GaAs-AlGaAs晶體的電光調(diào)制性能模擬計(jì)算

張文芳，劉福華，賀澤民，柳 杰

(西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安 710123)

0 引言

光纖通信是當(dāng)今各種通信網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸方式。光纖通信方式中的信號(hào)外調(diào)制技術(shù)，一般通過(guò)電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再將信息經(jīng)過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸[1]。電光調(diào)制器是外調(diào)制光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其性能直接影響著光纖通信系統(tǒng)的性能。隨著光纖通信系統(tǒng)用量的逐年增加，對(duì)電光調(diào)制器的需求同樣增長(zhǎng)[2-3]。

GaAs-AlGaAs晶體是制造電光調(diào)制器件的重要原材料，對(duì)該材料的電光調(diào)制性能開(kāi)展模擬計(jì)算可以為電光調(diào)制器件的設(shè)計(jì)制造提供初步理論指導(dǎo)，對(duì)于電光調(diào)制器件性能乃至整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的提高具有重要的意義。

1 電光調(diào)制工作原理

電光調(diào)制的工作原理是基于電場(chǎng)對(duì)光波傳輸特性如偏振、相位等的改變[4-5]。改變外部電場(chǎng)強(qiáng)度及分布，可以實(shí)現(xiàn)光波強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等的改變，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制功能，這就是電光調(diào)制器[6]。由LiNbO3晶體材料制成的Mach Zehnder(M-Z)電光調(diào)制器擁有高的電光系數(shù)以及低的偏置電壓，而且技術(shù)成熟[7]。目前，其被廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中作為高速信號(hào)調(diào)制器。

M-Z電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)Y波導(dǎo)組成。輸入光進(jìn)入電光調(diào)制器后在第一個(gè)Y字型分支處將會(huì)分成兩個(gè)相等的光束，分別在兩條分路中傳播[8-9]。當(dāng)其中一個(gè)波導(dǎo)臂加載電場(chǎng)時(shí)，LiNbO3晶體的電光效應(yīng)會(huì)改變波導(dǎo)的兩條路徑的光在真空中傳播的速度與在外加電場(chǎng)中傳播的速度的比值，并且波導(dǎo)中的光傳輸時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化[10]。在兩個(gè)波導(dǎo)合并的第二Y字形分支中，兩個(gè)光束之間存在相位差。光學(xué)相干輸出的光波電場(chǎng)[11]為：

(1)

其中φ1、φ2分別為兩路光在兩波導(dǎo)臂傳播產(chǎn)生的相位移動(dòng)，令φ1-φ2=Δφ，得：

(2)

式中Δφ是兩束光上午相位差，可以表示為[11]：

(3)

式中m表示相位調(diào)制系數(shù)；na表示一個(gè)臂的光在真空中傳播的速度與在外加電場(chǎng)中傳播的速度的比值；nb表示另一個(gè)臂的光在真空中傳播的速度與在外加電場(chǎng)中傳播的速度的比值；l是臂長(zhǎng)；c表示光在真空中傳播的速度。電光效應(yīng)使射率n和Δφ(兩束光的相位差)與電場(chǎng)E(電壓V)成一次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)Δφ=0，2π時(shí)輸出光強(qiáng)達(dá)到最大值。當(dāng)Δφ=π時(shí)，理論上輸出光強(qiáng)度為0，但事實(shí)是不可能完全為0。

M-Z型LiNbO3電光調(diào)制器的傳輸特性函數(shù)表示[11]：

(4)

Pout為輸出光在單位時(shí)間內(nèi)做的功；α為系數(shù)；Pin為輸入電光調(diào)制器的光在單位時(shí)間內(nèi)做的功；V為電光調(diào)制器的施加電壓(包括直流預(yù)電壓和調(diào)制信號(hào))；Vπ為電光調(diào)制器的半波電壓；φoffset為偏移相位，由兩個(gè)分支路的長(zhǎng)短決定；P0是電光調(diào)制器的泄露的光功率。

2 GaAs-AlGaAs材料的模擬仿真

2.1 GaAs-AlGaAs材料的主要參數(shù)

GaAs-AlGaAs電光晶體的光學(xué)性能是各向同性的，在晶體特定方向上，加上電場(chǎng)會(huì)使晶體產(chǎn)生一個(gè)跟電場(chǎng)成正比的雙折射量。GaAs-AlGaAs晶體具有優(yōu)越的光電性能：(1)直接帶隙：躍遷比較容易，躍遷概率高，同時(shí)具有高光電轉(zhuǎn)換率；(2)帶隙大：室溫下Ge、Si的禁帶寬度分別是0.74 eV、1.17 eV，比Ge、Si更難本征激發(fā)，因此極限溫度高；(3)遷移率高：相同條件下其遷移率是Si的5～7倍，可達(dá)8 500 cm2/(V·s)；(4)電阻率高，電容率小。

