電吸收調(diào)制器在激光脈沖壓縮技術(shù)中的理論和仿真實(shí)驗研究

鄭 奇

(湖北民族學(xué)院 理學(xué)院，湖北 恩施445000)

具有高度穩(wěn)定性、易集成、體積小、脈沖啁啾小等特點(diǎn)的通信源是高速光通信系統(tǒng)必須具備的，而基于電吸收調(diào)制器(EAM)的激光脈沖源能夠很好的滿足了這些要求，而且其脈沖寬度在一定范圍內(nèi)可調(diào)諧，因此當(dāng)分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB)和EAM 實(shí)現(xiàn)單片集成后，其又進(jìn)一步具備了體積小，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，使其成為通信用短光脈沖源理想的方案［1］．作為光發(fā)射源，DFB 加EAM 組合方式的光脈沖輸出的時域波型接近于孤子波型［2］，這種特點(diǎn)使得其特別適合于OTDM 光孤子傳輸系統(tǒng)．

在連續(xù)光注入下，EAM 透過率隨外加反向偏壓的非線性響應(yīng)，使得EAM 在直流反向偏壓和周期電信號調(diào)制的共同作用下，可產(chǎn)生短的光脈沖，光脈沖的重復(fù)頻率等于電調(diào)制信號頻率．文獻(xiàn)［3－4］討論了通過采用行波電極和減小EAM 的結(jié)電容和寄生電容等舉措，可以有效的提高EAM 的頻響，產(chǎn)生10～50 GHz 速率的短脈沖．目前，基于EAM 的光脈沖源已經(jīng)成功的在40 Gbit/s，80 Gbit/s，160 Gbit/s 和320 Gbit/s 的通信系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，文獻(xiàn)［5－6］表明，在重復(fù)率為40 GHz 時，基于單一EAM 可以產(chǎn)生低于4 ps 的接近變換極限的高速超短光脈沖． 和非線性光纖環(huán)境(nonlinear opticalfiber loop mirror－ NOLM)、TOAD(terahertz optical asymmetric demultiplexer)等基于交叉相位調(diào)制效應(yīng)的全光解復(fù)用器相比，EAM 解復(fù)用器結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，在電時鐘控制下即可完成解復(fù)用功能，因此是一種更接近實(shí)用化的高速開關(guān)器件，在高速的OTDM 系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用．除了可以產(chǎn)生高速超短光脈沖和解復(fù)用外，EAM 在光信號處理領(lǐng)域同樣具有重要的作用．文獻(xiàn)［7－8］研究了基于EAM 的光開關(guān)可以作為相位鑒別器，用以組成高速的光電混合鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)OTDM 信號時鐘提取功能．基于EAM 中的交叉吸收調(diào)制效應(yīng)，還可以實(shí)現(xiàn)波長變換、光強(qiáng)度鑒別和3R 再生等功能，對于構(gòu)建未來的高速、大基本理論及理論分析理論模型．

1 理論及模型

半導(dǎo)體的吸收光譜以相當(dāng)于帶隙的光波長為界限，在短波一側(cè)急劇增大，在吸收光譜急劇上升的區(qū)域，稱為吸收端．當(dāng)在半導(dǎo)體加上電場，吸收端就會發(fā)生移動．基于半導(dǎo)體的吸收效應(yīng)可分為Franz－ke1dysh 效應(yīng)(FKE)和Quantun－confined Stark 效應(yīng)(QCSE)［9］．區(qū)別是FKE 基于塊狀半導(dǎo)體材料，由靜電吸引形成的激子束縛能小，只能在低溫下觀察到激子吸收現(xiàn)象;而QCS 效應(yīng)基于量子阱材料，由于電子和空穴被束縛厚度在徳布羅意波長量級的窄帶隙材料中，因此激子束縛能較體材料有很大的增加，在室溫下就可以觀察到激子吸收現(xiàn)象．電吸收調(diào)制器就是充分利用了外加電場導(dǎo)致波長漂移和半導(dǎo)體光吸收帶隙展寬的效應(yīng)．圖1 可表明，由于QCS 效應(yīng)，當(dāng)反向偏置電壓幅度增加時，帶隙向長波長方向移動．器件的設(shè)計使發(fā)射波長在開狀態(tài)時稍大于吸收邊，因此在零偏置時只產(chǎn)生相對較小的光吸收．當(dāng)反向偏置時，吸收邊向長波長方向移動并展寬．相應(yīng)地，在發(fā)射波長處吸收增加，從而提供了幅度調(diào)制． 吸收邊的移動就是通過材料層中的Franz－ke1dysh 效應(yīng)和Quantun－confined Stark 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的．在實(shí)際應(yīng)用中，在給定反偏置時后者比前者能提供更高的消光比，因而它被應(yīng)用在絕大多數(shù)通信級調(diào)制器中．

