半导体光调制器的基本结构及原理

1、半导体光调制器半导体光调制器的基本结构及原理的基本结构及原理学院：电子信息学院学院：电子信息学院专业：光电子科学与技术专业：光电子科学与技术学号：学号：1142052022姓名：代中华姓名：代中华一一 引言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

2、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-Stark effect,QCSE)的电吸收(Electroabsorption, EA)调制器和 Mach-Zehnder(M-Z)型光调制器。二二 电吸收调制器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.

3、 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

4、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。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 局域化效应局域化效应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

5、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。图 6.1 超晶格型电吸收光调制器图 6.1 超晶格型电吸收光调制器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 0.75 V 10 dB，而且器件的啁啾特性也比一般

6、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. 量子限制量子限制 Stark 效应效应1. 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。BE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, 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

7、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：EEEEgehhB11(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

8、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。EECEBeexcitonEV图 6.2 能隙中的激子图 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。三三 量子阱调制器量子阱调制器1. 量子阱电吸收调制器的结构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

9、， 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

10、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。由于这些特性图 6.4 量子阱材料吸收谱随外加电场的变化指标往往相互制约， 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

11、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 10 dB，但不必过高以免造成设计和制作上的困难，一般以 1020 dB 为宜。调制电压指达到一定的消光比(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， 无法获得很大的输出电压峰峰值， 所以要求调制器在较小的调制电压(23 V)下实现一定的消光比(1020 dB)。电吸收型调制器的消光比是多量子阱材料量子限制 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：

12、ECm e F Lpert12224( )* (6.2)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

13、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

14、/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。(3) 饱和功率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 1 dB 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

15、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 30 ps，而空穴的时间常数为 4.4 ns 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：iRiibibiiAEFk TBLmEF1122exp

16、() /)exp() / )(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：EFEEeF LLiiiwb()() /12(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。

17、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：(1) 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， 故应尽量减小对光生空穴的束缚， 以增大其逸出速率。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

18、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，可图 6.6 不同入射光强下的吸收系数以加大其逸出速度，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 5 dB。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

19、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。(3) 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

20、，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 3 dB 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

21、，电吸收型光调制器的调制带宽最大已经达到 50 GHz，可以应用于 40 Git/s 的高速数字光纤通信系统中。2.啁啾特性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 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； 0 称为负啁啾(或 blue chirp)，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 1.55 m 的最低损耗窗口处

22、存在 17 ps/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 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：),(exp),(),(212121VVjVVIVVE(6.9)则小信号啁啾因子为：2121,ln