集成式电吸收调制技术分析

李锐

摘 要：将电吸收调制器和分布式反馈激光器进行单片集成的电吸收光调制技术，能大幅度提高激光通信的发射速率。分析和建立电吸收光调制器的等效电路模型，信号等效电路可以分析电吸收调制器的响应和啁啾等信号特性。

关键词：电光调制 电吸收调制 啁啾效应

中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光调制技术分析

激光调制的基本原理和电信号相同。按光源和调制技术的关系，分为内调制和外调制两种。内调制是调制信号对光源本身直接调制，以调制信号改变激光器的振荡参数，通过偏置电流的变化改变激光器输出特性以实现调制，加载信号是在激光振荡过程中进行的。采用内调制技术具有、体积小，结构简单、成本低，容易实现等优点，但它的频带利用率较低，因其特殊的啁啾效应，内调制的速率很难超过Gbps，不能满足高速率光通信系统的需要。外调制是指激光光束直接发射在调制器上，用调制信号改变调制器的物理性能，从而使通过调制器的激光束光波的参量发生变化。外调制器根据利用的物理效应不同，可以分为声光、热光、磁光、电光调制等。其中电光调制器按照调制方式又分为强度调制、电吸收调制等。外调制相对于内调制方式，降低啁啾效应，容易实现高速率光信号的调制。

2 电吸收调制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一种损耗调制器，是激光通信系统中重要的器件之一，属于电光调制器的一种。EAM容易与激光器集成在一起，制作成体积小、结构紧凑的单片集成器件，并且需要的驱动电压也较低。通过这种激光器和调制器进行单片集成，不仅可以发挥调制器本身的优点，激光器与调制器之间也不需要光耦合的光学器件，并且可以降低损耗，保证了调制器的高效率。EAM调制器的结构如图1所示。

从结构上来说，EAM是一种P-I-N半导体器件。其中I层由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波导构成；I层对光的吸收损耗和外加的调制电压有关，即改变调制器上的偏置电压，可使多量子阱的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现高速率调制。如图2（a）示出PIN加反向偏压和（b）反向偏置电压为零的两种情况下势垒的变化。当偏置电压为零时，势垒消失，光束处于“通”状态，入射光不被I层吸收而让其通过，输出功率最大，相当于输出“1”码；反之，当调制电压始终PIN反向偏置时，随着调制器上的偏置电压增加，MQW的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数变大，调制器成为“断”状态，输出功率最小，即入射光可完全被I层吸收。换句话说，因势垒的存在，入射光不能通过I层，相当于输出“0”码。从而实现了入射光的调制。

EAM的传输特性与外加电压的关系可以表示为

因为大信号等效电路可以分析电吸收调制器的响应和啁啾等大信号特性，对电吸收调制器结构、封装等进行优化设计，并且为电吸收调制器和激光器等光电子集成器件的特性分析提供基础。

3 三端口电吸收调制激光器EML等效电路模型的建立与分析

电吸收调制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是电吸收调制器（EAM）与DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反馈激光器的集成器件，是当前高速光纤激光通信中传输信息载体的通用光源。相比直接调制的DFB激光器，EML的传输特性和传输效果要比DFB激光器好，尤其在高频调制时更是如此。微波信号无法加载到DFB激光器的电极上，封装好的EML器件的光电耦合无法通过测试参数直接获得。这里使用自制的EML芯片来研究DFB激光器和EAM调制器之间的电光耦合效应，为了增加DFB激光器和EAM调制器间的电隔离，在芯片的制备过程中，在DFB激光器和EAM调制器件挖出60μm宽的沟槽，并在其中注入He+离子。把芯片贴装在AIN热沉的地电极上，子载体的共面电极间距为60μm，如图3所示，用金丝将激光器和调制器的顶部焊盘和热沉上的信号电极连接起来用以加载微波信号。把整个器件看作一个三端口网络，把EAM调制器输入端口和DFB激光器端口看做共面微带线，把EAM调制器的光输出端口。这样，可以使用一对微波共面探针对激光器和调制器之间的微波传输参数进行精确测量。测量中，EAM调制器的反向偏压设定为0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探针测量，并采用测试夹具的双端口校准方法，扣除了微波探针对测量结果的影响。

4 结论

本文研究了高速率EAM调制技术，将EAM调制器与DFB激光器进行单片集成，形成电吸收调制激光器EML，解决了DFB激光器在高频调制下由啁啾引起的光谱扩展及频响的张弛震荡现象。

参考文献

[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] 钟土基，刘应鹏，邱润彬.晶体电光调制实验的光路调节[J].高校实验室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint

摘 要：将电吸收调制器和分布式反馈激光器进行单片集成的电吸收光调制技术，能大幅度提高激光通信的发射速率。分析和建立电吸收光调制器的等效电路模型，信号等效电路可以分析电吸收调制器的响应和啁啾等信号特性。

关键词：电光调制 电吸收调制 啁啾效应

中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光调制技术分析

激光调制的基本原理和电信号相同。按光源和调制技术的关系，分为内调制和外调制两种。内调制是调制信号对光源本身直接调制，以调制信号改变激光器的振荡参数，通过偏置电流的变化改变激光器输出特性以实现调制，加载信号是在激光振荡过程中进行的。采用内调制技术具有、体积小，结构简单、成本低，容易实现等优点，但它的频带利用率较低，因其特殊的啁啾效应，内调制的速率很难超过Gbps，不能满足高速率光通信系统的需要。外调制是指激光光束直接发射在调制器上，用调制信号改变调制器的物理性能，从而使通过调制器的激光束光波的参量发生变化。外调制器根据利用的物理效应不同，可以分为声光、热光、磁光、电光调制等。其中电光调制器按照调制方式又分为强度调制、电吸收调制等。外调制相对于内调制方式，降低啁啾效应，容易实现高速率光信号的调制。

2 电吸收调制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一种损耗调制器，是激光通信系统中重要的器件之一，属于电光调制器的一种。EAM容易与激光器集成在一起，制作成体积小、结构紧凑的单片集成器件，并且需要的驱动电压也较低。通过这种激光器和调制器进行单片集成，不仅可以发挥调制器本身的优点，激光器与调制器之间也不需要光耦合的光学器件，并且可以降低损耗，保证了调制器的高效率。EAM调制器的结构如图1所示。

从结构上来说，EAM是一种P-I-N半导体器件。其中I层由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波导构成；I层对光的吸收损耗和外加的调制电压有关，即改变调制器上的偏置电压，可使多量子阱的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现高速率调制。如图2（a）示出PIN加反向偏压和（b）反向偏置电压为零的两种情况下势垒的变化。当偏置电压为零时，势垒消失，光束处于“通”状态，入射光不被I层吸收而让其通过，输出功率最大，相当于输出“1”码；反之，当调制电压始终PIN反向偏置时，随着调制器上的偏置电压增加，MQW的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数变大，调制器成为“断”状态，输出功率最小，即入射光可完全被I层吸收。换句话说，因势垒的存在，入射光不能通过I层，相当于输出“0”码。从而实现了入射光的调制。

EAM的传输特性与外加电压的关系可以表示为

因为大信号等效电路可以分析电吸收调制器的响应和啁啾等大信号特性，对电吸收调制器结构、封装等进行优化设计，并且为电吸收调制器和激光器等光电子集成器件的特性分析提供基础。

3 三端口电吸收调制激光器EML等效电路模型的建立与分析

电吸收调制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是电吸收调制器（EAM）与DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反馈激光器的集成器件，是当前高速光纤激光通信中传输信息载体的通用光源。相比直接调制的DFB激光器，EML的传输特性和传输效果要比DFB激光器好，尤其在高频调制时更是如此。微波信号无法加载到DFB激光器的电极上，封装好的EML器件的光电耦合无法通过测试参数直接获得。这里使用自制的EML芯片来研究DFB激光器和EAM调制器之间的电光耦合效应，为了增加DFB激光器和EAM调制器间的电隔离，在芯片的制备过程中，在DFB激光器和EAM调制器件挖出60μm宽的沟槽，并在其中注入He+离子。把芯片贴装在AIN热沉的地电极上，子载体的共面电极间距为60μm，如图3所示，用金丝将激光器和调制器的顶部焊盘和热沉上的信号电极连接起来用以加载微波信号。把整个器件看作一个三端口网络，把EAM调制器输入端口和DFB激光器端口看做共面微带线，把EAM调制器的光输出端口。这样，可以使用一对微波共面探针对激光器和调制器之间的微波传输参数进行精确测量。测量中，EAM调制器的反向偏压设定为0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探针测量，并采用测试夹具的双端口校准方法，扣除了微波探针对测量结果的影响。

4 结论

本文研究了高速率EAM调制技术，将EAM调制器与DFB激光器进行单片集成，形成电吸收调制激光器EML，解决了DFB激光器在高频调制下由啁啾引起的光谱扩展及频响的张弛震荡现象。

参考文献

[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] 钟土基，刘应鹏，邱润彬.晶体电光调制实验的光路调节[J].高校实验室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint

摘 要：将电吸收调制器和分布式反馈激光器进行单片集成的电吸收光调制技术，能大幅度提高激光通信的发射速率。分析和建立电吸收光调制器的等效电路模型，信号等效电路可以分析电吸收调制器的响应和啁啾等信号特性。