圖1 量子阱材料QCS 效應(yīng)示意圖Fig．1 QCS effect of Quantum well material

在圖2 中可以觀察到QCS 效應(yīng):在高帶隙層中夾著低帶隙材料形成窄勢阱，電荷載流子則束縛于此勢阱中．圖2(a)給出了零偏置時雙量子阱調(diào)制器的能帶結(jié)構(gòu)．它的有效帶隙能量為量子阱體材料帶隙和電子、空穴基態(tài)能量之和．當(dāng)反向偏置時，能量勢的斜度導(dǎo)致電子被拉向右側(cè)(靠近正極)而空穴被拉向左側(cè)(靠近負(fù)極)． 僅從幾何學(xué)角度考慮，也可以清楚地看出新的有效帶隙能量小于零電場時的帶隙，因而吸收光的波長范圍會變小．吸收會產(chǎn)生電子空穴對，因此可以以光電流反推吸收的幅度和對波長的依賴性［10］．吸收與波長并不是單調(diào)變化的關(guān)系，而是在靠近帶隙處有一個明顯的尖峰．這一特征是由光生電子－空穴間庫侖引力產(chǎn)生的類氫態(tài)所導(dǎo)致的．這一狀態(tài)稱為激子，它顯著地銳化了帶隙形狀，使我們可以用相對較弱的場產(chǎn)生更高的消光比．這個過程中，激子共振可以存在于很大的外電場下而不被離子化，這主要是因為:

1)由于量子阱的約束，電子和空穴需要相對更長的時間才能通過隧道穿透效應(yīng)從量子阱中逸出;

2)量子阱層的厚度很小，使得約束在其中的電子與空穴之間的庫侖作用非常明顯． 這種存在于半導(dǎo)體量子阱材料中的電吸收效應(yīng)被稱作量子限制stark 效應(yīng)(QCSE)．因為量子限制Stark 效應(yīng)，量子阱材料的吸收譜邊緣比較尖銳，在外電場作用下吸收峰的光子能量向低的方向移動的明顯“紅移”現(xiàn)象．這些優(yōu)點(diǎn)使得半導(dǎo)體量子阱材料在電吸收光調(diào)制器中得到了廣泛的應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)器件低驅(qū)動電壓和高消光比等特性．

圖2 反向偏置時電子與空穴的受限狀態(tài)示意圖Fig．2 The limited state of electrons and holes in reverse biased

由于量子尺寸效應(yīng)，量子阱中電子和空穴的基態(tài)能量不再是導(dǎo)帶低和價帶頂?shù)哪芰?，而是基態(tài)能量隨垂直于MQW 外加電場的改變而變化．

反向偏置時，庫侖力將電子與空穴推向量子阱的兩側(cè)，有效地減小了反向偏置時的帶隙能量．容量的光網(wǎng)絡(luò)具有重大意義．從EAM 輸出的光功率與方向偏壓的關(guān)系可用式(1)來表示:

其中:I0是EAM 在偏置電壓v=0 時輸出的功率;V0是輸出光信號的消光比為1/e時的偏置電壓;n是個常數(shù)，一般來說對于非量子阱結(jié)構(gòu)的取值在1～2，對于量子阱結(jié)構(gòu)的取值在1～4．當(dāng)使用正弦信號驅(qū)動EAM時，電壓值V可表示為:

其中:t是時間;Vb是直流偏置電壓;VRF是調(diào)制電壓;f是調(diào)制頻率．

當(dāng)2πft=(2m+1)π (m=0，1，2，…)時，輸出信號功率最大:

當(dāng)2πft=0，輸出信號功率最小:

式(3)與式(4)的比值就是產(chǎn)生脈沖的消光比ER:

產(chǎn)生的脈沖寬度可定義為半高全寬(FWHM):

其中:t0為功率輸出最大的時刻;Δt是脈沖的半高全寬．脈沖的占空比可表示為Δt與周期T的比值，利用f=和式(1)～(6)，占空比可表示為:

