半导体光调制器的基本结构及原理

半导体光调制器的基本结构及原理学院：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，但是在高速率调制状态下会产生严重的啁啾，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，则可能减小频率啁啾，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：利用量子限制斯塔克效应(quantum-confined-Starkeffect,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.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(ButtMaterial)，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几率大大增加，有效能隙减小，使得吸收边发生红移，这种效应就是Franz-Keldysh效应。由于体材料电吸收调制器的有源层厚度在几百纳米量级，生长控制比较简单；有源层结构对光生载流子的限制较小，光生载流子的逸出相对于多量子阱调制器容易，因而在大功率下的调制特性上，体材料调制器有一些优势。另外，和直接调制方式相比，其频率啁啾也比较小。图6.1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.Wannier-Stark局域化效应图6.1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Wannier-Stark局域化效应)，伴随着这一过程，将出现一系列称为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基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6.1是这类调制器的典型调制特性。在弱电场下时依靠阱间跃迁产生吸收，但是当电场超过一定强度时其阱间跃迁几率迅速减小，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，消光比可达到0.75V10dB，而且器件的啁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。量子限制Stark效应激子eEECEBexcitonEV图6.2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围绕运动，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。EB为激子束缚能，meV量级。2.量子阱材料中的量子限制斯塔克效应(QCSE,QuantumConfinedStarkEffect)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量子阱材料。在体材料调制器中，由于其激子近似为三维激子，其束缚能较小，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，束缚能增大，激子在室温下能够得以存在，从而形成吸收曲线带边尖锐的激子吸收峰。激子吸收峰对应的光子能量为：EgEe1Ehh1EB(6.1)其中，Eg为势阱材料的带隙，Ee1和Ehh1分别为导带第一电子能级与价带第一重空穴能级，EB为激子束缚能。由于激子吸收峰的存在，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6.4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，只是由于电场的作用，激子吸收峰会有所降低和展宽，但仍然保持比较陡峭的吸收边。量子阱调制器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，达到强度调制的目的。如吸收系数的改变量为，器件波导长度为L，则该电吸收型光调制器的消光比为exp(L)，其中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、体积小、结构与 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 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高速率、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、小信号调制带宽和啁啾特性等。其中，消光比、调制电压、插入损耗和饱和功率为静态参数，而调制带宽与啁啾特性为动态特性。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，尤其是进行高速电吸收调制器的设计时，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。在下面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。静态特性消光比与调制电压消光比定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，但不必过高以免造成设计和制作上的困难，一般以10~20dB为宜。