高速光电半导体器件-6.3节翻译

1、 电光调制器 电光调制器的原理是基于对电光物质加载输入电压，电压所产生的电场对该物质折射率的调制中所示的是一张简单的原理图，它由一个电容组成，这个电容的绝缘物质是一块电光材料。在静态条件下，输入电压将作用于电容的端，电容之间的金属板将产生一个相关的巨大的电场，其中h就是两块金属板之间的距离。折射率的变化指数，电场能够线性地调制通过电容的光波相位，这个相位变化。通过使两条相位已调制的光线发生完全的干涉现象，从而能够获得振幅调制。这就是Mach-Zender 调制器的原理；其他它的调制方法包括基于偏振的调制器，其中的原理是通过外加的电场改变偏振方向而偏振器在空闲状态阻挡输出区的光场。在定向耦合器中

2、，外加的电场改变一个从传输端（打开状态）到接收端的定向耦合的状态（关闭状态）。 几种可应用于制作电光调制器的电光材料物质：铁电晶体所具有的压电特性，例如铌酸锂（LiNbO3,经常利用LN来表示，最可能是今天最重要的材料），钽酸锂，钛酸钡在大体积或者薄片上面；半导体（GaAs 和 Inp）；最后，电光聚合物。基于硅片的调制器已经被提出，它可应用于开发由电荷注入所引起的折射率变化 半导体展示了一种比铁电晶体更加微弱的电光效应，但是相关的结构能够提高感应电场归咎于其中结点效应，（也就是，外加电压作用于一个非常短的距离之内，如在一个pin节点结构的本征区附近）。此外，量子阱和多量子阱的结构能被利用于改

3、变物质的响应。在下一部分中，我们将主要聚焦于不同装置在不同材料结构时的相位调制及其调制的具体过程；Mach-Zehnder振幅调制器将会在本章的6.4节部分讨论。 尽管在图片6.5中，根据电方面相关的特点，相位调制的结构是一个电容，调制带宽通过RC的阻断（即发生器电阻的电阻值）而被限制。集中的结构可以达到实践要求，在现实的驱动电压中或者几个Gbps的传输速度;高速调节器是基于分配，导波路径（查看）4 SDFR是输入能量或者输入电压的时间间隔，也即是系统运行时的信噪比于系统的规格（最低下限）和可接受的失真（最高上限）。几种最高上限的定义是可利用的。（例如：输入能量与在互调水平的输出能量等于噪声输

4、出水平） 图片 相位调制的原理是通过给电光调制器加载一个外加电压 铌酸锂电光调制器 铌酸锂（LiNbO3）是一种各项异性的单轴晶体（由于铌酸锂和其他电光材料的特性，查看，例如）。这种材料的介电常数是一个张量(它的长方型成分能够组成一个3 x 3 的矩阵)，当相关系统符合晶体的主光轴时，这个张量会变成斜线。尽管该晶体是单轴的，它的其中一个轴（被称为光学的或者特别轴）是固定的，当其它两个轴（被称之为普通轴）能够被任意地在平面直角到光轴(普通轴)之间被选择。在这样一个坐标参考系统中（把x和y作为普通轴，z作为特别轴），绝缘体的介电常数是一个对角矩阵：其中有： 这两个折射率no和ne分别是普通折射率和

5、特别折射率，由于材料物质的散射差异，在射频或者微波中的数值和光学中的数值是很不相同。在射频中有：从另一个方面来讲，光学中的数值是更低的： 另一个需要考虑的影响是（归咎于它的压电特性）LN从DC 到射频说表现的强烈的频率色散，从而有：在低频压电体增加电解质响应，但是在射频和力学相关的力学效应之上正在中止状态，导致一个明显的电解质参数的色散。这或许导致在低频时一种异常的调制器响应（例如：在 M赫兹范围内）。由于电光效应，介电常数矩阵，的元素（相关的），也是一个外加电场元素的函数。这个函数能够在一系列的无限的系列中被方便地通过膨胀的变量来表示为：这其中有就是外加电场在矩形器件中的扩展（单位向量分别为

