构的相比，响应度提高为80。并得到了此结构的3dB响应带宽为150GHz。
　　（3）基于亚波长金属单狭缝光电探测器的应用局限性和亚波长金属光栅也具有的三重功能，以及金属薄层具有反射率高和制作工艺简单的特性，提出了亚波长金属光栅的级联腔结构光电探测器。对亚波长金属光栅的结构进行了优化，当光栅的周期为820nm、狭缝宽度为220nm和狭缝高度为272nm时，级联腔结构探测器的响应度是普通结构的27倍，此外，它的3dB响应带宽为220GHz。
　　（4）根据缺陷亚波长金属光栅具有削弱水平方向的表面等离子体和减少谐振腔的顶部反射率的特点，提出了缺陷亚波长金属光栅耦合谐振腔结构的光电探测器。主要分析了缺陷的折射率对响应度的影响。优化参数后的探测器与普通光栅结构的相比，响应度提高为4.5。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 高性能光电探测器的基本物理量

1.3 高性能光电探测器的研究现状

1.4 高性能光电探测器的电极结构和吸收材料

1.5 本文的工作

2 基于谐振腔增强结构的THz混频器

2.1 引言

2.2 光子混频的基本理论

2.3 光子混频法产生THz波的工作原理

2.4 谐振腔增强结构

2.5 THz混频器的结构设计及优化

2.6 本章小结

3 基于亚波长金属单狭缝的级联腔结构光电探测器

3.1 引言

3.2 表面等离子的基本理论

3.3 电磁场的模拟

3.4 亚波长金属单狭缝的透射增强

3.5 级联腔结构的提出及结构优化

3.6 本章小结

4 基于亚波长金属光栅的级联腔结构光电探测器

4.1 引言

4.2 亚波长金属光栅的透射机制

4.3 探测器的结构设计及优化

4.4 本章小结

5 基于缺陷亚波长金属光栅耦合腔结构的光电探测器

5.1 引言

5.2 缺陷光栅结构的探测器

5.3 缺陷部分折射率的优化

5.4 本章小结

6 全文的总结和展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录