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基于环形腔结构的波长选择光探测器及激光器的研究

陈海波  
【摘要】: 半导体微型谐振腔(环形、盘形、球形)由于其结构紧凑、波长可选、易于大规模平面集成等优点在滤波、复用/解复用、波长转换等领域得到了广泛的关注;基于环形、盘形、球形谐振腔的激光器已经得到了深入的研究,但是基于微型谐振腔的探测器的研究还相对较少,目前国际上尚未实现器件整体都由半导体材料制成的环形腔光探测器。基于微型谐振腔的半导体光探测器不仅兼具谐振腔增强型(RCE)和波导型光探测器之长,即具有高速、高量子效率、波长可选等优点,还由于其体积小、入光方向平行于基片等优点,在未来大规模的光电子集成(OEIC)和密集波分复用(DWDM)光纤系统中有着巨大的应用前景。 本论文的工作是围绕任晓敏教授任首席科学家的国家重点基础研究发展规划项目(973计划项目,项目编号:2003CB314901,2003CB314902)、教育部“新世纪人才支持计划(项目编号:NCET-05-01111)、国家自然基金(项目编号:60576018)、国家自然基金重点项目(项目编号:90601002)、北京市“科技新星计划”(项目编号:2006A46)、国际科技合作重点项目计划项目(项目编号:2006DFB11110)展开的。 本文主要针对基于环形腔结构的波长选择光探测器进行了深入的理论分析和参数设计,并对环形腔光探测器进行了实验上的探索:采用InP/InGaAsP材料制作了含InGaAs吸收层的环形及跑道形谐振腔,其波导宽度为3μm,直波导和谐振腔的间距为1μm,环形谐振腔的半径为80μm,跑道形谐振腔的半径为80μm,连接环形部分的直波导长度为30μm,测试了波长选择性能,取得了较好的实验结果。本文主要研究成果如下: 1、通过三维光波导的模式耦合理论结合传输矩阵方法解析的求出了边耦合和垂直耦合情况下直波导和环形波导的耦合系数,并用该表达式分析了波导宽度、厚度、直波导和环形波导间距和环形波导半径对耦合系数的影响。分析结果表明,耦合系数随波导宽度、厚度和直波导与环形波导间距的增大而减小,随环形波导半径的增大而增大。 2、提出了一种基于半导体环形谐振腔结构的光探测器。该探测器的滤波和吸收部分相分离,滤波部分由低损耗的微环形谐振腔构成。与滤波和吸收功能在同一环形腔内实现的光探测器相比,该探测器解决了吸收效率和光谱线宽之间的制约关系。首次推导出了该光探测器量子效率的表达式,得出了器件量子效率、光谱线宽与环半径的关系。分析结果表明,在完全耦合(即透射端口的输出光强为零时)的情况下,该探测器的量子效率理论上可以达到1。 3、提出了一种新型的吸收层在环形腔内的光探测器,该探测器的吸收层部分只占环形腔的一部分。采用模式耦合理论和光束传播法(BPM)方法分析了耦合系数和吸收层所占腔长比例与量子效率间的关系。结果表明:在环形谐振腔半径为80μm时,环形腔光探测器的量子效率可达85%,光谱线宽可达0.4nm(FWHM)。 4、首次用InP/InGaAsP材料制备了含有InGaAs吸收层的环形和跑道形谐振腔光探测器。测试了波长选择性能,对于半径为80μm圆形谐振腔,其透射光谱的自由光谱范围(FSR)为0.75μm,FWHM为0.5μm;对于半径为80μm,直波导长度为30μm的跑道形谐振腔,其透射光谱的FSR为0.7μm,FWHM为0.4μm。 5、用直波导和环形波导耦合系数的表达式结合半导体激光器自再现条件求得了环形半导体激光器阈值增益的解析表达式,利用该表达式对影响阈值增益的各参数进行了分析。分析结果表明:阈值增益随波导宽度和厚度、波导间距的增大而增大,随环形激光器半径的增大而减小;输出耦合随波导宽度和厚度、波导间距的增大而减小,随环形激光器半径的增大而增大。该方法与数值计算方法相比,物理图像清晰、计算量小、节省了大量的计算时间。


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