调制电压指达到一定的消光比(如10dB)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，无法获得很大的输出电压峰－峰值，所以要求调制器在较小的调制电压(2~3V)下实现一定的消光比(10~20dB)。电吸收型调制器的消光比是多量子阱材料量子限制Strark效应强弱的直接体现。在二级微扰近似下，量子阱基态能级的偏移量可以表示为：E(2)C*224pertmeFL(6.2)1其中，Cpert为一常数，m*为载流子有效质量，F为外加电场强度，L为阱宽。上表明量子限制Stark效应随外加电场的增强而变大，但在实际应用中由于高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高调制器的消光比。另一方面，由于高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)式中还可以看出，吸收边的红移与量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，实现高速调制。但应当指出，在增大量子阱阱宽的同时，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面影响。因此，量子阱结构存在一优化值，需要合理设计以达到最佳效果。(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峭程度、工作波长与吸收边的失谐量决定，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定的静态反压下，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/0作为器件设计的参数，要求/0大于一定的数值，其中0为调制器出于开状态时的吸收系数。为获得较小的插入损耗，需要使多量子阱材料的吸收边陡峭，同时合理地设计失谐量，降低调制器开状态的吸收系数。同时，需要对调制器的端面实行减反镀膜，降低反射损耗。此外，与光纤模场半径匹配的波导结构的设计也是影响调制器插入损耗的重要因素。饱和功率饱和功率可以定义为消光比与小信号条件相比下降1dB时的入射光功率，它反映了电吸收调制器在高入射光功率下的工作特性。电吸收型调制器波导层在对入射光进行吸收的同时会产生光生载流子。在高速大功率工作的情况下，由于量子阱势垒对载流子的限制作用，大量的光生载流子来不及从中逸出，会形成光生载流子的积累。积累的光生载流子会屏蔽外电场，使消光比大为降低，影响大功率下的消光比和调制带宽。在多量子阱电吸收型调制器中，由于量子阱对载流子的限制作用加强，这一效应更加明显。图6.6所示为不同入射光强下的吸收系数。影响光生载流子积累的关键是载流子的逸出速度。实验表明，对光图6.6不同入射光强下的吸收系数生载流子的积累起决定性作用的是光生空穴，特别是重空穴，因为它的有效质量大得多。时间分辨光电流的测量表明，电子的逸出时间常数为30ps，而空穴的时间常数为4.4ns左右。为进一步讨论该问题，考虑光生载流子在有外电场的多量子阱中的寿命。根据热发射和隧穿模型，有：11Aiexp(Ei(F)/kbT)Biexp(2Lb2miEi(F)/)iR(6.3)该式右端各项依次表示复合、热发射和势垒隧穿对载流子寿命的影响。下标i用以区分不同种类的载流子，mi表示该种载流子的有效质量，R为其复合寿命，T为载流子温度，F为外电场强度，A和B是与场强无关的常量，Ei(F)为在电场F下载流子的有效势垒高度，可表示为：Ei(F)EiEi1eF(LwLb)/2(6.4)其中，Ei为势垒高度，Ei1为势阱中的第一束缚能级的能量，Lw和Lb分别表示势阱和势垒的宽度。载流子在势阱中的寿命越小，则其逸出越快。由上面的公式可见，减小势垒高度Ei，加大场强F，减小势垒宽度Lb，都可以减小载流子在势阱中的寿命。因此，针对以上几点，可以提出以下解决光生载流子逸出问题的途径：减小价带的不连续性。由于光生空穴在吸收饱和中起主要作用，出速率。故应尽量减小对光生空穴的束缚，以增大其逸InGaAs/InGaAlAs材料的量子阱价带不连续跃变比InGaAs/InGaAsP材料量子阱小，故可以获得较大的饱和功率。实测表明，前者的饱和吸收功率比后者可以提高至少10倍。但由于Al在生长过程中容易被氧化而形成缺陷，所以人们转而研究InGaAsP/InGaAsP材料的量子阱，因为它也具有较小的价带不连续性。实验证明，采用InGaAsP/InGaAsP多量子阱材料也可以获得较好的饱和特性。此外，应变及应变补偿技术也可以有效地改善调制器的饱和特性。通过在多量子阱的势阱区引入压应变，势垒区引入张应变，使轻重空穴简并解除，重空穴有效势垒高度变小，可以加大其逸出速度，提高饱和吸收功率。实测表明，在InGaAsP/InGaAsP多量子阱调制器的阱和垒中引入1%的应变，可使饱和吸收功率提高将近5dB。如果利用阱区的重空穴能级和垒区的轻空穴能级之间的跃迁，则可以进一步提高调制器的饱和特性。(2)采用间隔层结构。在多量子阱层本征层与n型层之间插入对于工作波长透明的本征间隔层，则饱和吸收功率会明显提高。当加入间隔层后，在大功率情况下，量子阱区的电场并未降低，甚至有局部的增强。电场强度的增加有助于光生载流子的逸出，因而这种结构的调制器可以获得较大的饱和功率。