2.2 基于襯底去除的GaAs-AlGaAs電光調(diào)制波導(dǎo)設(shè)計(jì)

這種波導(dǎo)采用“去除襯底”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從下到上依次是基板(Al0.3Ga0.7As)，有源區(qū)(GaAs)，包層是一種用于將波導(dǎo)黏合到另一個(gè)基板上的聚合物。脊形結(jié)構(gòu)形成波導(dǎo)支持TE波和TM波，而本設(shè)計(jì)中只激發(fā)TE波，因?yàn)樵趥鞑シ较蛏现挥写艌?chǎng)沒(méi)有電場(chǎng)，便于觀察。當(dāng)電極有電位差時(shí)，電磁場(chǎng)主要是垂直的，它會(huì)影響光的傳播。電光效應(yīng)使材料的折射率略有改變，這種影響很小，但它可以使光波在長(zhǎng)距離傳播后的相位產(chǎn)生1 cm左右的差異。在設(shè)計(jì)中，電子光學(xué)系數(shù)如(5)式：

(5)

在這個(gè)襯底去除GaAs-AlGaAs電光波導(dǎo)中，只有電磁場(chǎng)的垂直分量(rVEV)才能影響折射率。在上部和背面電極之間施加17.8 V的電位差(上電極17.8 V下電極0 V)。波導(dǎo)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 GaAs-AlGaAs電光調(diào)制器的模擬計(jì)算

電光調(diào)制器可以選擇橫向平面的Z切位置，以模擬靜電場(chǎng)、電光和光分布。參數(shù)設(shè)置為：有源區(qū)寬度為0.73 μm，上電極為17.8 V，下電極為0 V，各數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1)調(diào)制電極設(shè)計(jì)。

有源區(qū)電極3D如圖2所示。

圖2 有源區(qū)電極3D仿真

圖2中上面一層為有源區(qū)。X方向?yàn)閷挾龋琘方向?yàn)楹穸?，Z方向?yàn)閭鞑シ较?。電極從下電極的0 V沿傳播方向經(jīng)過(guò)基板最終到達(dá)有源區(qū)，電極達(dá)到最大值17.8 V。

(2)光學(xué)折射率與電場(chǎng)變化關(guān)系。

沿X方向的電場(chǎng)與材料光學(xué)折射率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 沿X方向電場(chǎng)與折射率的關(guān)系

當(dāng)沿X方向時(shí)，平面里有源區(qū)貫徹整個(gè)平面，有效折射率曲線呈一條平行線，沿X方向時(shí)整個(gè)波導(dǎo)左右對(duì)稱，在中間時(shí)電場(chǎng)與有效折射率都達(dá)到最大。

(3)光斑分布。

圖4是光斑沿XZ方向光強(qiáng)分布，光強(qiáng)都集中在有源區(qū)(X cut=0)附近，且中間紅色部分光場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值，由于波導(dǎo)沿X方向時(shí)左右對(duì)稱，所以光強(qiáng)也沿X=0上下對(duì)稱。

(4)沿Z傳播方向的電勢(shì)。

圖5 是延Z傳播方向3D靜電勢(shì)圖，結(jié)果表明電勢(shì)主要集中在上電極附近，下電極為0 V，沿著傳播方向靜電勢(shì)越來(lái)越大，直至最大值17.8 V。

圖5 延Z傳播方向3D電勢(shì)分布

將有源區(qū)寬度改為1 μm，將電壓改為4.5 V，上電極為4.5 V，下電極為0 V，各數(shù)據(jù)結(jié)果變化趨勢(shì)基本相同。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用OptiBPM仿真環(huán)境，對(duì)襯底去除的GaAs-AlGaAs電光調(diào)制器的電光調(diào)制性能進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析?？砂l(fā)現(xiàn)擴(kuò)大有源區(qū)范圍各平面的光強(qiáng)分布的范圍更加廣泛，光電解算器反映的靜電場(chǎng)、電光和光的分布，越靠近有源區(qū)靜電場(chǎng)與光場(chǎng)越強(qiáng)，當(dāng)進(jìn)入有源區(qū)時(shí)出現(xiàn)折射率，呈階梯狀分布。以上模擬計(jì)算結(jié)果可以用于GaAs-AlGaAs材料的高速低電壓電光調(diào)制器的設(shè)計(jì)中。