Abstract

We propose and theoretically analyze what we believe to be a novel design of cavity-enhanced photodetectors capable of sensing multiple wavelengths simultaneously in a single pixel. The design is based on phase-tuned propagation of resonant modes in cascaded planar resonant cavities. We show that this concept can be generalized to detect multiple wavelength combinations covering the entire near to far infrared spectrum. Besides its multispectral detection capability, the design also features minimal spectral cross talk and significantly suppressed noise. The intrinsic design versatility and scalability, as well as process compatibility with planar microfabrication, suggest the design’s wide application potential for telecommunications, infrared imaging, and biochemical sensing.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. Rogalski, J. Antoszewski, and L. Faraone, J. Appl. Phys. 105, 091101 (2009).
    [CrossRef]
  2. L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
    [CrossRef]
  3. S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
    [CrossRef]
  4. X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
    [CrossRef]
  5. M. S. Unlu and S. Strite, J. Appl. Phys. 78, 607 (1995).
    [CrossRef]
  6. X. C. Sun, “Ge-on-Si light-emitting materials and devices for silicon photonics,” Ph.D. dissertation (MIT, 2009).
  7. J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
    [CrossRef]
  8. R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
    [CrossRef]

2009 (1)

A. Rogalski, J. Antoszewski, and L. Faraone, J. Appl. Phys. 105, 091101 (2009).
[CrossRef]

2008 (1)

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

2007 (1)

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

2006 (2)

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

2004 (1)

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

1995 (1)

M. S. Unlu and S. Strite, J. Appl. Phys. 78, 607 (1995).
[CrossRef]

Agarwal, A. M.

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

Antoszewski, J.

A. Rogalski, J. Antoszewski, and L. Faraone, J. Appl. Phys. 105, 091101 (2009).
[CrossRef]

Bandara, S. V.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Catchpole, R. A.

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

Coussa, R. A.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Das, R.

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

De Lyon, T. J.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Duan, X. M.

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

Faraone, L.

A. Rogalski, J. Antoszewski, and L. Faraone, J. Appl. Phys. 105, 091101 (2009).
[CrossRef]

Fitzmaurice, J.

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

Gallagher, A. M.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Gunapala, S. D.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Hill, C. J.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Hipwood, L. G.

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

Hong, C. Y.

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

Hu, J.

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

Hu, J. J.

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

Jensen, J. E.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Jones, C. L.

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

Kimerling, L. C.

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

Kosai, K.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Lau, H. W.

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

LeVan, P. D.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Lim, D. R.

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

Liu, J. K.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Maxey, C. D.

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

Mumolo, J. M.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Nosho, B. Z.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Ordish, M.

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

Pham, L. T.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Pierce, G. K.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Rafol, S. B.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Rogalski, A.

A. Rogalski, J. Antoszewski, and L. Faraone, J. Appl. Phys. 105, 091101 (2009).
[CrossRef]

Roth, J. A.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Salazar, D.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Smith, E. P.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Strite, S.

M. S. Unlu and S. Strite, J. Appl. Phys. 78, 607 (1995).
[CrossRef]

Sun, X.

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

Sun, X. C.

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

X. C. Sun, “Ge-on-Si light-emitting materials and devices for silicon photonics,” Ph.D. dissertation (MIT, 2009).

Synowicki, R. A.

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

Tidrow, M. Z.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Unlu, M. S.

M. S. Unlu and S. Strite, J. Appl. Phys. 78, 607 (1995).
[CrossRef]

Venzor, G. M.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Viens, J. F.

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

Wang, J.

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

Waterman, J. R.

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Woollaway, J.

