谐振腔增强型光电探测器的特性研究

摘要

新一代光纤通信的发展依赖于半导体光电子器件方面的突破。谐振腔增强型光电探测器(Resonant Cavity Enhanced Photodiode，RCE-PD)，是一种新型垂直腔光电子器件，通过将薄的吸收层置于谐振微腔中，消除了传统PIN型光电探测器的量子效率和响应速率之间的制约关系，因而可以同时获得高响应速率、高量子效率和波长选择性探测，可在无外偏压下工作，特别适用于对波长精度要求极高的DWDM光纤通信系统。本文针对光纤通信中光电探测器的特点及要求，对谐振腔增强型光电探测器进行了详细的理论分析和数值模拟，并对其进行了优化设计。
　　本文首先概述了光纤通信系统的发展，以及波分复用系统中的解复用接收技术和RCE光电探测器产生的相关背景，并对光纤通信用RCE光电探测器的发展历程作了详细综述。接着分析了RCE光电探测器的发展方向，阐述本文的研究内容及意义，为本文的研究工作做了铺垫。然后对RCE光电探测器的一般结构、器件的工作原理和进行理论分析用的光学传输矩阵分析方法做了详细的分析与推导，为后文的分析奠定了理论基础。
　　其次对RCE光电探测器的材料、构成谐振腔的DBR反射镜的结构、器件的整体结构等进行了分析和研究。将现代光学薄膜技术中的“虚设层”理论引入RCE光电探测器的DBR反射镜的分析与设计中，并设计出能用于光纤通信的Si基SiGe吸收层PIN型RCE光电探测器。对所设计的光电探测器的特性包括DBR反射镜的反射率、器件的量子效率等进行了数值模拟仿真和分析，并针对谐振腔探测器的结构特点，分析了驻波效应(SWE)对量子效率的影响和谐振腔的谐振增强效应。
　　最后，结合对RCE光电探测器的数值模拟和分析结果，对器件的结构进行了优化设计，使得器件能够实现高量子效率、高响应速度，对设计制造能符合要求的光纤通信用高性能谐振腔增强型光电探测器具有指导意义。

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第一章 绪论

1.1 光纤通信技术的相关背景

1.2 光器件及光电探测技术

1.3 光纤通信用光电探测器的发展历程

1.4 RCE光电探测器存在的问题及发展方向

1.5 本论文的研究内容及意义

第二章 RCE光电探测器的理论分析

2.1 RCE光电探测器的基本结构

2.2 光电探测器的工作原理

2.3 光学传输矩阵分析方法

2.4 小结

第三章 RCE光电探测器的研究及结构设计

3.1 器件的材料

3.2 构成谐振腔的DBR反射镜的设计

3.3 RCE光电探测器的结构设计

3.4 小结

第四章 RCE光电探测器的数值模拟与分析

4.1 DBR反射镜的反射率

4.2 器件的量子效率

4.3 驻波效应对量子效率的影响

4.4 谐振腔的谐振增强效应

4.5 RCE光电探测器的优化设计

4.5 小结

第五章 总 结

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的成果