2 電吸收調(diào)制器產(chǎn)生脈沖序列的實(shí)驗研究

圖3～5 分別是單個EAM 集成器件、產(chǎn)生脈沖序列實(shí)驗裝置以及在正弦信號驅(qū)動下EAM 產(chǎn)生脈沖信號的原理圖示意圖，其中EAM 的調(diào)制帶寬40 GHz，輸入波長范圍1530～1560 nm;圖6 是DFB 激光器的輸出光譜DFB 激光器的譜寬為1．3 GHz，波長可調(diào)范圍1 530～1 570 nm;使用了50 GHz 帶寬的高速探測器，探測范圍為C 波段;取樣示波器為安捷倫公司的86100C，電帶寬為70G Hz．圖7 顯示的是在20 GHz 的正弦信號驅(qū)動下，偏置電壓為－0．8 V 是輸出的脈沖和擬合曲線，脈沖寬度為7 ps，譜寬0．3 nm，時間帶寬積為0．4479，基本沒有啁啾．圖8 是在不同偏壓下，在5 V 的20 GHz 正弦信號驅(qū)動下，輸出脈寬和上升沿的變化，從圖8 中可以看出隨著偏壓的不斷增加，上升沿不斷增加，脈寬不斷減小，這是由于隨著偏壓的增加，吸收不斷增加的原因．從圖中我們很容易看出，當(dāng)偏壓在－0．4 V，上升沿最小，在此處可以用作級聯(lián)EAM 產(chǎn)生超短脈沖，后面將詳細(xì)敘述．

圖3 EAM 的實(shí)驗器件Fig．3d evTichee oefx pEeAriMm ental

圖4 單個EAM 產(chǎn)生脈沖的實(shí)驗裝置圖Fig．4 Seixnpgelrei mEeAnMt dpervoidceu ce pulse

EA圖M5 產(chǎn) 生在脈正沖弦信信號號的驅(qū)原動理下圖EFAigM． 5i n tThhee s ipnuel ssei gsniganl adlr iovfe

圖6DFB 激光器1 548 nm 脈沖輸出光譜Fig．6 The spectral waveform of pulse at 1 548 nm of DFB

圖7 0．8V 偏置電壓下20 GHz 的脈沖和擬合曲線Fig．7 20 GHz pulse and curue fitting at 0．8 v bias voltage

圖8 不同偏置下輸出的脈寬和上升沿Fig．8 The output pulse width and rising in different bias

圖9 是電吸收調(diào)制吸收特性曲線，橫軸為反向偏壓，縱軸為歸一化功率，其中V0=2，n=3．圖10 是EAM在不同重復(fù)頻率正弦驅(qū)動下產(chǎn)生脈沖的仿真結(jié)果，其中I0=10 mW，n=1，Vb=－3V，Vrf=Vb，V0=－0．3V;圖11 是占空比與n以及與吸收系數(shù)V0仿真結(jié)果．

圖9 EAM 吸收特性曲線Fig．9 Absorption characteristic curve of EAM

圖10 EAM 在不同重復(fù)頻率正弦驅(qū)動下產(chǎn)生脈沖的仿真結(jié)果Fig．10 Under different repetition frequency sine drive pulse simulation results of EAM

從實(shí)驗結(jié)果來看，通過使用電吸收調(diào)制EAM 技術(shù)，采取實(shí)驗數(shù)據(jù)所獲得過程參量，將能夠獲得極窄的激光脈沖，這和實(shí)驗期望的結(jié)果是相符合的，當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際的需求，若要進(jìn)一步減小光脈沖寬度，還可將EAM 級聯(lián)(Tandem Eelectroabsorption Modulators)起來使用，由于光信號可以連續(xù)兩次通過EAM，可以進(jìn)一步減小其光脈沖寬度．EAM 不但可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生高速的超短光脈沖的功能，還可以作為高速光開關(guān)實(shí)現(xiàn)OTDM 通信系統(tǒng)解復(fù)用的功能．

圖11 仿真結(jié)果曲線圖Fig．11 The simulation results graph

3 結(jié)語

深入分析了電吸收調(diào)制技術(shù)的原理，對電吸收調(diào)制激光器產(chǎn)生脈沖的理論進(jìn)行了推導(dǎo)，得出指導(dǎo)實(shí)驗進(jìn)程的方法;在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗分別研究了不同參量情況下電吸收調(diào)制激光器產(chǎn)生脈沖、脈沖性能及參量的結(jié)果;對于單個電吸收調(diào)制激光器產(chǎn)生20 GHz 脈沖序列進(jìn)行了深入的實(shí)驗研究，得到了實(shí)驗仿真結(jié)果．另外，分別進(jìn)行了10 GHz、20 GHz 和40 GHz 數(shù)值仿真，在單個電吸收調(diào)制器實(shí)驗的基礎(chǔ)上提出級聯(lián)電吸收調(diào)制器產(chǎn)生脈沖序列的研究構(gòu)想．

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