6、，），是二次线性方程张量r（维数是3 x 3 x 3 , 27个元素）的元素，是二次线性方程张量s（维数是3 x 3 x 3 x 3, 81个元素）的元素。尽管在LN中，线性电光效应（也称作普克尔效应）对二次效应具有主导效果（也被称之为克尔效应），我们将继续聚焦于先前的理论并可以写出： （6.6）这里是我们已经联想到的，利用相关的介电常数矩阵的元素，即一个略去的指数如，而且我们可以进一步假设这个变化量是很小的，因此它能被有关联的变化规则所说包含。线性电光张量元素独自地满足应用领域的相互利益。这暗示着，以便于27个元素中只有18个是独立的。为了简化这一表示方法，简约的数字表达方法被引进：一个18

7、个独立的元素集合到一个3 x 6的矩阵中是通过简化最初两个系数i j到一个指数i，根据的是如下规则：i j=11i=1 i j=（23，32）i=4i j=22i=2 i j=（31，13）i=5i j=33i=3 i j=（21，12）i=6在简化的指数标记法中，折射率的变化能都被这样表达： 或者，扩展为：， i=16现在让我们考虑LN中的具体细节。我们表示相关系统主轴方向的介电常数，而且将系数（1，2，3）与矩形坐标轴的（x，y，z）轴相联系起来。其中z是光学轴或者特殊轴，而x，y都是普通轴。由于LN晶体是均匀对称的，在r中的大多数元素都为0，也有一些是相等的；那些唯一非零的的元素如下值：

8、 9 pm/V 30 pm/V 6.6 pm/V一般来说，一个外加场将改变所有介电常数矩阵中的构成元素，从而导致主轴的一些改变。我们限制对相关应用的分析并且假设外加场的方向是直接沿着光轴方向，例如：当同时满足 和时，就有。在这种情况下，考虑到那些r方向唯一的非零元素，（6.7）提过（为了说清楚，我们在直角坐标中恢复部分的扩展指数标记法）：利用上述对外加场的那样一个选择，介电常数矩阵中的非对角元素总是为0，而主轴上的元素不会为零场的状况有很大关系。此外，最大的元素被利用，从而导致了特殊折射率的变化量;普通轴的折射率变化量展示了一个更小的变化。通过合理地安放光波导和电极设置，上面对外加场的结构的描

9、述也可以在LN调制器中能够被应用。在1000摄氏度的温度下，将钛（Ti）元素经过410个小时的扩散，光波导就能够在一个LN衬底中被实现。Ti元素的扩散明显地增加了LN的折射率，将产生一个接近高斯折射率的光波导。典型的扩散宽度被定为510um，导致在光波导平面产生一个类似的光波模式点。考虑到光波导的方向与晶体的方向有光，下面两个方案可以被采用： 在Z-cut结构中，光轴对于晶体表面来说是垂直的，而光波导的轴线对于x或者y轴来说是平行（记住这些普通轴的方向是任意的）；查看图片6.6(左边)。光波偏振模式是横向磁场（TM）；5 报告的值是图片 Z-cut (左边) and X-cut (右边)的结构

10、是一个在铌酸锂衬底中传播的光波导也就是.，电场极化方向是沿着光轴的。在这种情况下，该模式的折。沿着z轴方向（平行于光场）的射频电场的应用将会导致这种极化方向的折射率的变化：在X切片的结构中，光轴与晶体的表面平行或者是与光波导的轴线垂直的，查看图片6.6(右边)。当晶体表面和y轴（或者x轴）垂直时，光波导各自沿着x轴（或者y轴）方向传播。这个方向的光偏振模式是横向电场（TE）；也就是.，电场的极化方向再次沿着光轴方向，这时候是水平的。在这种情况下，该模式的折射率就是。沿着z轴方向（平行于光场合晶体表面）的射频电场的应用导致了这种极化方向的折射率的变化： 在Z切片的情形也是一样的。Y切片结构当然和

11、X切片的是相同的。Z切片结构和X切片结构看起来在光波导方向应该是相同的；尽管如此，射频电极设置是不同的，需要要制作一个合适方向上的电场。事实上，在Z切片衬底上，光场必须与一个垂直的射频场相互作用，以便共面的光波导（所有的电极都在晶体表面）和微波传输带（一个电极爱表面，一个接地的电极在晶体的底部）都是可能的。从另一方面来讲，在X切片衬底中，相互作用和微波场中的平行组成量是有关的，因此只有一个平行的电极结构是可用的。射频电场线和光波导的位置在图片结构和X切片结构。在Z切片的情形中，光场必须和垂直的电场相互作用，从而光波导的位置是在射频电极下面。用这样的方法，场强达到最大值，但同时缓冲的电介质应该被

