集成式電吸收調(diào)制技術(shù)分析

李銳

摘 要：將電吸收調(diào)制器和分布式反饋激光器進(jìn)行單片集成的電吸收光調(diào)制技術(shù)，能大幅度提高激光通信的發(fā)射速率。分析和建立電吸收光調(diào)制器的等效電路模型，信號(hào)等效電路可以分析電吸收調(diào)制器的響應(yīng)和啁啾等信號(hào)特性。

關(guān)鍵詞：電光調(diào)制 電吸收調(diào)制 啁啾效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光調(diào)制技術(shù)分析

激光調(diào)制的基本原理和電信號(hào)相同。按光源和調(diào)制技術(shù)的關(guān)系，分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。內(nèi)調(diào)制是調(diào)制信號(hào)對(duì)光源本身直接調(diào)制，以調(diào)制信號(hào)改變激光器的振蕩參數(shù)，通過(guò)偏置電流的變化改變激光器輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，加載信號(hào)是在激光振蕩過(guò)程中進(jìn)行的。采用內(nèi)調(diào)制技術(shù)具有、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但它的頻帶利用率較低，因其特殊的啁啾效應(yīng)，內(nèi)調(diào)制的速率很難超過(guò)Gbps，不能滿(mǎn)足高速率光通信系統(tǒng)的需要。外調(diào)制是指激光光束直接發(fā)射在調(diào)制器上，用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器的物理性能，從而使通過(guò)調(diào)制器的激光束光波的參量發(fā)生變化。外調(diào)制器根據(jù)利用的物理效應(yīng)不同，可以分為聲光、熱光、磁光、電光調(diào)制等。其中電光調(diào)制器按照調(diào)制方式又分為強(qiáng)度調(diào)制、電吸收調(diào)制等。外調(diào)制相對(duì)于內(nèi)調(diào)制方式，降低啁啾效應(yīng)，容易實(shí)現(xiàn)高速率光信號(hào)的調(diào)制。

2 電吸收調(diào)制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一種損耗調(diào)制器，是激光通信系統(tǒng)中重要的器件之一，屬于電光調(diào)制器的一種。EAM容易與激光器集成在一起，制作成體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的單片集成器件，并且需要的驅(qū)動(dòng)電壓也較低。通過(guò)這種激光器和調(diào)制器進(jìn)行單片集成，不僅可以發(fā)揮調(diào)制器本身的優(yōu)點(diǎn)，激光器與調(diào)制器之間也不需要光耦合的光學(xué)器件，并且可以降低損耗，保證了調(diào)制器的高效率。EAM調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，EAM是一種P-I-N半導(dǎo)體器件。其中I層由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波導(dǎo)構(gòu)成；I層對(duì)光的吸收損耗和外加的調(diào)制電壓有關(guān)，即改變調(diào)制器上的偏置電壓，可使多量子阱的吸收邊界波長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而改變光束的通斷，實(shí)現(xiàn)高速率調(diào)制。如圖2（a）示出PIN加反向偏壓和（b）反向偏置電壓為零的兩種情況下勢(shì)壘的變化。當(dāng)偏置電壓為零時(shí)，勢(shì)壘消失，光束處于“通”狀態(tài)，入射光不被I層吸收而讓其通過(guò)，輸出功率最大，相當(dāng)于輸出“1”碼；反之，當(dāng)調(diào)制電壓始終PIN反向偏置時(shí)，隨著調(diào)制器上的偏置電壓增加，MQW的吸收邊移向長(zhǎng)波長(zhǎng)，原光束波長(zhǎng)處吸收系數(shù)變大，調(diào)制器成為“斷”狀態(tài)，輸出功率最小，即入射光可完全被I層吸收。換句話(huà)說(shuō)，因勢(shì)壘的存在，入射光不能通過(guò)I層，相當(dāng)于輸出“0”碼。從而實(shí)現(xiàn)了入射光的調(diào)制。

