基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)選擇光探測(cè)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(zhǎng)可選、易于大規(guī)模平面集成等優(yōu)點(diǎn)在濾波、復(fù)用/解復(fù)用、波長(zhǎng)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(cè)器的研究還相對(duì)較少，目前國(guó)際上尚未實(shí)現(xiàn)器件整體都由半導(dǎo)體材料制成的環(huán)形腔光探測(cè)器?；谖⑿椭C振腔的半導(dǎo)體光探測(cè)器不僅兼具諧振腔增強(qiáng)型(RCE)和波導(dǎo)型光探測(cè)器之長(zhǎng)，即具有高速、高量子效率、波長(zhǎng)可選等優(yōu)點(diǎn)，還由于其體積小、

2、入光方向平行于基片等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2003CB314901，2003CB314902)、教育部“新世紀(jì)人才支持計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào)：NCET-05-0111)、國(guó)家自然基金(項(xiàng)目編號(hào)：60576018)、國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：90601002)

3、、北京市“科技新星計(jì)劃”(項(xiàng)目編號(hào)：2006A46)、國(guó)際科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2006DFB11110)展開的。 本文主要針對(duì)基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)選擇光探測(cè)器進(jìn)行了深入的理論分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，并對(duì)環(huán)形腔光探測(cè)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度為30μm，測(cè)試了波長(zhǎng)選擇性能，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文主要研究成果如下： 1、通過(guò)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(duì)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(cè)器。該探測(cè)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(shí)現(xiàn)的光探測(cè)器相比，該探測(cè)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(cè)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(shí))的情況下，該探測(cè)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(cè)器，該探測(cè)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(zhǎng)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(shí)，環(huán)形腔光探測(cè)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(cè)器。測(cè)試了波長(zhǎng)選擇性能，對(duì)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(duì)于半徑為80μm，直波導(dǎo)長(zhǎng)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(duì)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)