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【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器(1)——基本原理

發(fā)布日期:
2024-08-02

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本期我們將開始一個新的系列專題——有源光子器件的設(shè)計與仿真,涉及到調(diào)制器、探測器、激光器在內(nèi)的眾多有源器件。我們將以Ansys Lumerical上的案例為基礎(chǔ),從基本的硅光調(diào)制器開始,介紹調(diào)制器的基本原理、性能指標、常見結(jié)構(gòu)、設(shè)計流程、建模仿真等步驟,使用Ansys Lumerical CHARG、HEAT以及INTERCONNECT等軟件,最終完成單個光子器件到光子集成電路的仿真設(shè)計。接下來讓我們從光學調(diào)制的基本概念開始。

什么是光學調(diào)制?

在介紹硅光調(diào)制器的之前,首先解決一個問題:什么是光學調(diào)制?我們不難找到它的定義,即“光調(diào)制技術(shù)就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上的一種調(diào)制技術(shù)”,這個定義更偏向于光學通信。從光學原理的角度來看,光學調(diào)制則是改變光信號的強度(振幅)、頻率、相位、傳播方向等一個或多個特征參數(shù)的過程。在這些參數(shù)中,大部分光探測器(包括人眼)對光強(振幅)最為敏感,且其他光學參數(shù)如頻率、相位等也可以通過光強的變化來表達,因此可以通過檢測光強(振幅)的變化來檢測光學調(diào)制的效果。

光學調(diào)制的作用是什么?

光學調(diào)制的作用可歸納為以下幾個方面:首先對于光纖通信而言,光學調(diào)制可以將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,以便在光纖中實現(xiàn)高速度、大容量、高帶寬、低損耗、以及抗電磁干擾能力強的數(shù)據(jù)傳輸。此外通過復雜的調(diào)制方式,光信號的攔截和竊聽更為困難,因此具有較高的安全性。其次,在光子集成電路中,光學調(diào)制器可以與其他光電子器件高密度集成在一個芯片上,用于各種光信號處理應用,包括復用、解復用、路由等。在數(shù)據(jù)中心和高性能計算系統(tǒng)中,光學調(diào)制可用于實現(xiàn)高速光互連,大幅提高數(shù)據(jù)交換速度,減少延遲,提升整體計算效率。最后在測量和傳感領(lǐng)域,光學調(diào)制技術(shù)也有廣泛應用,如光纖傳感器和干涉儀測量。

光學調(diào)制的原理與分類

從技術(shù)實現(xiàn)的角度來看,集成光調(diào)制器按照調(diào)制方式的不同可分為,直接(內(nèi)部)調(diào)制器件和外部調(diào)制器件。


直接調(diào)制器件是將射頻信號(或稱調(diào)制信號)與驅(qū)動電流耦合,直接驅(qū)動光源進行電光調(diào)制(示意圖如下),典型的例子為具有泵浦電流調(diào)制功能的常用半導體激光二極管,可以在高達30 GHz以及更高的頻率下工作。優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn),技術(shù)較為成熟,缺點為調(diào)制頻率易受到限制,且輸出光信號的頻率也會隨注入電流變化出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,因此不適用于高速率以及長距離的通信場景。
【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器(1)——基本原理
圖1:直接調(diào)制器件原理圖
外部調(diào)制器件也稱為間接調(diào)制一方面可以通過改變材料對光的吸收,改變光信號的強度,進而達到調(diào)制光信號的目的,另一方面可以利用外加各種形式的能量使材料折射率發(fā)生變化,引起光信號強度發(fā)生變化。因此外部調(diào)制器件也可分為電吸收型和折射率改變型,根據(jù)能量形式的不同,折射率改變型又可分為:電光調(diào)制、熱光調(diào)制、聲光調(diào)制以及磁光調(diào)制。
【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器(1)——基本原理
圖2:外部調(diào)制器件原理圖

電光調(diào)制中常用的物理效應

(一)泡克耳斯效應:折射率實部變化引起相位調(diào)制

  1. 泡克耳斯效應(Pockels effect)是電光效應的一種,由于其外加電場引起的晶體折射率變化正比于電場強度, 因此又稱作線性電光效應。此外,還有二階非線性電光效應—克爾效應,其外加電場引起的晶體折射率變化正比于電場強度的平方。兩種效應的折射率對外加電場的依賴關(guān)系如下:
    【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器(1)——基本原理
  2. 應用范圍:InP、鈮酸鋰、有機電光材料等,Ansys Lumerical中的案例為Thin Film Lithium Niobate Electro-Optic Phase Modulator:

