GaAs-AlGaAs晶體的電光調(diào)制性能模擬計算

張文芳，劉福華，賀澤民，柳 杰

(西京學院 理學院，陜西 西安 710123)

0 引言

光纖通信是當今各種通信網(wǎng)絡的主要傳輸方式。光纖通信方式中的信號外調(diào)制技術(shù)，一般通過電光調(diào)制器實現(xiàn)電光信號的轉(zhuǎn)換，再將信息經(jīng)過光纖實現(xiàn)遠距離傳輸[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，對電光調(diào)制器的需求同樣增長[2-3]。

GaAs-AlGaAs晶體是制造電光調(diào)制器件的重要原材料，對該材料的電光調(diào)制性能開展模擬計算可以為電光調(diào)制器件的設計制造提供初步理論指導，對于電光調(diào)制器件性能乃至整個光纖通信系統(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對光波傳輸特性如偏振、相位等的改變[4-5]。改變外部電場強度及分布，可以實現(xiàn)光波強度、相位、偏振態(tài)等的改變，從而實現(xiàn)信號調(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，其被廣泛應用于光纖通信系統(tǒng)中作為高速信號調(diào)制器。

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

(1)

其中φ1、φ2分別為兩路光在兩波導臂傳播產(chǎn)生的相位移動，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表示一個臂的光在真空中傳播的速度與在外加電場中傳播的速度的比值；nb表示另一個臂的光在真空中傳播的速度與在外加電場中傳播的速度的比值；l是臂長；c表示光在真空中傳播的速度。電光效應使射率n和Δφ(兩束光的相位差)與電場E(電壓V)成一次函數(shù)關(guān)系，當Δφ=0，2π時輸出光強達到最大值。當Δφ=π時，理論上輸出光強度為0，但事實是不可能完全為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)制器的光在單位時間內(nèi)做的功；V為電光調(diào)制器的施加電壓(包括直流預電壓和調(diào)制信號)；Vπ為電光調(diào)制器的半波電壓；φoffset為偏移相位，由兩個分支路的長短決定；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電光晶體的光學性能是各向同性的，在晶體特定方向上，加上電場會使晶體產(chǎn)生一個跟電場成正比的雙折射量。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)制波導設計

這種波導采用“去除襯底”結(jié)構(gòu)設計，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黏合到另一個基板上的聚合物。脊形結(jié)構(gòu)形成波導支持TE波和TM波，而本設計中只激發(fā)TE波，因為在傳播方向上只有磁場沒有電場，便于觀察。當電極有電位差時，電磁場主要是垂直的，它會影響光的傳播。電光效應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距離傳播后的相位產(chǎn)生1 cm左右的差異。在設計中，電子光學系數(shù)如(5)式：

(5)

在這個襯底去除GaAs-AlGaAs電光波導中，只有電磁場的垂直分量(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)。波導設計如圖1所示。

圖1 波導結(jié)構(gòu)設計

2.3 GaAs-AlGaAs電光調(diào)制器的模擬計算

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、電光和光分布。參數(shù)設置為：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)果進行模擬計算。

(1)調(diào)制電極設計。

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方向為寬度，Y方向為厚度，Z方向為傳播方向。電極從下電極的0 V沿傳播方向經(jīng)過基板最終到達有源區(qū)，電極達到最大值17.8 V。

(2)光學折射率與電場變化關(guān)系。

沿X方向的電場與材料光學折射率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 沿X方向電場與折射率的關(guān)系

當沿X方向時，平面里有源區(qū)貫徹整個平面，有效折射率曲線呈一條平行線，沿X方向時整個波導左右對稱，在中間時電場與有效折射率都達到最大。

(3)光斑分布。

圖4是光斑沿XZ方向光強分布，光強都集中在有源區(qū)(X cut=0)附近，且中間紅色部分光場強度達到最大值，由于波導沿X方向時左右對稱，所以光強也沿X=0上下對稱。

(4)沿Z傳播方向的電勢。

圖5 是延Z傳播方向3D靜電勢圖，結(jié)果表明電勢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越來越大，直至最大值17.8 V。

圖5 延Z傳播方向3D電勢分布

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)果變化趨勢基本相同。

3 結(jié)語

本研究采用OptiBPM仿真環(huán)境，對襯底去除的GaAs-AlGaAs電光調(diào)制器的電光調(diào)制性能進行模擬計算，對改變設計參數(shù)的結(jié)果進行了對比分析。可發(fā)現(xiàn)擴大有源區(qū)范圍各平面的光強分布的范圍更加廣泛，光電解算器反映的靜電場、電光和光的分布，越靠近有源區(qū)靜電場與光場越強，當進入有源區(qū)時出現(xiàn)折射率，呈階梯狀分布。以上模擬計算結(jié)果可以用于GaAs-AlGaAs材料的高速低電壓電光調(diào)制器的設計中。