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1、半导体光调制器的基本结构及原理剖析半导体光调制器的根本结构及原理学院：电子信息学院专业：光电子科学与技术学号：1142052022姓名：代中华一引言虽然半导体激光器可以直接进行调制产生光信号，但是在髙速率调制状态下会产生严重 的响啾，将不利于长距离、大容量的干线光纤通信传输。如果让激光器只是静态直流工作， 再外加光外调制器调制光信号，那么可能减小频率删啾，从而大大提高信号传输性能，以成为 大容量长距离光线系统光源。在各种光调制器中，半导体光调制器既具有优良的光调制特性, 又具有体积小、功率低的优点，从而得到了广泛采用。半导体光调制器可分为强度调制器件和相位调制器件。在目前的光纤通信系统中，主要

2、 采用强度检测方式，所以强度调制型光调制器的研制占着绝大多数的比重。目前得到广泛采 用的半导体强度调制器主要有两种：利用呈:子限制斯塔克效应(quantum-confined-Stark effect. QCSE)的电吸收(Electroabsorption, EA)调制器和 Mach-Zehnder(M-Z)型光调制器。二电吸收调制器电吸收调制器是依靠材料在外电场中吸收率发生变化来工作的。调制器结构不同，产生 电吸收的机理也不尽相同。按照调制器的结构，可以分为体材料、超晶格和多量子阱三类， 其机理又可以分为三种：1. Franz-Keldysh效应2. Wannier-Stark局域化效应3

3、.量子限制Stark 效应。下面分别介绍这三种效应。1. Franz-Keldysh 效应在体材料电吸收型调制器中，吸收层采用的是体材料(Butt Material),依靠 Franz-Keldysh效应实现调制。在体材料中，光子吸收主要发生在价带电子被受激跃迁到导带的情况。外电 场使能带倾斜，当外电场很强时，价带电子通过隧穿跃迁到导带的儿率大大增加, 有效能隙减小，使得吸收边发生红移，这种效应就是FranzrKeldysh效应。山于体材料电吸收调制器的有源层厚度在儿厅纳米量级，生长控制比拟简 单；有源层结构对光生载流子的限制较小，光生载流子的逸岀相对于多量子阱调 制器容易，因而在大功率下的调

4、制特性上，体材料调制器有一些优势。另外，和 直接调制方式相比，其频率碉啾也比拟小。 一 一 一 一 一 2 5 O 5 O 5 O - d-1-2-2-3 mp) NO-SS一乏 SNg 山 InJO 巒 V0.14mW 1 6 mW2 4 6 8 10 12 14REVERSE BIAS (V)图超晶格型电吸收光调制器但是，Franz-Keldysh效应的特点是带间跃迁，加上体材料的抛物型能态密度, 所以体材料调制器具有吸收率随调制电压变化缓慢、调制电压高、消光比小等缺 点。2 4 6 8 10 12 14REVERSE BIAS (V)O 5 -O 5 O 5 O - -1-1-2-2-3

5、 mp) NO-SS一乏 SNVacJL 山20巒2. Wannier-Stark局域化效应图超晶格型电吸收光调制器超晶格电吸收调制器采用半导体超晶格材料来制作调制器的吸收层。在超晶 格材料中，外电场会使本来通过共振隧穿在耦合很强的各个量子阱间作共有化运 动的载流子重新局域到各个量子阱中即WannierStark局域化效应，伴随着这一 过程，将岀现一系列称为Stark阶梯跃迁的阱间跃迁，它们会造成吸收峰的位置 随外电场强度的变化根本上呈现线性的移动。利用这种吸收峰和吸收边的移动, 可以得到调制电压很低的电吸收调制器。图6是这类调制器的典型调制特性。在弱电场下时依黑阱间跃迁产生吸收，但是当电场超

6、过一定强度时其阱间跃迁儿 率迅速减小，因此在调制特性上形成了一个谷点，因此这种调制器的调制电压也 只能工作于较低的电压下，从而限制了其消光比。超晶格型调制器的突出优点是调制电压低，消光比可到达0.75 V 10 JB,而 且器件的碉啾特性也比一般的多量子阱调制器好。其缺点是超晶格材料生长困 难，不能实现大的消光比。3.量子限制Stark效应1.激子E 営excitonO O Ev图能隙中的激子如图6. 2所示，在较低的载流子浓度和较低温度下，电子和空穴以较长的周期互相用绕 运动，形成激子态，类似于氢原子的情况，电子从低能级激发到高能级，但它还属于氢原子。 Es为激子朿缚能，meV疑级。2.量子

