集成式電吸收調制技術分析

李銳

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

關鍵詞：電光調制 電吸收調制 啁啾效應

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光調制技術分析

激光調制的基本原理和電信號相同。按光源和調制技術的關系，分為內調制和外調制兩種。內調制是調制信號對光源本身直接調制，以調制信號改變激光器的振蕩參數，通過偏置電流的變化改變激光器輸出特性以實現調制，加載信號是在激光振蕩過程中進行的。采用內調制技術具有、體積小，結構簡單、成本低，容易實現等優點，但它的頻帶利用率較低，因其特殊的啁啾效應，內調制的速率很難超過Gbps，不能滿足高速率光通信系統的需要。外調制是指激光光束直接發射在調制器上，用調制信號改變調制器的物理性能，從而使通過調制器的激光束光波的參量發生變化。外調制器根據利用的物理效應不同，可以分為聲光、熱光、磁光、電光調制等。其中電光調制器按照調制方式又分為強度調制、電吸收調制等。外調制相對于內調制方式，降低啁啾效應，容易實現高速率光信號的調制。

2 電吸收調制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一種損耗調制器，是激光通信系統中重要的器件之一，屬于電光調制器的一種。EAM容易與激光器集成在一起，制作成體積小、結構緊湊的單片集成器件，并且需要的驅動電壓也較低。通過這種激光器和調制器進行單片集成，不僅可以發揮調制器本身的優點，激光器與調制器之間也不需要光耦合的光學器件，并且可以降低損耗，保證了調制器的高效率。EAM調制器的結構如圖1所示。

從結構上來說，EAM是一種P-I-N半導體器件。其中I層由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波導構成；I層對光的吸收損耗和外加的調制電壓有關，即改變調制器上的偏置電壓，可使多量子阱的吸收邊界波長發生變化，進而改變光束的通斷，實現高速率調制。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壘的變化。當偏置電壓為零時，勢壘消失，光束處于“通”狀態，入射光不被I層吸收而讓其通過，輸出功率最大，相當于輸出“1”碼；反之，當調制電壓始終PIN反向偏置時，隨著調制器上的偏置電壓增加，MQW的吸收邊移向長波長，原光束波長處吸收系數變大，調制器成為“斷”狀態，輸出功率最小，即入射光可完全被I層吸收。換句話說，因勢壘的存在，入射光不能通過I層，相當于輸出“0”碼。從而實現了入射光的調制。

EAM的傳輸特性與外加電壓的關系可以表示為

因為大信號等效電路可以分析電吸收調制器的響應和啁啾等大信號特性，對電吸收調制器結構、封裝等進行優化設計，并且為電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。

3 三端口電吸收調制激光器EML等效電路模型的建立與分析

電吸收調制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是電吸收調制器（EAM）與DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反饋激光器的集成器件，是當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，尤其在高頻調制時更是如此。微波信號無法加載到DFB激光器的電極上，封裝好的EML器件的光電耦合無法通過測試參數直接獲得。這里使用自制的EML芯片來研究DFB激光器和EAM調制器之間的電光耦合效應，為了增加DFB激光器和EAM調制器間的電隔離，在芯片的制備過程中，在DFB激光器和EAM調制器件挖出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制器的頂部焊盤和熱沉上的信號電極連接起來用以加載微波信號。把整個器件看作一個三端口網絡，把EAM調制器輸入端口和DFB激光器端口看做共面微帶線，把EAM調制器的光輸出端口。這樣，可以使用一對微波共面探針對激光器和調制器之間的微波傳輸參數進行精確測量。測量中，EAM調制器的反向偏壓設定為0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探針測量，并采用測試夾具的雙端口校準方法，扣除了微波探針對測量結果的影響。

4 結論

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

參考文獻

[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，劉應鵬，邱潤彬.晶體電光調制實驗的光路調節[J].高校實驗室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint

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

關鍵詞：電光調制 電吸收調制 啁啾效應

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光調制技術分析

激光調制的基本原理和電信號相同。按光源和調制技術的關系，分為內調制和外調制兩種。內調制是調制信號對光源本身直接調制，以調制信號改變激光器的振蕩參數，通過偏置電流的變化改變激光器輸出特性以實現調制，加載信號是在激光振蕩過程中進行的。采用內調制技術具有、體積小，結構簡單、成本低，容易實現等優點，但它的頻帶利用率較低，因其特殊的啁啾效應，內調制的速率很難超過Gbps，不能滿足高速率光通信系統的需要。外調制是指激光光束直接發射在調制器上，用調制信號改變調制器的物理性能，從而使通過調制器的激光束光波的參量發生變化。外調制器根據利用的物理效應不同，可以分為聲光、熱光、磁光、電光調制等。其中電光調制器按照調制方式又分為強度調制、電吸收調制等。外調制相對于內調制方式，降低啁啾效應，容易實現高速率光信號的調制。

2 電吸收調制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一種損耗調制器，是激光通信系統中重要的器件之一，屬于電光調制器的一種。EAM容易與激光器集成在一起，制作成體積小、結構緊湊的單片集成器件，并且需要的驅動電壓也較低。通過這種激光器和調制器進行單片集成，不僅可以發揮調制器本身的優點，激光器與調制器之間也不需要光耦合的光學器件，并且可以降低損耗，保證了調制器的高效率。EAM調制器的結構如圖1所示。