EAM的傳輸特性與外加電壓的關(guān)系可以表示為

因?yàn)榇笮盘?hào)等效電路可以分析電吸收調(diào)制器的響應(yīng)和啁啾等大信號(hào)特性，對(duì)電吸收調(diào)制器結(jié)構(gòu)、封裝等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且為電吸收調(diào)制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎(chǔ)。

3 三端口電吸收調(diào)制激光器EML等效電路模型的建立與分析

電吸收調(diào)制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是電吸收調(diào)制器（EAM）與DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反饋激光器的集成器件，是當(dāng)前高速光纖激光通信中傳輸信息載體的通用光源。相比直接調(diào)制的DFB激光器，EML的傳輸特性和傳輸效果要比DFB激光器好，尤其在高頻調(diào)制時(shí)更是如此。微波信號(hào)無(wú)法加載到DFB激光器的電極上，封裝好的EML器件的光電耦合無(wú)法通過(guò)測(cè)試參數(shù)直接獲得。這里使用自制的EML芯片來(lái)研究DFB激光器和EAM調(diào)制器之間的電光耦合效應(yīng)，為了增加DFB激光器和EAM調(diào)制器間的電隔離，在芯片的制備過(guò)程中，在DFB激光器和EAM調(diào)制器件挖出60μm寬的溝槽，并在其中注入He+離子。把芯片貼裝在AIN熱沉的地電極上，子載體的共面電極間距為60μm，如圖3所示，用金絲將激光器和調(diào)制器的頂部焊盤(pán)和熱沉上的信號(hào)電極連接起來(lái)用以加載微波信號(hào)。把整個(gè)器件看作一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，把EAM調(diào)制器輸入端口和DFB激光器端口看做共面微帶線(xiàn)，把EAM調(diào)制器的光輸出端口。這樣，可以使用一對(duì)微波共面探針對(duì)激光器和調(diào)制器之間的微波傳輸參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。測(cè)量中，EAM調(diào)制器的反向偏壓設(shè)定為0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探針測(cè)量，并采用測(cè)試夾具的雙端口校準(zhǔn)方法，扣除了微波探針對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4 結(jié)論

本文研究了高速率EAM調(diào)制技術(shù)，將EAM調(diào)制器與DFB激光器進(jìn)行單片集成，形成電吸收調(diào)制激光器EML，解決了DFB激光器在高頻調(diào)制下由啁啾引起的光譜擴(kuò)展及頻響的張弛震蕩現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] Fukuma M，Noda J.Optical properties of titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides and their coupling-to-a-fiber characteristics[J].Appl Opt，2008，19（2）：591-597.

[2] Alferness R C.Waveguide electrooptic modulatros[J].IEEE Trans Microwave TheoryTech，2003，30（8）：112-113.

[3] 鐘土基，劉應(yīng)鵬，邱潤(rùn)彬.晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)的光路調(diào)節(jié)[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint

摘 要：將電吸收調(diào)制器和分布式反饋激光器進(jìn)行單片集成的電吸收光調(diào)制技術(shù)，能大幅度提高激光通信的發(fā)射速率。分析和建立電吸收光調(diào)制器的等效電路模型，信號(hào)等效電路可以分析電吸收調(diào)制器的響應(yīng)和啁啾等信號(hào)特性。

關(guān)鍵詞：電光調(diào)制 電吸收調(diào)制 啁啾效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光調(diào)制技術(shù)分析

激光調(diào)制的基本原理和電信號(hào)相同。按光源和調(diào)制技術(shù)的關(guān)系，分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。內(nèi)調(diào)制是調(diào)制信號(hào)對(duì)光源本身直接調(diào)制，以調(diào)制信號(hào)改變激光器的振蕩參數(shù)，通過(guò)偏置電流的變化改變激光器輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，加載信號(hào)是在激光振蕩過(guò)程中進(jìn)行的。采用內(nèi)調(diào)制技術(shù)具有、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但它的頻帶利用率較低，因其特殊的啁啾效應(yīng)，內(nèi)調(diào)制的速率很難超過(guò)Gbps，不能滿(mǎn)足高速率光通信系統(tǒng)的需要。外調(diào)制是指激光光束直接發(fā)射在調(diào)制器上，用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器的物理性能，從而使通過(guò)調(diào)制器的激光束光波的參量發(fā)生變化。外調(diào)制器根據(jù)利用的物理效應(yīng)不同，可以分為聲光、熱光、磁光、電光調(diào)制等。其中電光調(diào)制器按照調(diào)制方式又分為強(qiáng)度調(diào)制、電吸收調(diào)制等。外調(diào)制相對(duì)于內(nèi)調(diào)制方式，降低啁啾效應(yīng)，容易實(shí)現(xiàn)高速率光信號(hào)的調(diào)制。

