论述半导体电吸收调制器的原理、材料选择及其应用

论述半导体电吸收调制器的原理、材料选择及其应用一、引言随着光纤通信技术和现代光子技术的不断发展，在现代光通信传输系统中，采用传统的激光器[1]进行直接调制已经不能满足光纤能够提供更高的传输速率和更大的传输容量的需要，主要归因于其会引起很大的相对强度噪声以及波形的失真[2]，严重限制激光器在高频率下(20GHz)的直接调制，而且激光器直接调制所引起的较大的波长啁啾也会影响光纤通信系统的传输速率和传输容量，由于这些限制的存在，现如今，外腔调制成为目前光纤通信系统中主要的调制方式。在外腔调制中，电吸收调制器(EAM)是现代光通信传输系统中的关键器件，是目前全光网络研究的热点。作为现代光纤通信系统中最重要的光学器件之一，电吸收调制器具有体积小、结构紧凑、高速、低啁啾、易于集成、强非线性吸收特性等优点，使得它与半导体激光器集成形成紧凑、稳定的集成光源模块，成为高速率、长距离光纤传输系统中最有前途的光源之一[3]。随着通信技术的发展，对电吸收调制器的研究也不断深入。从最初由于吸收效率低、所需驱动电压高等缺陷在应用上受到了限制的体材料电吸收调制器。到20世纪90年代的量子阱半导体电吸收调制器，吸收效应提高了将近50倍。21世纪，波分分复用(WDM)技术及光时分复用(OTDM)技术迅猛发展。半导体电吸收调制器(EAM)以其体积小、结构紧凑、利于集成、良好的光开关特性、低噪声及高非线性吸收率等多种独特优点，成为符合网络全光化发展方向的高性能光子器件。如今，电吸收调制器的应用领域逐步扩大，不仅可以与半导体激光器集成形成高速稳定的光源模块，在高速波分复用(WDM)技术及光时分复用(OTDM)得到了广泛的应用，基于电吸收调制器波长转换及时钟提取、信号再生等技术也已实现。二、工作原理与物理机理电吸收调制器（EAM）是利用半导体中激子吸收效应制作而成光信号调制器件。它是一种损耗调制器，利用Franz--Keldysh效应和量子约束Stark效应，工作在调制器材料吸收边界波长处[4]。2．1Franz--Keldysh效应Franz--Keldysh效应是指在电场作用下半导体材料的吸收边红移。在外电场的作用下，能量小于禁带宽度的光子也可以被半导体吸收。图2．1块状半导体材料p-i-n结构在外电场作用下的能带图Franz-Keldysh效应基于在外电场作用下块状半导体材料对入射光吸收过程中的电子跃迁隧道效应，如图2．1所示，同时受电子-空穴之间库仑作用的影响伴随着激子共振效应[5,6]。随着外加电场的增大，块状半导体材料I中的激子很快被离子化，使得材料光吸收谱中与之相对应的吸收峰随着外电场增大而很快消失，这限制了应用Franz-Keldysh效应的半导体电吸收调制器的性能[11]。2．2量子约束Stark效应-(QCSE)效应在半导体量子阱材料中，当法向电场施加于量子阱层时，电子和空穴的能级发生偏移，导带底能级与价带顶能级之间的能量差变小，同时电子和空穴在外电场的作用下分别向相反的方向移动使得激子能量降低，造成激子吸收的Stark移位，这种存在于半导体量子阱材料中的电吸收效应被称作量子限制Stark效应(QCSE)[6-10]。图2-2量子阱能带示意图当外加电场垂直作用在量子阱上时，方形能带结构发生倾斜，因此电子、空穴的限制也发生改变，电子能级E与空穴能级E降低，从而使得激子吸收峰向长波长方向移动(即俗称的波长“红移)。激子吸收谱线线宽由于电场的作用而进一步展宽，这两个因素的同时作用使得长波长一侧的带边光吸收发生巨大的增加[4]。三、理论分析模型EAM的基本结构是一个PIN结构，它的调制区是一个PINInGaAs／InAIAs波导[12]。其中N区部分是交替生长的多层结构，相当于光学增反膜堆。每层的折射率和厚度根据中心波长按光学增反膜堆设计，依靠应变超晶格结构实现与衬底间的晶格匹配。I区部分为多量子阱（MQW）结构。如图3-1所示。图3-1电吸收调制器(EAM)的横截面示意图，3．