共振空洞強化型光検出器

共振空洞強化型光検出器（ RCE 光検出器とも呼ばれる）は、光やその他の形態の電磁放射を検出するように設計されたセンサーです。このセンサーは、光空洞（光波の空洞共振器を形成するミラーやその他の光学素子の構成）を利用してこれを実現し、特定の波長をより効率的にターゲットにすることができます。

RCE 光検出器では、光検出器の能動デバイス構造がファブリ・ペロー干渉計内に配置されます。この干渉計には 2 つの平行な表面があり、それらの間で選択された波長の光が共振して光場を増幅します。RCE 検出器の能動デバイス構造は従来の光検出器と似ていますが、光キャビティの増幅効果により、RCE 光検出器をより薄くして高速化できると同時に、共振波長での量子効率を高めることができます。

従来の検出器の量子効率は、半導体材料の光吸収（電磁放射）によって左右されます。吸収係数が低い半導体の場合、十分な量子効率を達成するには吸収領域を厚くする必要がありますが、光検出器の 信号処理帯域幅が犠牲になります。

RCE 検出器は、従来の検出器よりも大幅に高い帯域幅を持つことができます。ファブリ ペロー キャビティの建設的干渉により、共振波長で光検出器内の光場が強化され、1 に近い量子効率が実現します。さらに、光キャビティにより RCE 検出器が波長選択的になるため、RCE 光検出器はクロストークの少ない波長多重分離に適したオプションになります。^{[専門用語]}量子効率が向上すると消費電力が減り、帯域幅が広くなると動作が速くなります。

RCE 光検出器は波長選択性と高速応答性の両方を備えているため、波長分割多重化アプリケーションに最適です。光キャビティ内に配置された光変調器は、入射光の同じ割合を吸収するために必要な量子井戸の数が少なくなるため、より低い電圧で動作できます。エミッターの場合、キャビティは発光ダイオード(LED)の自然放出を修正し、スペクトル純度と指向性を向上させます。

光通信システムは、より高速に動作し、より広い帯域幅を持ち、より信頼性が高くなります。カメラセンサーは、より高い解像度、より優れたコントラスト比、より少ない歪みを実現できます。これらの理由から、RCE デバイスは、今後数年間で光エレクトロニクスにおいてますます重要な役割を果たすことが期待されます。 ^{[引用が必要]}

従来のフォトダイオードと比較して、RCE 光検出器はより高い量子効率、より速い検出速度を提供でき、また波長選択検出も提供できます。

RCE 光検出器は、従来のフォトダイオードと比較して、より高い量子効率 η を持つことが期待されています。RCE デバイスの η の定式化により、設計基準についての洞察が得られます。

一般化された RCE 光検出器は、光検出に必要な理論モデルを提供します。厚さ d の薄い吸収領域が、厚さ L ₁と L _{2 の}2 つの比較的吸収の少ない領域 (基板) に挟まれています。光キャビティは、基板の端にある、非吸収性のより大きなバンドギャップ材料で作られたλ/4 周期の分布ブラッグ反射鏡(DBR) によって形成されます。前面のミラーの透過率はt ₁で、通常は背面のミラーよりも反射率が低くなります(R ₁ < R ₂ )。透過率 t ₁によって光がキャビティに入ることができ、反射率 R ₁ (=r ₁ ² ) と R ₂ (=r ₂ ² ) によってキャビティ内の光閉じ込めが行われます。

アクティブ領域と基板領域には、それぞれ吸収係数 α と α _{ex が}あります。前面ミラーと背面ミラーのフィールド反射係数はそれぞれとで、ф ₁と ф _{2はミラーへの光の浸透（}浸透深度を参照）による位相シフトです。 ${\displaystyle r_{1}e^{-j\phi _{1}}}$${\displaystyle r_{2}e^{-j\phi _{2}}}$

光マイクロキャビティにより、光キャビティ内に光場を構築できます。従来の検出器では光が吸収領域を一度通過すると吸収されますが、RCE 検出器では、閉じ込められた光は吸収領域を通過するたびに吸収されます。

