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-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. 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0.75 V 10 dB ，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。

3. 量子限制Stark 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。

B E 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：

ω=++-E E E E g e h h B 11 (6.1)

其中，E g 为势阱材料的带隙，E e1和E hh1分别为导带第一电子能级与价带第一重空穴能级，

E B 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。

E E C

E V

图6.2 能隙中的激子

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。

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，达到强度调制的目的。如吸收系数的改变量为∆α，器件波导长度为L，则该电吸收型光调制器的消光比为exp(Γ∆αL)，其中Γ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

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