当然，本征间隔层的引入会导致相同偏压下量子阱区电场的降低，使调制电压增大。减小势垒宽度。通过调整阱或垒的组分、改变量子阱势垒的宽度和高度也可以减小量子阱对载流子的束缚。减小势垒宽度有助于载流子的隧穿溢出，同时有利于增大电场强度，提高消光比。但当垒宽过小时，会发生基态波函数的阱间耦合，出现Wannier-Stark局域化，影响调制深度。2.动态特性动态特性是指调制器在高速调制状态下反映出的特性，其中最重要的是调制带宽和啁啾特性。随着光纤通信向着高速率、大容量方向发展，动态特性成为调制器的关键指标，高速调制的实现也成为光电器件研究的重要课题。下面我们仅对动态特性进行简单的概述，关于高速调制器的制作与封装测试将作为重点课题在后面进行仔细分析。1．调制带宽调制带宽指当光调制输出响应比直流静态调制特性下降了3dB时的调制频率。调制带宽标志着光调制器在高频调制时的反应速度，决定了其在高速光通信系统中的表现。在调制器的设计中，为同时兼顾调制电压与调制带宽，可采用调制带宽与调制电压的比值(单位：GHz/V)作为器件性能的表征参数。电吸收型光调制器的调制带宽主要受调制器等效电容的大小的影响，为了提高调制速率，就要设法尽量降低调制器及其封装的电容。目前，电吸收型光调制器的调制带宽最大已经达到50GHz，可以应用于40Git/s的高速数字光纤通信系统中。2.啁啾特性啁啾特性是电吸收型调制器的另一重要参数，它反映了光调制器在强度调制的同时对光信号的频率调制，它限制了光信号在光纤中的实际传输距离[32]。调制器的啁啾特性通常由啁啾因子表示。>0称为正啁啾(或redchirp),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；<0称为负啁啾(或bluechirp)，引起被调制信号的前沿发生频率红移，而后沿出现频率兰移。电吸收调制器一般具有正的啁啾因子。由于目前广泛采用的单模光纤在1.55m的最低损耗窗口处存在17ps/nm/km的反常色散，使得频率高的信号具有较大的传播速度，调制器的正啁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定误码率下的传输速率和传输距离产生严重的限制。电吸收调制器的啁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料吸边与入射波长的失谐量，可以改变电吸收调制器的啁啾因子。目前，已经有关于<0.6甚至负啁啾的电吸收型调制器的报导。M-Z型半导体调制器工作原理图6.7一个典型的半导体多量子阱M-Z调制器图6.7为一典型的半导体多量子阱M-Z调制器，其原理是将入射光分为两路，利用材料的折射率随外加电场而改变的特性，对两路光的相位关系进行调制，当它们再相遇时发生干涉，实现对光强度的调制。在半导体多量子阱材料中，由于量子限制Stark效应，材料折射率随外加电场变化是非线性的，可以表示为：n(E)13sE22n0rE(6.5)其中，E为外加电场强度，n0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(V)(V)Ln(V)2Ln03LrEsE2(6.6)00其中，为电场与光场的重叠积分，0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定的关系，可以表示为E＝f(V)，这一关系与器件结构有关。M-Z调制器的重要参数开关电压V即＝时的电压值。在每一个调制臂中，光场可以表示为：E(V)E0exp(V)(V)L(6.7)j2其中为衰减常数。上式中略去了含0和0的项。如果定义调制器输入、输出两个分支结构的功率分配系数分别为SRin=(P1/P2)in,SRout=(P1/P2)out，在输出端的总光场为：E(V1,V2)EiSRinSRoutexp(V1)(V2)2j(V1)Lexpj(V2)0L2E0Ei(6.8)1SRin1SRout为一个与材料特性、器件结构、工作方式以及偏置电压有关的常数。由(6.8)式可以看出，M-Z调制器的传输特性是周期性的，因而，调制器可以选择不同的工作点。调制器工作特性与其它调制器一样，表征M-Z调制器性能的主要参数为：消光比、调制电压、插入损耗、小信号调制带宽以及啁啾因子。但在具体考虑上，与EA调制器和铌酸锂晶体的M-Z调制器都存在不同之处。消光比与调制电压消光比指调制器在通断状态的输出光强比，一般要求在10dB以上。多量子阱M-Z调制器的消光比主要与器件的结构、工作方式、分支结构的功率分配比等都有关。如果在输出端两路光汇合时，它们正好是相位相反、强度相等，则可以得到最为理想的消光比。由于量子限制Stark效应的影响，半导体多量子阱材料的电光特性是非线性的。在一定的器件结构和工作方式下，两调制臂中光场所感受的偏置电场是不同的，这就造成了即使在相同的调制电压下，两臂中光场所经历的损耗和相移也不相同，进而影响到器件的消光特性。分支结构的分配比决定了分路和汇合时两路光的功率比例关系，当然也会影响到消光比。从(6.8)式可以看出，在其它条件给定的情况下，消光比只决定于SRinSRout。通过调节分支结构的功率分配比，使较多的光功率进入衰减较严重的那个臂中，会改善器件的消光特性。调制电压指为达到一定的消光比所需施加的驱动电压。由于获得大的峰-峰值输出电压的高频驱动电路很困难，所以要求调制电压越小越好。M-Z调制器的调制电压大小一般可以由开关电压V来衡量。从(6.6)式可以看出，通过增大、调制臂长度L和多量子阱材料的电光系数可以获得较小的调制电压。