2 電吸收調(diào)制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一種損耗調(diào)制器，是激光通信系統(tǒng)中重要的器件之一，屬于電光調(diào)制器的一種。EAM容易與激光器集成在一起，制作成體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的單片集成器件，并且需要的驅(qū)動(dòng)電壓也較低。通過(guò)這種激光器和調(diào)制器進(jìn)行單片集成，不僅可以發(fā)揮調(diào)制器本身的優(yōu)點(diǎn)，激光器與調(diào)制器之間也不需要光耦合的光學(xué)器件，并且可以降低損耗，保證了調(diào)制器的高效率。EAM調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，EAM是一種P-I-N半導(dǎo)體器件。其中I層由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波導(dǎo)構(gòu)成；I層對(duì)光的吸收損耗和外加的調(diào)制電壓有關(guān)，即改變調(diào)制器上的偏置電壓，可使多量子阱的吸收邊界波長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而改變光束的通斷，實(shí)現(xiàn)高速率調(diào)制。如圖2（a）示出PIN加反向偏壓和（b）反向偏置電壓為零的兩種情況下勢(shì)壘的變化。當(dāng)偏置電壓為零時(shí)，勢(shì)壘消失，光束處于“通”狀態(tài)，入射光不被I層吸收而讓其通過(guò)，輸出功率最大，相當(dāng)于輸出“1”碼；反之，當(dāng)調(diào)制電壓始終PIN反向偏置時(shí)，隨著調(diào)制器上的偏置電壓增加，MQW的吸收邊移向長(zhǎng)波長(zhǎng)，原光束波長(zhǎng)處吸收系數(shù)變大，調(diào)制器成為“斷”狀態(tài)，輸出功率最小，即入射光可完全被I層吸收。換句話(huà)說(shuō)，因勢(shì)壘的存在，入射光不能通過(guò)I層，相當(dāng)于輸出“0”碼。從而實(shí)現(xiàn)了入射光的調(diào)制。

EAM的傳輸特性與外加電壓的關(guān)系可以表示為

因?yàn)榇笮盘?hào)等效電路可以分析電吸收調(diào)制器的響應(yīng)和啁啾等大信號(hào)特性，對(duì)電吸收調(diào)制器結(jié)構(gòu)、封裝等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且為電吸收調(diào)制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎(chǔ)。

3 三端口電吸收調(diào)制激光器EML等效電路模型的建立與分析

電吸收調(diào)制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是電吸收調(diào)制器（EAM）與DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反饋激光器的集成器件，是當(dāng)前高速光纖激光通信中傳輸信息載體的通用光源。相比直接調(diào)制的DFB激光器，EML的傳輸特性和傳輸效果要比DFB激光器好，尤其在高頻調(diào)制時(shí)更是如此。微波信號(hào)無(wú)法加載到DFB激光器的電極上，封裝好的EML器件的光電耦合無(wú)法通過(guò)測(cè)試參數(shù)直接獲得。這里使用自制的EML芯片來(lái)研究DFB激光器和EAM調(diào)制器之間的電光耦合效應(yīng)，為了增加DFB激光器和EAM調(diào)制器間的電隔離，在芯片的制備過(guò)程中，在DFB激光器和EAM調(diào)制器件挖出60μm寬的溝槽，并在其中注入He+離子。把芯片貼裝在AIN熱沉的地電極上，子載體的共面電極間距為60μm，如圖3所示，用金絲將激光器和調(diào)制器的頂部焊盤(pán)和熱沉上的信號(hào)電極連接起來(lái)用以加載微波信號(hào)。把整個(gè)器件看作一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，把EAM調(diào)制器輸入端口和DFB激光器端口看做共面微帶線(xiàn)，把EAM調(diào)制器的光輸出端口。這樣，可以使用一對(duì)微波共面探針對(duì)激光器和調(diào)制器之間的微波傳輸參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。測(cè)量中，EAM調(diào)制器的反向偏壓設(shè)定為0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探針測(cè)量，并采用測(cè)試夾具的雙端口校準(zhǔn)方法，扣除了微波探針對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4 結(jié)論