12、插在光波导和金属电极的两端，已避免在横波模式（TM）中产生很大的光损失。图片 6.7 RF电极结构中的Z切片衬底（上面的）和X切片衬底（下面的）就如在章节部分中被讨论的，缓冲电介质的引入是由于要改变分配调制器中射频模式和光波模式同步的需要。在X切片中，光波导应该和水平场相互作用讴歌，以便使其置于两个电极之间。原则上，没有缓冲电介质用于阻止损失，但是场强比Z切片中稍微有点低。注意到X切片和Z切片的都够都是独立的计划，也就是.，他们的相互作用需要纵波模式（TE）或者横波模式（TM）的极化场。从一个系统的观点来看，这个暗示着输入光信号或者载波的极化是通过一个满足极化的（PM）光纤来建立的。Z切片结构

13、相对于X切片结构在相互作用强度方面大约有30%的优势；然而，Z切片的运行会被与之相关联的静电感应电荷所影响：这归因于材料的压电性质，即在光轴垂直的自由表面产生了感应电荷。在Z切片的结构中，感应电荷慢慢地堆积在材料的上表面，而那正是放置电极的地方；感应电场叠加在外加的偏置上，导致了在偏置点上长期的波动，进而影响了装置的操作性和可靠性。在X切片的机构中，从另一方面讲，电荷的增强发生在两个侧表面(LN边缘)上，这些侧面与设备的封装相联系而且能被适当地敷以金属以便缩短感应场的距离。因此，在X切片结构中，电荷的积累是不起作用的，而偏置点也不会经历缓慢的漂移。在Z切片结构中，要完成抑制偏置漂移是通过在最上

14、表面加一个有电阻的沉积层，被称之为电荷流动层；这个层次重新分配过度的感应电荷，即当它的电阻没有足够大到抵消RF的运行和偏置时。电荷流动层能够被应用，例如，可通过多晶硅的喷溅可实现。事实上，最后的观点被认为：射频场和光场的相互作用在相互作用区是不匀称的。为了将外加电压和该模式的折射率变化联系在一起，我们在微波和光场之间引入了重叠积分。考虑到该模式的电场波动方程（假设，如TE模式；同样的处理方法对TM模式也可以），它的增量（沿着Z方向）始终和相等：一个轻微的波动导致微波增量始终在变动。考虑到（6.9），可以认为干扰场为，我们可得到： 方程式的每一边都乘以并且综合上面通过我们所找到的相交位置的波导，

15、将和（和是真实的）都要考虑到，由其可知，当，用来表示射频场，考虑到章节（6.8），我们得到：其中有：是标准化的电场（标准化是通过一电压被一个距离 G相除所得到的）；是一个外加电压，G是一个两个共平面的电极自己间隔，查看图片。特殊轴的折射率的变动和模式（TM模式或者TE模式）的折射率的变化有关联，因此： 图片 6.7 一个有共面电极的X切片LN调制器中的交叉部分微波电场线路和光模式图案。电极间的距离就是间隔G这里的重叠积分是： 这相当于假设它是一个均匀的射频场。如果场是均匀的（就像在一个平行板结构中，他们的间隔符合两个板子之间的距离），那么重叠积分等于联合积分。对于TM电场，其原理是一样的，但相

16、关的重叠积分可能不同，这个是由于不同的光场模式所致。一个总结性的评述涉及到沉淀在LN衬底上的共面电极结构中射频的传播特性。这样一个共面波导支持一个类似TEM（横纵模式）的传播模式，其中电场和磁场分布在几乎整个的横向平面内。传输线路所通过的部分的折射率（对应于在Z切片和X切片结构中，由普通的和特别的轴线所决定的平面）是各向异性的，但是这个类似TEM（横纵模式）模式效果的微波传播指数被简单地给出了，通过如下计算： （6.11）因此，射频的折射率数比光学折射率更大一些。尽管射频相位变化速度大约是光相位变化速度的两倍，应当适当地减小以便在分配调制器中达到同步耦合；查看6.6章节。6 重积分的定义与章节