7、阱材料中的量子限制斯塔克效应(QCSE, Quantum Confined Stark Effect)基于量子阱材料的调制器是目前最广泛采用的一类调制器，其有源区采用量子阱或者多 屋子阱材料。在体材料调制器中，由于其激子近似为三维激子，英束缚能较小，在室温下很容易被离 化，激子很少能够存在。在半导体量子阱材料中，由于电子和空穴的运动受到量子阱势垒的 限制，激子为准二维激子，朿缚能增大，激子在室温下能够得以存在，从而形成吸收曲线带 边锋利的激子吸收峰。激子吸收峰对应的光子能量为：(6.1)其中，&为势阱材料的带隙，E刊和石曲分别为导带第一电子能级与价带第一重空穴能级， 必为激子朿缚能。由于激子吸

8、收峰的存在，多量子阱材料的吸收曲线具有陡峭的边缘。当在垂直于量子阱壁的方向上施加电场时，量子阱能带发生倾斜，电子与空 穴的量子能级下降，使吸收边发生红移。同时，电场的存在使构成激子的电子与 空穴向相反的方向移动，导致激子束缚能降低，对吸收边有兰移作用。施加垂直 方向电场的总效果是使吸收边红移。这种量子阱材料的吸收边随垂直阱壁的电场 而发生红移的现象称为量子限制Stark效应。图6. 4量子阱材料吸收谱随外加电场的变化图为不同外加电场下量子阱材料的室温光吸收谱，从中可明显地看出激 子吸收峰随外加电场的红移。在吸收边红移的同时，依靠量子阱的限制作用，激 子结构依然存在，只是山于电场的作用，激子吸收

9、峰会有所降低和展宽，但仍然 保持比拟陡悄的吸收边。三量子阱调制器1.量子阱电吸收调制器的结构根据量子限制Stark效应，对于波长处于多量子阱材料的吸收边外而又靠近吸收边的入 射光，其吸收系数会在施加垂直电场后有明显变化。可以利用这一原理制成电吸收型光调制 器。为提高消光比，一般的电吸收调制器均采用波导型结构，使入射光通过多量子阱结构的 吸收层，改变所加的反向偏压，形成光吸收，到达强度调制的目的。如吸收系数的改变量为 血器件波导长度为厶，那么该电吸收型光调制器的消光比为exp心必，英中厂是吸收波导 层的光限制因子。利用量子限制Stark效应制作的电吸收型光调制器由于具有调制速率高、驱动电压低、体

10、积 小、结构与工艺便于与半导体激光器集成等一系列优点，成为广泛应用的外调制器结构。.2.量子阱电吸收调制器工作特性为了实现髙速率、大功率的光调制，需要对电吸收调制器的材料、器件结构及封装进行 仔细的设计。在设计中，需要考虑以下几个重要参数：消光比、调制电压、插入损耗、饱和 功率、小信号调制带宽和卩周啾特性等。其中，消光比、调制电压、插入损耗和饱和功率为静 态参数，而调制带宽与啊啾特性为动态特性。在实际的电吸收调制器设计过程中，以上诸参数往往需要同时加以考虑，尤英是进行高 速电吸收调制器的设汁时，更需要兼顾动态和静态特性指标，进行整体优化。由于这些特性 指标往往相互制约，难以同时获得理想值，因此

11、要根据实际应用的需求进行综合分析和处理, 以期满足应用的具体要求。在下而进行分别讨论的同时，我们将特别注意指出参数间的相互 联系。1.静态特性(1)消光比与调制电压消光比左义为光调制器在通断状态的输出光强比。在实际应用中，通常要求光调制器的 消光比大于10dB,但不必过髙以免造成设计和制作上的困难，一般以10-20 dB为宜。调制电压指到达一左的消光比(如10 dB)时所需施加的反向偏压的大小。由于高频驱动 电源一般采用数字电路实现，无法获得很大的输岀电压U犀一峰值，所以要求调制器在较小的 调制电压(23V)下实现一泄的消光比(1020 dB)。电吸收型调制器的消光比是多量子阱材料量子限制St