增加量子阱数目和采用高脊结构，可以使光场和电场分布更加集中，从而增大。这样还有利于减小调制器电容，但同时也会使调制电压增大。增加器件长度会增大器件电容，影响调制速率。这就需要对器件结构进行优化。需要注意的是，调制电压与工作波长，确切地说是工作波长与材料激子吸收峰的失谐量，以及偏置电压有关。在较大的偏置电压或较小的失谐量下可以获得较小的调制电压，但同时却降低了消光比。所以在同一器件中，小的调制电压和大的消光比有时会是矛盾的，需要根据实际的要求来权衡利弊。在这里，可以引入一个新的量――消光比与调制电压的比(dB/V)――来衡量调制器的性能。插入损耗对分立的M-Z调制器来说，插入损耗来源主要有输入输出耦合损耗、反射损耗、波导间的耦合损耗、弯曲波导的辐射损耗、分支结构的反射、辐射和散射损耗以及波导传播损耗等。对于铌酸锂晶体M-Z调制器，由于材料的本征吸收、因而传播损耗很小，所以可以采用很小角度的Y-分支和曲率半径很大的弯曲波导结构，以减小弯曲损耗及Y-分支的损耗。但对基于半导体多量子阱材料的M-Z调制器，在通常的器件工作波长与材料激子吸收峰的失谐量下，材料的吸收还是很显著的，需要尽量减小过渡波导的长度。采用大角度的Y-分支和小半径的弯曲波导可以达到这一目的，却增大了损耗。所以对弯曲和分支结构需要进行优化设计。另外，通过优化波导结构和端面镀减反膜，可以减小耦合损耗和反射损耗。通过优化失谐量可以减小波导传播损耗，但必须同时考虑到消光比、调制电压，因为这些特性都与失谐量有很大的关系。为减小传播，可选取较大的失谐量，这也有利于提高消光比，但却增大了调制电压。通过优化多量子阱结构，使材料的吸收边陡峭，则有可能在一个合适的失谐量范围内，使这些性能参数都达到比较理想的值。3)调制带宽小信号调制带宽指光调制输出响应比直流调制特性下降3dB时的调制频率。它和下面将要讨论的啁啾因子都反应了调制器在高速调制下的动态特性，是系统最为关心的参数。在铌酸锂调制器中，材料的电光系数较小，直接调制所需VL很大，而调制电压又不可能很大，就只能靠增大器件长度，这使得器件的电容很大，很难实现高速调制。所以铌酸锂高速调制器都采取行波调制的方式。在多量子阱M-Z调制器中，多量子阱材料的非线性电光系数比体材料的大两个量级，所需VL较小，因而不需要采取行波方式。在这种情况下，调制带宽主要受限于调制器的等效电容。另外还需减小电极引线电感和电阻，以进一步提高调制带宽。调制器的等效电容主要包括多量子阱区在反向偏压下的势垒电容和电极间的平板电容，另外还有其它杂散寄生电容。通过优化多量子阱材料和工作条件，可以得到较小的VL，在相同的调制电压下，就可以减小调制臂的长度，这能够有效地减小势垒电容和电极电容。采用高脊波导结构，也可以减小势垒电容和电极电容。采用图形电极以及填充聚酰亚胺可以有效地减小电极电容。在减小调制器电容的同时，仍需要考虑调制电压、插入损耗等其它参数，因为上面提到的一些措施会影响到这些参数。4)啁啾因子啁啾因子反映了调制器对输出光信号的频率调制。>0称为正啁啾，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，在常规单模色散光纤中将加速脉冲的展宽，限制了光纤通信系统在一定误码率下的传输速率和传输距离。在<0的负啁啾情况下，频率啁啾正好相反，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，从而延长一定误码率和传输速率下的传输距离。现在普遍认为，在＝－1的负啁啾下可以得到最佳的系统传输性能。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啁啾因子上。上面的(6.9)式又可以表示为：E(V1,V2)I(V1,V2)expj(V1,V2)(6.9)则小信号啁啾因子为：d(V1,V2)(6.10)＝2dlnIV1,V2因而，在M-Z调制器中，啁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啁啾因子。在M-Z调制器中主要是靠后三者来控制啁啾。在优化调制器的啁啾因子的时候，一般会使调制器的消光特性恶化，而在实际应用中，啁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啁啾，即使牺牲一点消光比，但经过长距离传输后，负啁啾的好处就显示出来了。另外一个性能参数饱和功率在设计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.,LEOSProceedingsofthe199811thAnnualMeetingIEEELasersandElectro-opticsSociety,Part2,Dec.1~4,1998:169~170.RizaN.A.,J.ofLightwaveTechnology,1999,17(9):1575~1584.李玲，黄永清编著，光纤通信基础，国防工业出版社，1999年，178页。黄章勇编著，光纤通信用光电子器件和组件，北京邮电大学出版社，2001年，页。FouquetJ.E.,LEOSProceedingsofthe199811thAnnualMeetingIEEELasersandElectro-opticsSociety,Part2,Dec.1~4,1998:169~170.RizaN.A.,J.ofLightwaveTechnology,1999,17(9):1575~1584.