1等效电路模型图3-2电吸收调制器的射频等效电路电吸收调制器的等效电路如图3-2示，在这个模型中，调制器的光电流被等效为一条电流路，这条电流路由一个等效电阻RJ=(dI0/dVJ)-1表示，I0表示光生电流，VJ表示结的直流电压；RS为电吸收调制器的串联电阻(包括掺杂半导体层的体电阻和欧姆接触电阻)；CJ为结电容，CP为压焊点的寄生电容；Rcon和LM分别为压焊金丝的电阻和电感。图中虚线框内的部分就是电吸收调制器的本征部分。电吸收调制器的频率响应定义为输出光强中频率分量幅值与输入电压频率分量幅值的比值，而输出光强与结电压成比例关系，因此电吸收调制器的本征响应定义为CJ两端的电压频率幅值与CP两端的电压频率幅值之比[12]。3．2数学计算模型在利用交叉吸收效应实现全光逻辑门[14]，一般需要三个以上的光信号注入，而此时，模型必须扩展到多信号情况，数学模型如下：=-(3-1)其中，N是MQW-EAM中载流子数，为EAM两端的损耗，是随载流子数目和波长变化的纤纤损耗,τ是载流子的渡越时间，Pi是注入的光信号，包括泵浦光、探测光，另外还可以把噪声加进去，λi为输入的光信号对应的波长，C为真空中光速。本模型假设EAM仅对信号光的吸收才导致载流子变化，忽略EAM中散射和辐射带来的损耗，且EAM两端的输入输出损耗假设相等。另外，载流子渡越时间τ=τ(V,N)，是电压V和载流子数N的函数，具体数值可通过实验进行测定，一般当电压固定时，可近似为常数。四、工作特性分析电吸收调制器具有五个重要的特性参数：吸收特性、消光(on／offratio)特性、偏压特性、插入损耗特性以及啁啾特性[4]。4．1吸收特性电吸收调制器EAM材料的吸收特性可以用光吸收系数来表征。(4-1)光吸收系数是外加电压、入射光子能量的函数，同时又是与波长相关的函数。4．2消光特性电吸收调制器的消光特性体现在材料的消光比(ExtinctionRatio，ER)，由于对入射波长十分敏感，在不同波长下的消光比不同。其定义为光调制器在通断状态时的输出光强度比(入射光强度pm与透射光强度pout的比值)。表达式：[on／off]=-10（4-2）消光比是强度型调制器最重要的参数，对于一个实际应用的系统来说，所需的消光比大约在15-20dB。而在实际的调制系统中，通常要以很小的调制电压实现较大的消光比。在外加电场强度相同时，入射光的波长越小，消光比越大，消光效率越大(但同时插入损耗也相应的增加)。对于同一波长，当电场强度增加时，由于有多个吸收峰依次共同通过工作波长，消光比先达到极大值后又减小。4．3偏压特性EAM是一种p-i-n型半导体器件，这种结构使得当有更大的电场加到量子阱上时却能产生很小的漏电流(会导致器件的发热等效应)。p-i-n结构中的i层由多量子阱(MQW)波导构成，并且i层对光的吸收与损耗与外加偏压有关。通过改变调制器上的偏压，使得多量子阱(MQW)的吸收边界波长发生改变，进而改变光束的通断状态，从而实现对光的调制。4．4响应速度对于电吸收调制器来说，响应速度是一个必须要考虑的关键参数。电吸收调制器的响应速度可以从时域和频域两方面来检测。在时域测量中，给调制器加入一个随着时间微小上升或下降的电脉冲，就会观察到产生的光脉冲；在频域测量中，装置以正弦形式驱动，信号在传输过程中的振幅以±10％变化。光信号的调制振幅通过正弦驱动得到的扫频信号来监测，并且调制信号功率的电检测频率以2为因子降低，用V3-dB表示：(4-3)式中，R为电源电阻。提高装置的响应速度最简单的方法就是减小电容。4．5插入损耗特性对于所有的EAM来说，插入损耗的重要来源就是物质在透射光功率最大时的剩余吸收损耗。这种损耗或是由于量子阱自身的带尾现象产生的，或是由于涂层中自由载流子的吸收而产生的。插入损耗可以表示为：（4-4）产生插入损耗的原因有很多，在实际的调制系统中，考虑到调制器效率的问题，通过各种技术减小插入损耗是相当必要的。