关键词：电光调制 电吸收调制 啁啾效应

中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0065-02

1 激光调制技术分析

激光调制的基本原理和电信号相同。按光源和调制技术的关系，分为内调制和外调制两种。内调制是调制信号对光源本身直接调制，以调制信号改变激光器的振荡参数，通过偏置电流的变化改变激光器输出特性以实现调制，加载信号是在激光振荡过程中进行的。采用内调制技术具有、体积小，结构简单、成本低，容易实现等优点，但它的频带利用率较低，因其特殊的啁啾效应，内调制的速率很难超过Gbps，不能满足高速率光通信系统的需要。外调制是指激光光束直接发射在调制器上，用调制信号改变调制器的物理性能，从而使通过调制器的激光束光波的参量发生变化。外调制器根据利用的物理效应不同，可以分为声光、热光、磁光、电光调制等。其中电光调制器按照调制方式又分为强度调制、电吸收调制等。外调制相对于内调制方式，降低啁啾效应，容易实现高速率光信号的调制。

2 电吸收调制（EAM）

EAM（Electro-absorption modulators）是一种损耗调制器，是激光通信系统中重要的器件之一，属于电光调制器的一种。EAM容易与激光器集成在一起，制作成体积小、结构紧凑的单片集成器件，并且需要的驱动电压也较低。通过这种激光器和调制器进行单片集成，不仅可以发挥调制器本身的优点，激光器与调制器之间也不需要光耦合的光学器件，并且可以降低损耗，保证了调制器的高效率。EAM调制器的结构如图1所示。

从结构上来说，EAM是一种P-I-N半导体器件。其中I层由多量子阱（MQW，Multi-quantum well）波导构成；I层对光的吸收损耗和外加的调制电压有关，即改变调制器上的偏置电压，可使多量子阱的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现高速率调制。如图2（a）示出PIN加反向偏压和（b）反向偏置电压为零的两种情况下势垒的变化。当偏置电压为零时，势垒消失，光束处于“通”状态，入射光不被I层吸收而让其通过，输出功率最大，相当于输出“1”码；反之，当调制电压始终PIN反向偏置时，随着调制器上的偏置电压增加，MQW的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数变大，调制器成为“断”状态，输出功率最小，即入射光可完全被I层吸收。换句话说，因势垒的存在，入射光不能通过I层，相当于输出“0”码。从而实现了入射光的调制。

EAM的传输特性与外加电压的关系可以表示为

因为大信号等效电路可以分析电吸收调制器的响应和啁啾等大信号特性，对电吸收调制器结构、封装等进行优化设计，并且为电吸收调制器和激光器等光电子集成器件的特性分析提供基础。

3 三端口电吸收调制激光器EML等效电路模型的建立与分析

电吸收调制激光器（EML， Electroabsorption Modulated Laser）是电吸收调制器（EAM）与DFB（Distributed Feedback Laser）分布式反馈激光器的集成器件，是当前高速光纤激光通信中传输信息载体的通用光源。相比直接调制的DFB激光器，EML的传输特性和传输效果要比DFB激光器好，尤其在高频调制时更是如此。微波信号无法加载到DFB激光器的电极上，封装好的EML器件的光电耦合无法通过测试参数直接获得。这里使用自制的EML芯片来研究DFB激光器和EAM调制器之间的电光耦合效应，为了增加DFB激光器和EAM调制器间的电隔离，在芯片的制备过程中，在DFB激光器和EAM调制器件挖出60μm宽的沟槽，并在其中注入He+离子。把芯片贴装在AIN热沉的地电极上，子载体的共面电极间距为60μm，如图3所示，用金丝将激光器和调制器的顶部焊盘和热沉上的信号电极连接起来用以加载微波信号。把整个器件看作一个三端口网络，把EAM调制器输入端口和DFB激光器端口看做共面微带线，把EAM调制器的光输出端口。这样，可以使用一对微波共面探针对激光器和调制器之间的微波传输参数进行精确测量。测量中，EAM调制器的反向偏压设定为0.5V，采用Cascade Microtech公司出品的共面微波探针测量，并采用测试夹具的双端口校准方法，扣除了微波探针对测量结果的影响。

4 结论

本文研究了高速率EAM调制技术，将EAM调制器与DFB激光器进行单片集成，形成电吸收调制激光器EML，解决了DFB激光器在高频调制下由啁啾引起的光谱扩展及频响的张弛震荡现象。

参考文献

[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] 钟土基，刘应鹏，邱润彬.晶体电光调制实验的光路调节[J].高校实验室工作研究，2012，7（2）：56-57.endprint