Los fotodetectores mejorados por cavidad resonante , también conocidos como fotodetectores RCE , son sensores diseñados para detectar luz u otras formas de radiación electromagnética. Lo logran utilizando una cavidad óptica , una configuración de espejos u otros elementos ópticos que forma un resonador de cavidad para ondas de luz , lo que permite una orientación más eficiente de longitudes de onda específicas.
En los fotodetectores RCE, la estructura del dispositivo activo de un fotodetector se coloca dentro de un interferómetro Fabry-Pérot . Este interferómetro tiene dos superficies paralelas entre las cuales puede resonar una longitud de onda de luz seleccionada, amplificando el campo óptico . Si bien la estructura del dispositivo activo de los detectores RCE es similar a la de los fotodetectores convencionales, el efecto de amplificación de la cavidad óptica permite que los fotodetectores RCE sean más delgados y, por lo tanto, más rápidos, al mismo tiempo que aumenta la eficiencia cuántica en las longitudes de onda resonantes .
La eficiencia cuántica de los detectores convencionales está dominada por la absorción óptica (radiación electromagnética) del material semiconductor . Para semiconductores con coeficientes de absorción bajos , se requiere una región de absorción más gruesa para lograr una eficiencia cuántica adecuada , pero a costa del ancho de banda de procesamiento de señales del fotodetector.
Un detector RCE puede tener un ancho de banda significativamente mayor que un detector convencional. La interferencia constructiva de una cavidad Fabry-Pérot mejora el campo óptico dentro del fotodetector en las longitudes de onda de resonancia para lograr una eficiencia cuántica cercana a la unidad. Además, la cavidad óptica hace que los detectores RCE sean selectivos en cuanto a longitud de onda, lo que convierte a los fotodetectores RCE en una opción viable para la demultiplexación de longitudes de onda con baja diafonía . [ jerga ] Una eficiencia cuántica mejorada reduce el consumo de energía, mientras que un mayor ancho de banda se traduce en un funcionamiento más rápido.
Los fotodetectores RCE tienen selectividad de longitud de onda y respuesta de alta velocidad, lo que los hace ideales para aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda . Los moduladores ópticos situados en una cavidad óptica requieren menos pozos cuánticos para absorber la misma fracción de la luz incidente y, por lo tanto, pueden operar a voltajes más bajos. En el caso de los emisores, la cavidad modifica la emisión espontánea de los diodos emisores de luz (LED) mejorando su pureza espectral y directividad .
Los sistemas de comunicación óptica pueden funcionar mucho más rápido, con más ancho de banda y pueden volverse más confiables. Los sensores de las cámaras podrían brindar más resoluciones, mejores relaciones de contraste y menos distorsión. Por estas razones, se puede esperar que los dispositivos RCE desempeñen un papel cada vez mayor en la electrónica óptica en los próximos años. [ cita requerida ]
En comparación con un fotodiodo convencional , los fotodetectores RCE pueden proporcionar una mayor eficiencia cuántica , una mayor velocidad de detección y también pueden proporcionar detección selectiva de longitud de onda.
Se espera que los fotodetectores RCE tengan una eficiencia cuántica η mayor que la de los fotodiodos convencionales . La formulación de η para dispositivos RCE brinda información sobre los criterios de diseño.
Un fotodetector RCE generalizado puede proporcionar el modelo teórico requerido de fotodetección . Una delgada región de absorción de espesor d está intercalada entre dos regiones relativamente menos absorbentes, sustrato, de espesor L 1 y L 2 . La cavidad óptica está formada por un reflector Bragg distribuido (DBR) de período λ/4, hecho de materiales de banda prohibida más grande no absorbente, en el extremo del sustrato. El espejo frontal tiene una transmitancia de t 1 y generalmente tiene una reflectividad menor que en comparación con el espejo trasero (R 1 < R 2 ). La transmitancia t 1 permite que la luz ingrese a la cavidad, y la reflectividad R 1 (=r 1 2 ) y R 2 (=r 2 2 ) proporciona el confinamiento óptico en la cavidad.
La región activa y la región del sustrato tienen coeficientes de absorción α y α ex respectivamente. Los coeficientes de reflexión de campo de los espejos frontal y posterior son y respectivamente, donde ф 1 y ф 2 son los cambios de fase debidos a la penetración de la luz (ver Profundidad de penetración ) en los espejos.
La microcavidad óptica permite crear un campo óptico dentro de la cavidad óptica . En comparación con los detectores convencionales, donde la luz se absorbe en un solo paso a través de la región de absorción, en los detectores RCE la luz atrapada se absorbe cada vez que atraviesa la región de absorción.
La eficiencia cuántica de un detector RCE viene dada por:
Aquí , en el diseño práctico de un detector, α ex << α, por lo que α ex se puede descuidar y se puede expresar como:
El término dentro de los corchetes representa el efecto de mejora de la cavidad. Se trata de una función periódica de , que tiene mínimos en . Y η se mejora periódicamente en la longitud de onda de resonancia que cumple esta condición. El espaciamiento de la longitud de onda resonante está dado por el rango espectral libre de la cavidad.
El valor máximo de η en la longitud de onda resonante se da como:
Para una capa activa delgada como αd<<1, η se convierte en:
Esta es una mejora significativa con respecto a la eficiencia cuántica de un fotodetector convencional, que viene dada por:
Esto demuestra que se puede lograr una mayor eficiencia cuántica para regiones de absorción más pequeñas.
Los requisitos de diseño críticos son una reflectividad muy alta del espejo posterior y un espesor moderado de la capa de absorción. En frecuencias ópticas, los espejos metálicos tienen una reflectividad baja (94 %) cuando se utilizan en materiales como GaAs. Esto hace que los espejos metálicos sean ineficientes para la detección de RCE. Mientras que el reflector Bragg distribuido (DBR) puede proporcionar una reflectividad cercana a la unidad y es la opción ideal para las estructuras de RCE.
Para un R 1 = 0,2, R 2 = 0,99 y α = 10 4 cm -1 , se puede lograr un η de 0,99 o más para d = 0,7–0,95 μm. De manera similar, para diferentes valores de R 1, es posible lograr un η muy alto. Sin embargo, R 1 = 0 limita la longitud de la región de espesor. Con d > 5 μm se puede lograr un η de 0,99, pero a costa del ancho de banda.
La velocidad de detección depende de las velocidades de desplazamiento de los electrones y los huecos. Y entre estos dos huecos la velocidad de desplazamiento es menor que la de los electrones. El ancho de banda limitado por el tiempo de tránsito del fotodiodo pin convencional viene dado por:
Sin embargo, la eficiencia cuántica es una función de L como:
En el caso de un detector de alta velocidad para un valor pequeño de L, como α es muy pequeño, η se vuelve muy pequeño (η<<1). Esto demuestra que para un valor óptimo de eficiencia cuántica se debe sacrificar el ancho de banda.
Un fotodetector RCE de pin puede reducir la región de absorción a una escala mucho menor. En este caso, los portadores también deben recorrer una distancia menor, L 1 (< L ) y L 2 (< L ) para electrones y huecos respectivamente.
La longitud de L1 y L2 también se puede optimizar para que coincida con el retraso entre el desplazamiento del hueco y el del electrón. Después, el ancho de banda de transición viene dado por:
Como ocurre con la mayoría de los semiconductores, el ancho de banda aumenta drásticamente.
Se ha informado que para un dispositivo grande de L=0,5 μm se puede lograr un ancho de banda de 64 GHz y un dispositivo pequeño de L=0,25 μm puede proporcionar un ancho de banda de 120 GHz, mientras que los fotodetectores convencionales tienen un ancho de banda de 10 a 30 GHz.
Una estructura RCE puede hacer que el detector sea selectivo en cuanto a longitud de onda debido a las propiedades de resonancia de la cavidad. La condición de resonancia de la cavidad se expresa como . Para cualquier otro valor, la eficiencia η se reduce a partir de su valor máximo y se anula cuando . El espaciamiento de longitud de onda de los máximos de η está separado por el rango espectral libre de la cavidad, expresado como:
Donde n eff es el índice de refracción efectivo y L eff,i [ aclaración necesaria ] son las longitudes de trayectoria óptica efectivas de los espejos.
La finura, la relación entre la FSR y la FWHM en la longitud de onda resonante, da la selectividad de longitud de onda de la cavidad.
Esto demuestra que la selectividad de la longitud de onda aumenta con una mayor reflectividad y valores más pequeños de L.
El rendimiento superior estimado de los dispositivos RCE depende fundamentalmente de la creación de una región activa con pérdidas muy bajas. Esto exige que los materiales del espejo y de la cavidad no absorban la luz en la longitud de onda de detección y que el espejo tenga una reflectividad muy alta para que proporcione el máximo confinamiento óptico dentro de la cavidad.
La absorción en la cavidad se puede limitar haciendo que la banda prohibida de la región activa sea más pequeña que la de la cavidad y la del espejo. Pero una gran diferencia en la banda prohibida sería un bloqueo en la extracción de portadores fotogenerados de una heterojunción . Por lo general, se mantiene un desfase moderado dentro del espectro de absorción.
Diferentes combinaciones de materiales satisfacen todos los criterios anteriores y, por lo tanto, se utilizan en el esquema RCE. Algunas combinaciones de materiales utilizadas para la detección RCE son:
Existen muchos ejemplos de dispositivos RCE, como el fotodiodo pin , el fotodiodo de avalancha y el diodo Schottky , que verifican la teoría con éxito. Algunos de ellos ya se utilizan en la actualidad, aunque existen casos de uso futuros, como moduladores y lógicas ópticas en sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM), que podrían mejorar la eficiencia cuántica, el ancho de banda operativo y la selectividad de la longitud de onda.
Los detectores RCE son preferibles en cuanto a precio y rendimiento en sistemas WDM comerciales. Los detectores RCE tienen potencial para implementarse en sistemas WDM y mejorar el rendimiento significativamente. Existen varias implementaciones de moduladores RCE y hay margen para mejorar aún más el rendimiento de los mismos. Además de los fotodetectores, las estructuras RCE tienen muchas otras implementaciones y un potencial muy alto para mejorar el rendimiento. Se puede hacer que un diodo emisor de luz (LED) tenga un espectro más estrecho y una mayor directividad para permitir un mayor acoplamiento a la fibra óptica y una mejor utilización del ancho de banda de la fibra. Se pueden hacer amplificadores ópticos más compactos, por lo que se requiere menos potencia para bombear y también a un menor costo. Las lógicas fotónicas también funcionarán de manera más eficiente. Habrá mucha menos diafonía y más velocidad, con un diseño simple.
![{\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}}}\derecha]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/87cbd1876b1e5fbf9c7b9c1ca8b7c86382a42a34)
![{\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]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3ef64d0f0197ac2c238e521007f98c7c598115d5)
![{\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]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/51606e6a9da26c361b2326062ca2307aa49a5852)
![{\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]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/099b9d2a31ccb52e598bad2eeed81537e4aba119)