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

X. C. Sun, J. J. Hu, C. Y. Hong, J. F. Viens, X. M. Duan, R. Das, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, Appl. Phys. Lett. 89, 223522 (2006).
[CrossRef]

Infrared Phys. Technol. (1)

S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, J. M. Mumolo, C. J. Hill, S. B. Rafol, D. Salazar, J. Woollaway, P. D. LeVan, and M. Z. Tidrow, Infrared Phys. Technol. 50, 217 (2007).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (3)

J. Wang, J. Hu, X. Sun, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. R. Lim, and R. A. Synowicki, J. Appl. Phys. 104, 053707 (2008).
[CrossRef]

M. S. Unlu and S. Strite, J. Appl. Phys. 78, 607 (1995).
[CrossRef]

A. Rogalski, J. Antoszewski, and L. Faraone, J. Appl. Phys. 105, 091101 (2009).
[CrossRef]

J. Electron. Mater. (1)

R. A. Coussa, A. M. Gallagher, K. Kosai, L. T. Pham, G. K. Pierce, E. P. Smith, G. M. Venzor, T. J. De Lyon, J. E. Jensen, B. Z. Nosho, J. A. Roth, and J. R. Waterman, J. Electron. Mater. 33, 517 (2004).
[CrossRef]

Proc. SPIE (1)

L. G. Hipwood, C. L. Jones, C. D. Maxey, H. W. Lau, J. Fitzmaurice, R. A. Catchpole, and M. Ordish, Proc. SPIE 6206, 620612 (2006).
[CrossRef]

Other (1)

X. C. Sun, “Ge-on-Si light-emitting materials and devices for silicon photonics,” Ph.D. dissertation (MIT, 2009).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Cross sectional schematic of a multispectral pixel consisting of cascaded planar resonant cavities (not drawn to scale).

Fig. 2
Fig. 2

Structures used in deriving the coupling-matching condition for cavity i. Stack (1) is the entire structure which can be decomposed into stacks (2) and (3). The layers corresponding to stack (1) are also shown in Fig. 1.

Fig. 3
Fig. 3

(a) Schematic cross section of the pixel designed to detect 1550 and 3600 nm wavelengths simultaneously. (b) Solid curves: R t , 2 as a function of coupling-matching layer’s thickness for different QWS pair numbers; dashed line: reflectivity corresponding to the critical coupling condition (1); green crosses: thickness values at which the critical coupling condition is met. (c) QE spectra calculated for two PbTe absorbers in the two cascaded resonant cavities, showing two detection bands peaked at 1550 and 3600 nm with high QE and low spectral cross talk. (d) Normalized light intensity spatial distribution for 3600 and 1550 nm wavelengths, illustrating high degree of modal spatial localization.

Equations (8)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

R t = ( 1 A L ) R b ,     R b 1 ,
A L = ε d active α | E 0 | 2 d V stack ε c | E 0 | 2 d V ,
T f = T ( 3 ) M 1 1 M m L m T ( 2 ) ,
T ( 2 ) = M m 1 ( M m 1 L m 1 M m 1 1 ) ( M 2 L 2 M 2 1 ) M 1 = ( T ( 2 ) 22 e i θ 22 T ( 2 ) 21 e i θ 21 T ( 2 ) 21 e i θ 21 T ( 2 ) 22 e i θ 22 ) ,
T ( 3 ) = M m + 2 p 1 ( M m + 2 p 1 L m + 2 p 1 M m + 2 p 1 1 ) ( M m + 1 L m + 1 M m + 1 1 ) M 1 = ( i ) 2 p 1 ( A + B A + B A B A B ) ,
A = n 1 2 n m + 2 p 1 ( n m + 2 n m + 1 ) p 1 ,     B = n m + 2 p 1 2 n m + 2 p ( n m + 1 n m + 2 ) p 1 .
R t , i = | r | 2 = | T f 21 T f 22 | 2 = | A n m ( T ( 2 ) 21 e i ( θ 21 + θ 22 ) T ( 2 ) 22 e 2 i δ m ) + B n 1 ( T ( 2 ) 21 e i ( θ 21 + θ 22 ) + T ( 2 ) 22 e 2 i δ m ) A n m ( T ( 2 ) 22 e i ( θ 21 + θ 22 ) T ( 2 ) 21 e 2 i δ m ) + B n 1 ( T ( 2 ) 22 e i ( θ 21 + θ 22 ) + T ( 2 ) 21 e 2 i δ m ) | 2 ,
Cross   talk = η active 2 ( λ 1 ) η active 2 ( λ 2 ) ,     λ 1 < λ 2 ,

Metrics