12、rark效应强弱的直接表达。在二级 微扰近似下，量子阱基态能级的偏移量可以表示为：(6.2)其中，G切为一常数，厂为载流子有效质量，F为外加电场强度，厶为阱宽。上说明量子限 制Stark效应随外加电场的增强而变大，但在实际应用中由于髙速调制时调制电压的限制， 难以采用增大外加电压的方法来提髙调制器的消光比。另一方而，由于髙速调制要求尽量减 小调制器电容，因此也不能依靠减小多量子阱区的厚度来获得较大的电场强度。从(6.2)式中还可以看岀，吸收边的红移与疑子阱阱宽的四次方成正比，故可以通过增大 量子阱阱宽来提高消光比。增大阱宽还有助于获得较小的调制器电容，实现髙速调制。但应 当指岀，任增大量子阱阱

13、宽的同时，将使相同偏置电压下多量子阱区的电场下降，并削弱激 子的强度，从而对消光比产生负而影响。因此，量子阱结构存在一优化值，需要合理设汁以 到达最正确效果。(2)插入损耗插入损耗反映了外调制器与其他光电器件耦合时的损耗特性，是分立调制器的一个重要 参数。电吸收调制器的插入损耗主要由吸收曲线的边缘陡ill肖程度、工作波长与吸收边的失谐 屋决左，同时，还受调制器的波导结构及端面反射系数的影响。由于电吸收调制器吸收系数 与反向偏压呈非线性关系，为了实现较大的消光比，一般需要使调制器工作于一泄的静态反 压下，这样就会增大调制器的插入损耗。为了在保证足够的消光比的前提下，实现较小的插入损耗，一般采用W

14、otu作为器件设 计的参数，要求o/o0称为正删啾(或red chirp),导致被调制光信号的前沿发生频率兰移， 而后沿出现频率红移：a0称为负開啾(或blue chirp),引起被调制信号的前沿发生频率红 移，而后沿岀现频率兰移。电吸收调制器一般具有正的卿啾因子cc。由于目前广泛采用的单模光纤在屮n的最 低损耗窗口处存在17 ps/nm/km的反常色散，使得频率髙的信号具有较大的传播速度，调制 器的正卿啾特性将加重长距离传输时的码间串扰，对数字光纤通信在一泄误码率下的传输速 率和传输距离产生严重的限制。电吸收调制器的卿啾主要受多量子阱的材料与工作波长的影响，通过合理地设计调制器 的多量子阱材

15、料吸边与入射波长的失谐量AX,可以改变电吸收调制器的蜩啾因子。目前， 已经有关于a 为不加电场时材料的折射率，r和s分别为线性和二次电光系 数，它们本身又都是波长和外加电场的函数外加电场引起调制臂中光场相位的变化为(6.6)其中，r为电场与光场的重叠积分，h为真空中的波长，l为调制臂长度。电场强度与驱动 电压之间存在一左的关系，可以表示为E=f(V),这一关系与器件结构有关。MZ调制器的 重要参数开关电压V九即 8=兀时的电压值。在每一个调制臂中，光场可以表示为：(6.7)其中a为衰减常数。上式中略去了含a0称为正啊啾，此时调制输出 光脉冲信号的前沿发生频率兰移，后沿发生频率红移，在常规单模色

16、散光纤中将加速脉冲的 展宽，限制了光纤通信系统在一立误码率下的传输速率和传输距离。在a0的负囲啾情况下, 频率囲啾正好相反，前沿红移而后沿兰移，在传输开始的一段会压缩光脉冲信号，从而延长 一泄误码率和传输速率下的传输距离。现在普遍认为，在a=-l的负删啾下可以得到最正确 的系统传输性能。因而在对高速光调制器的研究中，越来越多的注意力被放在卩周啾因子上。上而的(6.9)式又可以表示为：(6.9)(6.10)那么小信号醐啾因子a为:如心)因而，在2I-Z调制器中，蜩啾因子与多量子阱材料的电光特性、失谐量、器件结构、 工作方式和分支结构功率分配比有关。通过改变这些条件可以改变鯛啾因子。在M-Z调制

17、器中主要是靠后三者来控制蜩啾。在优化调制器的囲啾因子的时候，一般会使调制器的消光特性恶化，而在实际应用中, 删啾因子和消光比都会影响到光传输系统的性能。虽然如此，在长距离传输时仍然希望得到 负啊啾，即使牺牲一点消光比，但经过长距离传输后，负蜩啾的好处就显示出来了。另外一个性能参数饱和功率在设汁M-Z调制器时并不是很重要，因为一般M-Z调制 器的工作波长离材料吸收边较远，光吸收并不是很大，光生载流子较少。参考文献FouquetJ.E., LEOSProceedingsofthel99811thAnnualMeetingIEEELasers andElectro-optics Society,Part 2, Dec.l4,199& 169170.RizaN. A