從結構上來說，EAM是一種P-I-N半導體器件。其中I層由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波導構成；I層對光的吸收損耗和外加的調制電壓有關，即改變調制器上的偏置電壓，可使多量子阱的吸收邊界波長發生變化，進而改變光束的通斷，實現高速率調制。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壘的變化。當偏置電壓為零時，勢壘消失，光束處于“通”狀態，入射光不被I層吸收而讓其通過，輸出功率最大，相當于輸出“1”碼；反之，當調制電壓始終PIN反向偏置時，隨著調制器上的偏置電壓增加，MQW的吸收邊移向長波長，原光束波長處吸收系數變大，調制器成為“斷”狀態，輸出功率最小，即入射光可完全被I層吸收。換句話說，因勢壘的存在，入射光不能通過I層，相當于輸出“0”碼。從而實現了入射光的調制。

EAM的傳輸特性與外加電壓的關系可以表示為

因為大信號等效電路可以分析電吸收調制器的響應和啁啾等大信號特性，對電吸收調制器結構、封裝等進行優化設計，并且為電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。

3 三端口電吸收調制激光器EML等效電路模型的建立與分析

電吸收調制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是電吸收調制器（EAM）與DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反饋激光器的集成器件，是當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，尤其在高頻調制時更是如此。微波信號無法加載到DFB激光器的電極上，封裝好的EML器件的光電耦合無法通過測試參數直接獲得。這里使用自制的EML芯片來研究DFB激光器和EAM調制器之間的電光耦合效應，為了增加DFB激光器和EAM調制器間的電隔離，在芯片的制備過程中，在DFB激光器和EAM調制器件挖出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制器的頂部焊盤和熱沉上的信號電極連接起來用以加載微波信號。把整個器件看作一個三端口網絡，把EAM調制器輸入端口和DFB激光器端口看做共面微帶線，把EAM調制器的光輸出端口。這樣，可以使用一對微波共面探針對激光器和調制器之間的微波傳輸參數進行精確測量。測量中，EAM調制器的反向偏壓設定為0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探針測量，并采用測試夾具的雙端口校準方法，扣除了微波探針對測量結果的影響。

4 結論

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

參考文獻

[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，劉應鵬，邱潤彬.晶體電光調制實驗的光路調節[J].高校實驗室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint

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

關鍵詞：電光調制 電吸收調制 啁啾效應

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光調制技術分析

激光調制的基本原理和電信號相同。按光源和調制技術的關系，分為內調制和外調制兩種。內調制是調制信號對光源本身直接調制，以調制信號改變激光器的振蕩參數，通過偏置電流的變化改變激光器輸出特性以實現調制，加載信號是在激光振蕩過程中進行的。采用內調制技術具有、體積小，結構簡單、成本低，容易實現等優點，但它的頻帶利用率較低，因其特殊的啁啾效應，內調制的速率很難超過Gbps，不能滿足高速率光通信系統的需要。外調制是指激光光束直接發射在調制器上，用調制信號改變調制器的物理性能，從而使通過調制器的激光束光波的參量發生變化。外調制器根據利用的物理效應不同，可以分為聲光、熱光、磁光、電光調制等。其中電光調制器按照調制方式又分為強度調制、電吸收調制等。外調制相對于內調制方式，降低啁啾效應，容易實現高速率光信號的調制。

2 電吸收調制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一種損耗調制器，是激光通信系統中重要的器件之一，屬于電光調制器的一種。EAM容易與激光器集成在一起，制作成體積小、結構緊湊的單片集成器件，并且需要的驅動電壓也較低。通過這種激光器和調制器進行單片集成，不僅可以發揮調制器本身的優點，激光器與調制器之間也不需要光耦合的光學器件，并且可以降低損耗，保證了調制器的高效率。EAM調制器的結構如圖1所示。

從結構上來說，EAM是一種P-I-N半導體器件。其中I層由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波導構成；I層對光的吸收損耗和外加的調制電壓有關，即改變調制器上的偏置電壓，可使多量子阱的吸收邊界波長發生變化，進而改變光束的通斷，實現高速率調制。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壘的變化。當偏置電壓為零時，勢壘消失，光束處于“通”狀態，入射光不被I層吸收而讓其通過，輸出功率最大，相當于輸出“1”碼；反之，當調制電壓始終PIN反向偏置時，隨著調制器上的偏置電壓增加，MQW的吸收邊移向長波長，原光束波長處吸收系數變大，調制器成為“斷”狀態，輸出功率最小，即入射光可完全被I層吸收。換句話說，因勢壘的存在，入射光不能通過I層，相當于輸出“0”碼。從而實現了入射光的調制。

EAM的傳輸特性與外加電壓的關系可以表示為

因為大信號等效電路可以分析電吸收調制器的響應和啁啾等大信號特性，對電吸收調制器結構、封裝等進行優化設計，并且為電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。

3 三端口電吸收調制激光器EML等效電路模型的建立與分析

電吸收調制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是電吸收調制器（EAM）與DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反饋激光器的集成器件，是當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，尤其在高頻調制時更是如此。微波信號無法加載到DFB激光器的電極上，封裝好的EML器件的光電耦合無法通過測試參數直接獲得。這里使用自制的EML芯片來研究DFB激光器和EAM調制器之間的電光耦合效應，為了增加DFB激光器和EAM調制器間的電隔離，在芯片的制備過程中，在DFB激光器和EAM調制器件挖出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制器的頂部焊盤和熱沉上的信號電極連接起來用以加載微波信號。把整個器件看作一個三端口網絡，把EAM調制器輸入端口和DFB激光器端口看做共面微帶線，把EAM調制器的光輸出端口。這樣，可以使用一對微波共面探針對激光器和調制器之間的微波傳輸參數進行精確測量。測量中，EAM調制器的反向偏壓設定為0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探針測量，并采用測試夾具的雙端口校準方法，扣除了微波探針對測量結果的影響。

4 結論

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

參考文獻

[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，劉應鵬，邱潤彬.晶體電光調制實驗的光路調節[J].高校實驗室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint