论述半导体电吸收调制器的原理、材料选择及其应用.pdfVIP

论述半导体电吸收调制器的原理、材料选择及其应用 一、引言 随着光纤通信技术和现代光子技术的不断发展，在现代光通信传输系统中， [1] 采用传统的激光器 进行直接调制已经不能满足光纤能够提供更高的传输速率 和更大的传输容量的需要，主要归因于其会引起很大的相对强度噪声以及波形的 [2] 失真 ，严重限制激光器在高频率下(20 GHz)的直接调制，而且激光器直接调 制所引起的较大的波长啁啾也会影响光纤通信系统的传输速率和传输容量，由于 这些限制的存在，现如今，外腔调制成为目前光纤通信系统中主要的调制方式。 在外腔调制中，电吸收调制器(EAM)是现代光通信传输系统中的关键器件， 是目前全光网络研究的热点。作为现代光纤通信系统中最重要的光学器件之一， 电吸收调制器具有体积小、结构紧凑、高速、低啁啾、易于集成、强非线性吸收 特性等优点，使得它与半导体激光器集成形成紧凑、稳定的集成光源模块，成为 [3] 高速率、长距离光纤传输系统中最有前途的光源之一 。 随着通信技术的发展，对电吸收调制器的研究也不断深入。从最初由于吸收 效率低、所需驱动电压高等缺陷在应用上受到了限制的体材料电吸收调制器。到 20世纪90年代的量子阱半导体电吸收调制器，吸收效应提高了将近50倍。21世纪， 波分分复用(WDM)技术及光时分复用(OTDM)技术迅猛发展。半导体电吸收调制器 (EAM)以其体积小、结构紧凑、利于集成、良好的光开关特性、低噪声及高非线 性吸收率等多种独特优点，成为符合网络全光化发展方向的高性能光子器件。 如今，电吸收调制器的应用领域逐步扩大，不仅可以与半导体激光器集成形 成高速稳定的光源模块，在高速波分复用(WDM)技术及光时分复用(OTDM)得到了 广泛的应用，基于电吸收调制器波长转换及时钟提取、信号再生等技术也已实现。 二、工作原理与物理机理 电吸收调制器（EAM）是利用半导体中激子吸收效应制作而成光信号调制器 件。它是一种损耗调制器，利用Franz--Keldysh效应和量子约束Stark效应，工 [4] 作在调制器材料吸收边界波长处 。 2．1 Franz--Keldysh效应 Franz--Keldysh效应是指在电场作用下半导体材料的吸收边红移。在外电场 的作用下，能量小于禁带宽度的光子也可以被半导体吸收。 图2．1块状半导体材料p-i-n结构在外电场作用下的能带图 Franz-Keldysh效应基于在外电场作用下块状半导体材料对入射光吸收过程 中的电子跃迁隧道效应，如图2．1所示，同时受电子-空穴之间库仑作用的影响 [5,6] 伴随着激子共振效应 。随着外加电场的增大，块状半导体材料I中的激子很快 被离子化，使得材料光吸收谱中与之相对应的吸收峰随着外电场增大而很快消失， [11] 这限制了应用Franz-Keldysh效应的半导体电吸收调制器的性能 。 2．2 量子约束Stark效应- (QCSE)效应 在半导体量子阱材料中，当法向电场施加于量子阱层时，电子和空穴的能级 发生偏移，导带底能级与价带顶能级之间的能量差变小，同时电子和空穴在外电 场的作用下分别向相反的方向移动使得激子能量降低，造成激子吸收的Stark移 位，这种存在于半导体量子阱材料中的电吸收效应被称作量子限制Stark效应 (QCSE)[6-10]。 图2-2 量子阱能带示意图 当外加电场垂直作用在量子阱上时，方形能带结构发生倾斜，因此电子、空 穴的限制也发生改变，电子能级E与空穴能级E降低，从而使得激子吸收峰向长波 长方向移动(即俗称的波长“红移)。激子吸收谱线线宽由于电场的作用而进一 [4] 步展宽，这两个因素的同时作用使得长波长一侧的带边光吸收发生巨大的增加 。 三、理论分析模型 EAM 的基本结构是一个PIN 结构，它的调制区是一个 PIN InG