本文研究了高速率EAM調(diào)制技術(shù)，將EAM調(diào)制器與DFB激光器進(jìn)行單片集成，形成電吸收調(diào)制激光器EML，解決了DFB激光器在高頻調(diào)制下由啁啾引起的光譜擴(kuò)展及頻響的張弛震蕩現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] Fukuma M，Noda J.Optical properties of titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides and their coupling-to-a-fiber characteristics[J].Appl Opt，2008，19（2）：591-597.

[2] Alferness R C.Waveguide electrooptic modulatros[J].IEEE Trans Microwave TheoryTech，2003，30（8）：112-113.

[3] 鐘土基，劉應(yīng)鵬，邱潤(rùn)彬.晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)的光路調(diào)節(jié)[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint

摘 要：將電吸收調(diào)制器和分布式反饋激光器進(jìn)行單片集成的電吸收光調(diào)制技術(shù)，能大幅度提高激光通信的發(fā)射速率。分析和建立電吸收光調(diào)制器的等效電路模型，信號(hào)等效電路可以分析電吸收調(diào)制器的響應(yīng)和啁啾等信號(hào)特性。

關(guān)鍵詞：電光調(diào)制 電吸收調(diào)制 啁啾效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光調(diào)制技術(shù)分析

激光調(diào)制的基本原理和電信號(hào)相同。按光源和調(diào)制技術(shù)的關(guān)系，分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。內(nèi)調(diào)制是調(diào)制信號(hào)對(duì)光源本身直接調(diào)制，以調(diào)制信號(hào)改變激光器的振蕩參數(shù)，通過(guò)偏置電流的變化改變激光器輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，加載信號(hào)是在激光振蕩過(guò)程中進(jìn)行的。采用內(nèi)調(diào)制技術(shù)具有、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但它的頻帶利用率較低，因其特殊的啁啾效應(yīng)，內(nèi)調(diào)制的速率很難超過(guò)Gbps，不能滿(mǎn)足高速率光通信系統(tǒng)的需要。外調(diào)制是指激光光束直接發(fā)射在調(diào)制器上，用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器的物理性能，從而使通過(guò)調(diào)制器的激光束光波的參量發(fā)生變化。外調(diào)制器根據(jù)利用的物理效應(yīng)不同，可以分為聲光、熱光、磁光、電光調(diào)制等。其中電光調(diào)制器按照調(diào)制方式又分為強(qiáng)度調(diào)制、電吸收調(diào)制等。外調(diào)制相對(duì)于內(nèi)調(diào)制方式，降低啁啾效應(yīng)，容易實(shí)現(xiàn)高速率光信號(hào)的調(diào)制。