RCE 検出器の 量子効率は次のように表されます。${\displaystyle \eta}$

${\displaystyle \eta =(1-R_{1})(1-e^{-\alpha d})\left[{\frac {(e^{-\alpha _{ex}L_{1}}+r_{2}^{2}e^{-\alpha _{ex}L_{2}-\alpha _{c}L})}{1-2r_{1}r_{2}e^{-\alpha _{c}L}\cos(2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2})+(r_{1}r_{2})^{2}e^{-\alpha _{c}L}}}\right]}$

ここで、実際の検出器設計ではα _ex << αなので、α _exは無視でき、次のように表すことができます。 ${\displaystyle \alpha _{c}={\frac {\alpha _{\text{ex}}L_{1}+\alpha _{\text{ex}}L_{2}+\alpha d}{L}}}$${\displaystyle \eta }$

${\displaystyle \eta =(1-R_{1})(1-e^{-\alpha d})\left[{\frac {(1+R_{2}e^{-\alpha d})}{1-2{\sqrt {R_{1}R_{2}}}e^{-\alpha _{c}d}\cos(2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2})+(R_{1}R_{2})e^{-\alpha _{c}d}}}\right]}$

括弧内の項は、キャビティ増強効果を表します。これは の周期関数であり、 で最小値を持ちます。そして、この条件を満たす共鳴波長で、η が周期的に増強されます。共鳴波長の間隔は、キャビティの 自由スペクトル範囲によって与えられます。${\displaystyle 2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2}}$${\displaystyle 2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2}=2m\pi }$

共鳴波長におけるηのピーク値は次のように表されます。

${\displaystyle \eta =(1-R_{1})(1-e^{-\alpha d})\left[{\frac {(1+R_{2}e^{-\alpha d})}{(1-{\sqrt {R_{1}R_{2}}}e^{-\alpha _{c}d})^{2}}}\right]}$

活性層が薄い場合、αd<<1 なので、η は次のようになります。

${\displaystyle \eta =(1-R_{1})\alpha d\left[{\frac {(1+R_{2}e^{-\alpha d})}{(1-{\sqrt {R_{1}R_{2}}}e^{-\alpha _{c}d})^{2}}}\right]}$

これは、次式で表される従来の光検出器の量子効率からの大幅な改善です。

${\displaystyle \eta =(1-R)\alpha L}$。

これは、吸収領域が小さいほど、より高い量子効率が達成できることを示しています。

重要な設計要件は、非常に高いバックミラー反射率と適度な吸収層の厚さです。光周波数では、金属ミラーは GaAs などの材料に使用すると反射率が低くなります (94%)。このため、金属ミラーは RCE 検出には非効率的です。一方、分布ブラッグ反射鏡(DBR) はほぼ 1 の反射率を実現できるため、RCE 構造に最適です。

R ₁ =0.2、R ₂ =0.99、α=10 ⁴ cm ^-1の場合、d=0.7～0.95 μm で 0.99 以上の η を達成できます。同様に、R ₁の異なる値では非常に高い η を達成できます。ただし、R ₁ =0 では厚さ領域の長さが制限されます。d>5 μm では 0.99 η を達成できますが、帯域幅が犠牲になります。

検出速度は電子と正孔のドリフト速度に依存します。そして、これら 2 つの正孔間のドリフト速度は電子よりも遅くなります。従来の PIN フォトダイオードの通過時間制限帯域幅は次のように表されます。

${\displaystyle f_{\text{transit}}=0.45{\frac {v_{h}}{L}}}$

しかし、量子効率は次のように L の関数になります。

${\displaystyle \eta =(1-R)\alpha L}$。

L の値が小さい高速検出器の場合、α が非常に小さいため、η は非常に小さくなります (η<<1)。これは、量子効率の最適値を得るには帯域幅を犠牲にする必要があることを示しています。

ピン RCE 光検出器は、吸収領域をはるかに小さいスケールに縮小できます。この場合、キャリアが通過する距離も短くなり、電子の場合は L ₁ (< L)、正孔の場合は L ₂ (< L) になります。

L1 と L2 の長さも、正孔と電子のドリフト間の遅延に合わせて最適化できます。その後、遷移帯域幅は次のように表されます。

${\displaystyle f_{\text{transit}}=0.45{\frac {v_{h}+v_{e}}{L+d}}}$

ほとんどの半導体と同様に、帯域幅は大幅に増加します。 ${\displaystyle v_{e}}$${\displaystyle v_{h}}$

従来の光検出器の帯域幅は 10～30 GHz であるのに対し、L = 0.5 μm の大型デバイスでは 64 GHz の帯域幅が達成でき、L = 0.25 μm の小型デバイスでは 120 GHz の帯域幅が得られることが報告されています。

RCE 構造では、キャビティの共鳴特性により、検出器の波長選択性をある程度まで高めることができます。キャビティの共鳴条件は として与えられます。他の値では、効率 η は最大値から減少し、 のときにゼロになります。η の最大値の波長間隔は、キャビティの 自由スペクトル範囲によって区切られ、次のように与えられます。${\displaystyle 2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2}=2m\pi }$${\displaystyle 2\beta L+\phi _{1}+\phi _{2}=(2m+1)\pi }$

${\displaystyle FSR={\frac {\lambda ^{2}}{2n_{\text{eff}}(L+L_{{\text{eff}},1}+L_{{\text{eff}},2})}}}$

ここで、n _effは有効屈折率、L _eff,i ^{[説明が必要]}はミラーの 有効光路長です。

共振波長における FSR と FWHM の比であるフィネスは、キャビティの波長選択性を示します。

${\displaystyle {\text{Finesse}}={\frac {\pi (R_{1}R_{2})^{1/4}e^{-{\frac {\alpha d}{2}}}}{(1-{\sqrt {R_{1}R_{2}}}e^{-\alpha _{c}d})^{2}}}}$

これは、反射率が高くなり、L の値が小さくなる につれて、波長選択性が高くなることを示しています。

RCE デバイスの優れた性能が期待されるかどうかは、非常に低損失のアクティブ領域の実現に大きく依存します。そのためには、ミラーとキャビティの材料が検出波長で非吸収性であること、また、キャビティ内での光閉じ込めを最大限に高めるためにミラーの反射率が非常に高いことなどの条件が求められます。

活性領域のバンドギャップをキャビティおよびミラーよりも小さくすることで、キャビティ内の吸収を制限することができます。しかし、バンドギャップの差が大きいと、ヘテロ接合からの光生成キャリアの抽出が妨げられます。通常、吸収スペクトル内には適度なオフセットが維持されます。

さまざまな材料の組み合わせが上記の基準をすべて満たしているため、RCE スキームで使用されます。RCE 検出に使用される材料の組み合わせには次のようなものがあります。

1.GaAs(M,C) / AlGaAs(M) / InGaAs(A) 830-920nm付近。

2.1550nm付近のInP(C) / In _0.53 Ga _0.47 As(M) / In _0.52 Al _0.48 As(M) / In _0.53–0.7 GaAs(A)。

3.830〜920nm付近のGaAs(M,C) / AlAs(M) / Ge(A)。

4.1550nm付近のSi(M,C) / SiGe(M) / Ge(A)。

5.可視領域付近のGaP(M) / AlP(M) / Si(A,S) 。

ピンフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ショットキーダイオードなど、理論をうまく検証した RCE デバイスの例は数多くあります。そのうちのいくつかは今日すでに使用されていますが、将来的には、量子効率、動作帯域幅、波長選択性を向上させることができる波長分割多重(WDM) システムにおける変調器や光ロジックなどの使用例もあります。

RCE 検出器は、潜在的な価格と性能の点で商用 WDM システムに適しています。RCE 検出器は WDM システムに実装できる可能性があり、性能を大幅に向上させます。RCE 変調器にはさまざまな実装があり、それらの性能をさらに向上させる余地があります。光検出器以外にも、RCE 構造にはさまざまな実装があり、性能を向上できる可能性が非常に高いです。発光ダイオード(LED) は、スペクトルを狭くして指向性を高めることができるため、光ファイバーへの結合を高め、ファイバー帯域幅をより有効に活用できます。光増幅器はより小型にできるため、ポンピングに必要な電力が低くなり、コストも削減できます。フォトニック ロジックも、現在よりも効率的に動作します。クロストークが大幅に減少し、速度が向上し、設計がシンプルになります。

• PINダイオード
• ショットキーダイオード
• アバランシェフォトダイオード
• 波長選択スイッチング
• 光集積回路
• 半導体材料
• ファブリ・ペロー干渉計
• フレネル方程式
• 共振
• 光学空洞
• 光電効果

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