    (相關(guān)鏈接:https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/19435937674387-Thin-Film-Lithium-Niobate-Electro-Optic-Phase-Modulator
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圖3:鈮酸鋰薄膜電光相位調(diào)制器
(二)弗朗茲-凱爾迪什效應:折射率虛部變化實現(xiàn)強度調(diào)制
  1. 弗朗茲-凱爾迪什效應(Franz-Keidysh, F-K)是電吸收效應的一種,指的是在外加電場作用下某些半導體的能帶發(fā)生彎曲,使得導帶和價帶間的帶隙發(fā)生變化,價帶電子通過隧穿躍遷到導帶的幾率大大增加,有效能隙減小,使得吸收邊發(fā)生紅移。原理圖如下:
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    圖4:弗朗茲-凱爾迪什效應

    https://www.leitenstorfer.uni-konstanz.de/en/research/multi-terahertz-physics-and-technology/

  2. 應用范圍:Ge、GeSe等材料,Ansys Lumerical中的相關(guān)案例為:T Electro-absorption modulator

    (相關(guān)鏈接:https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042456054-Electro-absorption-modulator


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圖5:硅鍺電吸收調(diào)制器
(三)量子限制斯塔克效應:折射率虛部變化實現(xiàn)強度調(diào)制
  1. 量子限制斯塔克效應(quantum confined stark effect, QCSE)反映了量子阱結(jié)構(gòu)光學吸收譜在外加垂直電場作用下的變化,如圖所示,電子和空穴被束縛在量子阱中。外加電場后,束縛的電子和空穴形成激子。與Franz–Keldysh效應類似,在外加電場的作用下,量子阱結(jié)構(gòu)能帶發(fā)生傾斜,使得有效帶隙降低,吸收邊紅移。
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    圖6:量子限制斯塔克效應效應

    https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum-confined_Stark_effect
  2. 應用范圍:InP、GaAs-AlGaAs等材料,Ansys Lumerical中的相關(guān)案例為:GaAs-AlGaAs Electro Absorption Modulator

    (相關(guān)鏈接:https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/1500003780782-GaAs-AlGaAs-Electro-Absorption-Modulator


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圖7:GaAs-AlGaAs電吸收調(diào)制器

(四)等離子體色散效應

  1. 等離子體色散效應(plasma dispersion, PD)指的是材料中自由載流子的濃度對材料折射率的實部和虛部都會產(chǎn)生影響,其中對材料折射率虛部(吸收)的影響要遠大于實部。

  2. 如果利用硅材料對通信波段的光波進行調(diào)制,有如下經(jīng)驗公式:

    【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器(1)——基本原理

    注:【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器(1)——基本原理材料的折射率變化量,【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器(1)——基本原理?材料的光吸收系數(shù)變化量,【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器(1)——基本原理電子和空穴在單位體積(cm-3)的濃度變化量。在1550 nm和1300 nm下,空穴的吸收系數(shù)變化更小,折射率系數(shù)變化更大。

  3. 應用范圍:常用材料為Si, Ansys Lumerical中的相關(guān)案例為:Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator

    (相關(guān)鏈接:https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator
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圖8:行波馬赫-曾德爾調(diào)制器
上面介紹了電光調(diào)制中四種常見的物理效應,這四種物理效應對對硅材料光學性質(zhì)的影響可以總結(jié)如下:

①由于硅晶格的中心反演對稱性,泡克耳斯效應是零。

②在1.31~1.55 um的通信波長范圍內(nèi),硅中的F-K 效應幾乎為零。

③硅中的克爾效應是10-4數(shù)量級小于等離子體色散效應的10-3數(shù)量級。


因此,多數(shù)硅基電光調(diào)制器都是通過等離子體色散效應來實現(xiàn)的。
OK,綜上所屬,我們從光學調(diào)制開始,介紹了光學調(diào)制的原理與分類,以及電光調(diào)制中四種常見的物理效應,后面我們將繼續(xù)介紹硅基光電調(diào)制器的性能指標、常用結(jié)構(gòu)等內(nèi)容,歡迎大家持續(xù)關(guān)注公眾號的更新。

參考文獻:

周治平.硅基光電子學[M].科學出版社,2021.

Broadband optical modulators: science, technology, and applications[J]. 2011.

Petrov V M, Agruzov P M, Lebedev V V, et al. Broadband integrated optical modulators: Achievements and prospects[J]. Physics-Uspekhi, 2021, 64(7): 722.

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