17、（5.18）相一致，为电解质导波板引进同样的参数，其中（在有激光的情形下，这个变量和材料的吸收有关）在积极区被认为是一样的。7 在半无限电介质衬底上的共面光波导的参数，那两个主要的光轴对于电介质表面来说分别是平行的和垂直的，用电容和来表示，即（查看86），能够被用于显示符合光同样的波导在各向同性的衬底中的传播。6.3.2 半导体电光调制器基于GaAs 和 InP的Mach-Zender调制器已经被应用于离散形式和集成于电源中。为了简洁一点，让我们限制对GaAs处理。GaAs是一种各向同性的，微波相对介电常数为13，微波折射率为，光学折射率为。由于晶体的匀称性，GaAs的线性光电张量的大多数元素

18、仍然是为0，许多事相等的，唯一不为0的元素有如下值（在时）：1.2 pm/V通过对（6.6）式仔细观察，当外加一个电场时，只有介电常数矩阵的非对角元素改变；例如.，这种材料变得各向异性了。简单地说，我们这里指的是实际上利用了的两个电极结构，在图片6.9中所示。在结构图（a）中，当光学TE场被y方向极化时，该半导体在沿河Z轴方向生长。外加电场是垂直的（沿着Z方向）。在结构图（b）中，生长再次沿着Z轴方向而外加电场的方向也是沿着y方向。在最初的参考系统中，我们令Z=Z，此时其他的轴由于非初始轴x，y（定义为沿着晶体轴线的方向）影响而旋转了。在两种情形中，导向结构包括一个双A1GaAs-GaAs异质

19、结构，它提供垂直方向的光限制。掺杂点被开放以便用于提高外加电压的效果。在一种各向异性的材料中，通过指数椭球来对主轴线进行识别，用这个方程式来定义：其中，我们考虑到了材料的相互性并且利用简化的参数标记法。对于GaAs ，我们一般可得到： 基于GaAs的电光调制器的电极结构（a） 微型带状电极 （b）平行电极因此，当存在一个外加电场时，该折射率椭球变为：现在考虑到在图片6.9(a)中所示的情形；外加电场是垂直的（沿着z轴方向）以至于折射率椭球变为：这个最初已经引入的坐标系是通过由非初始的坐标系在xy平面上旋转了所得到的。如下所示： ， ， 例如： ， 这个新得到的y现在与光轴平行（在图片6.9（a

20、）所显示的）。取代后，我们可得：因此，在主光轴线上新的折射率（对角的）坐标系统将变为:TE模式经历一个模式折射率系数的变化（沿着y方向）；在同样的情况下，TM模式（垂直方向的偏振）是不受影响的。折射率也会沿着x方向变化，以至光波导恩被定义为与那个方向垂直。因而这样得到一个偏振独立并且和一个LN Mach-Zender调制器相似的调制器。在图片6.9（b）中所示的情形更复杂，尽管一个电场与TE场平行使得材料双轴化，即主要光轴在TE和TM模式上有非零的投影。这样得到的模式耦合导致了模式的转换：当一个有着反相位的确定的波长的光波输入到TM模式中时，TE的输入模式被转换了，反过来亦然。在Mach-Ze

21、nder调制器的结构图中，当处于外加电压下，在TE模式中每个方向的元素都被转换为TM模式的元素，在输出端标（相消作用）已相反的标志， 用垂直射频场对偏振独立的调制器的电极设置（左边） 用水平射频场对偏振独立的调制器的电极设置（右边） 其中的波导是一个双异质结构的GaAs-A1GaAs；突出部分的宽度通常是几十微米。摘自88，图片 4.当TM模式的成分被转化成TE模式的成分时也用相反的标志（也是相消作用）；此外，据此可以证明模式指数的有效变化率是，也就是这一结构的有效作用是具有垂直电场结构的两倍87。因此，最终得到的调制器是偏振独立的。关于这两种结构的更为详细的说明看见于 88。在物质层面上讲，对比LN和GaAs的相关优点，我们认为这些优点的数值是，而不单独是r。从这一观点来说，在LN中=320 pm/V ,而在GaAs中为=51pm/V。然而，有几种方法可以提高GaAs的电光电势。首先，在室温下有激子效应的量子阱或者多量子阱结构会因为体积膨胀的关系而增加系数r。再次，联结效应（这个在LN中当然是不能实现的）可在同样的外加电压所得的电场中获得增强。为了做一个比较，想象一下在一个间距为10um（大约是钛扩散波导光学斑点所允许的最小值）的平行电极上和一个有着固定厚度的累层的pin节点处加载这个相同的电压。这个因素要是20就有助于GaAs的产生，以致于GaAs