而选取适当的工作波长通常是解决插入损耗最小化和消光比最大化的一个折中的办法。4．6啁瞅特性啁啾是限制系统性能的主要因素。在电吸收调制器中，外加电场的作用使得吸收系数发生改变，材料结构中吸收系数的任何改变都会引起相位的改变，这种现象在强度调制中就引起了啁啾，啁啾会使在光纤中传输的光脉冲由于色散效应而发生展宽。因此，强度调制总是伴随着相位调制并产生相应的频率啁啾。啁啾的大小定义为折射率实部的变化量与虚部变化量的比值(即折射率的变化与消光系数变化的比值)，用符号表示。（4-5）其中下脚标表示“线宽增强因子”，和别代表在电场作用下折射率的实部和虚部的变化，为消光系数(即虚部)的变化。五、在光信息技术中应用随着现代光子技术的发展，对当前的光纤通信网提出了更高的要求。一方面，通信链路需具有足够大的传输容量和进一步扩容的能力；另一方面，网络节点要能够灵活地对高速数据进行处理。近年来全球很多实验室在研究利用EAM强非线性，用于实现超短脉冲、波长变换、时钟提取等全光信息处理[3]。5.1基于EAM超短脉冲产生技术的应用EAM通过采用多量子阱(MQW)结构和应变补偿技术，可获得高速、高调制深度、低啁啾和低驱动电压的EAM，而且它易于与DFB半导体激光器集成，从而降低耦合损耗，形成紧凑、稳定的集成光源模块，成为高速率、长距离光纤传输系统中最有前途的光源之一。5.2基于EAM波长变换技术的应用基于EAM波长变换技术该技术具有以下几方面优点：(1)由于基于EAM的波长变换只需对EAM进行偏置电压控制，操作简单；(2)EAM具有偏振不灵敏性，使得基于EAM的波长变换也为偏振不灵敏的，就可消除光脉冲长距离传输中由非线性色散效应产生的形变，而且缓解了频率啁啾。所以，这种波长变换技术受到了人们的广泛关注。目前，基于EAM的波长变换技术在上、下行链路的转换中已得到广泛的应用。5.3基于EAM时钟提取技术的应用电吸收调制器具有稳定性好、体积小、能够产生足够小的开关窗口、偏振不敏感(小于1dB)特性，有利于在实际中应用和进行超高速的OTDM信号的时钟提取，因此可以利用EAM作为光开关构成一个锁相环实现提取时钟，EAM在提取时钟的环路中也可以说是起到光电鉴相器的作用。目前广泛采用的技术是光电锁相环提取时钟的技术，其原理是利用光鉴相器来检测本地光时钟与入射信号光的相位差，利用电锁相环控制产生本地时钟的压控振荡器。5.4基于EAM解复用技术的应用EAM型解复用器结构紧凑，性能稳定，在电时钟控制下即可完成解复用功能，因此是一种更接近实用化的高速开关器件，在高速的OTDM系统中得到了广泛的应用[15]。通过级联EAM的方式可进一步减小开关窗口，以便在更高速的OTDM系统中实现解复用。在一定的驱动条件下，EAM也可以产生较宽的开关窗口，从而在OTDM网络节点处实现Drop功能，与解复用器共同实现分插复用器的功能[16]，该技术主要使用恢复的电时钟信号作为EAM的驱动源来控制开关窗口实现定时提取。目前集成EAM解复用器和Pin是一个发展趋势[15]，为OTDM系统的实用化铺平道路。六、总结本文通过分析论述半导体电吸收调制器的原理、材料选择及其应用，对半导体电吸收调制器有了更深层次的认识。电吸收调制器是学习信息光电子技术的一个重要的部分，目前，对于电吸收调制器的研究已经达到成熟，在光通信领域与网络信息技术方面已经得到了实际应用，但是任何一种东西都不是完美的，所以，对半导体电吸收调制器继续深入的了解还是很有必要的。这里，我所讨论的只是电吸收调制器领域最基础的部分，通过了解电吸收调制器的工作原理、理论模型、工作特性以及在实际领域的应用，虽然没有专业性的研究，但是通过参考不同的文献，对于调制器的概念已经了然于心。参考文献[1]RodneyS.Tucker.High-speedmodulationofsemiconductorlasers[J].LightwaveTechnol,1985,3:1180.[2]N.K.Dutta,N.A.Olsson,L.A.Koszi,EBesomi,＆