2 電吸收調(diào)制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一種損耗調(diào)制器，是激光通信系統(tǒng)中重要的器件之一，屬于電光調(diào)制器的一種。EAM容易與激光器集成在一起，制作成體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的單片集成器件，并且需要的驅(qū)動(dòng)電壓也較低。通過(guò)這種激光器和調(diào)制器進(jìn)行單片集成，不僅可以發(fā)揮調(diào)制器本身的優(yōu)點(diǎn)，激光器與調(diào)制器之間也不需要光耦合的光學(xué)器件，并且可以降低損耗，保證了調(diào)制器的高效率。EAM調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，EAM是一種P-I-N半導(dǎo)體器件。其中I層由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波導(dǎo)構(gòu)成；I層對(duì)光的吸收損耗和外加的調(diào)制電壓有關(guān)，即改變調(diào)制器上的偏置電壓，可使多量子阱的吸收邊界波長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而改變光束的通斷，實(shí)現(xiàn)高速率調(diào)制。如圖2（a）示出PIN加反向偏壓和（b）反向偏置電壓為零的兩種情況下勢(shì)壘的變化。當(dāng)偏置電壓為零時(shí)，勢(shì)壘消失，光束處于“通”狀態(tài)，入射光不被I層吸收而讓其通過(guò)，輸出功率最大，相當(dāng)于輸出“1”碼；反之，當(dāng)調(diào)制電壓始終PIN反向偏置時(shí)，隨著調(diào)制器上的偏置電壓增加，MQW的吸收邊移向長(zhǎng)波長(zhǎng)，原光束波長(zhǎng)處吸收系數(shù)變大，調(diào)制器成為“斷”狀態(tài)，輸出功率最小，即入射光可完全被I層吸收。換句話(huà)說(shuō)，因勢(shì)壘的存在，入射光不能通過(guò)I層，相當(dāng)于輸出“0”碼。從而實(shí)現(xiàn)了入射光的調(diào)制。

EAM的傳輸特性與外加電壓的關(guān)系可以表示為

因?yàn)榇笮盘?hào)等效電路可以分析電吸收調(diào)制器的響應(yīng)和啁啾等大信號(hào)特性，對(duì)電吸收調(diào)制器結(jié)構(gòu)、封裝等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且為電吸收調(diào)制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎(chǔ)。

3 三端口電吸收調(diào)制激光器EML等效電路模型的建立與分析

電吸收調(diào)制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是電吸收調(diào)制器（EAM）與DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反饋激光器的集成器件，是當(dāng)前高速光纖激光通信中傳輸信息載體的通用光源。相比直接調(diào)制的DFB激光器，EML的傳輸特性和傳輸效果要比DFB激光器好，尤其在高頻調(diào)制時(shí)更是如此。微波信號(hào)無(wú)法加載到DFB激光器的電極上，封裝好的EML器件的光電耦合無(wú)法通過(guò)測(cè)試參數(shù)直接獲得。這里使用自制的EML芯片來(lái)研究DFB激光器和EAM調(diào)制器之間的電光耦合效應(yīng)，為了增加DFB激光器和EAM調(diào)制器間的電隔離，在芯片的制備過(guò)程中，在DFB激光器和EAM調(diào)制器件挖出60μm寬的溝槽，并在其中注入He+離子。把芯片貼裝在AIN熱沉的地電極上，子載體的共面電極間距為60μm，如圖3所示，用金絲將激光器和調(diào)制器的頂部焊盤(pán)和熱沉上的信號(hào)電極連接起來(lái)用以加載微波信號(hào)。把整個(gè)器件看作一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，把EAM調(diào)制器輸入端口和DFB激光器端口看做共面微帶線(xiàn)，把EAM調(diào)制器的光輸出端口。這樣，可以使用一對(duì)微波共面探針對(duì)激光器和調(diào)制器之間的微波傳輸參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。測(cè)量中，EAM調(diào)制器的反向偏壓設(shè)定為0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探針測(cè)量，并采用測(cè)試夾具的雙端口校準(zhǔn)方法，扣除了微波探針對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4 結(jié)論

本文研究了高速率EAM調(diào)制技術(shù)，將EAM調(diào)制器與DFB激光器進(jìn)行單片集成，形成電吸收調(diào)制激光器EML，解決了DFB激光器在高頻調(diào)制下由啁啾引起的光譜擴(kuò)展及頻響的張弛震蕩現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] Fukuma M，Noda J.Optical properties of titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides and their coupling-to-a-fiber characteristics[J].Appl Opt，2008，19（2）：591-597.

[2] Alferness R C.Waveguide electrooptic modulatros[J].IEEE Trans Microwave TheoryTech，2003，30（8）：112-113.

[3] 鐘土基，劉應(yīng)鵬，邱潤(rùn)彬.晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)的光路調(diào)節(jié)[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint