【Lumerical系列】硅基光电调制器（1）——基本原理

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本期我们将开始一个新的系列专题——有源光子器件的设计与仿真，涉及到调制器、探测器、激光器在内的众多有源器件。我们将以Ansys Lumerical上的案例为基础，从基本的硅光调制器开始，介绍调制器的基本原理、性能指标、常见结构、设计流程、建模仿真等步骤，使用Ansys Lumerical CHARG、HEAT以及INTERCONNECT等软件，最终完成单个光子器件到光子集成电路的仿真设计。接下来让我们从光学调制的基本概念开始。

什么是光学调制？

在介绍硅光调制器的之前，首先解决一个问题：什么是光学调制？我们不难找到它的定义，即“光调制技术就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的一种调制技术”，这个定义更偏向于光学通信。从光学原理的角度来看，光学调制则是改变光信号的强度（振幅）、频率、相位、传播方向等一个或多个特征参数的过程。在这些参数中，大部分光探测器（包括人眼）对光强（振幅）最为敏感，且其他光学参数如频率、相位等也可以通过光强的变化来表达，因此可以通过检测光强（振幅）的变化来检测光学调制的效果。

光学调制的作用是什么？

光学调制的作用可归纳为以下几个方面：首先对于光纤通信而言，光学调制可以将电信号转换为光信号，以便在光纤中实现高速度、大容量、高带宽、低损耗、以及抗电磁干扰能力强的数据传输。此外通过复杂的调制方式，光信号的拦截更为困难，因此具有较高的安全性。其次，在光子集成电路中，光学调制器可以与其他光电子器件高密度集成在一个芯片上，用于各种光信号处理应用，包括复用、解复用、路由等。在数据中心和高性能计算系统中，光学调制可用于实现高速光互连，大幅提高数据交换速度，减少延迟，提升整体计算效率。最后在测量和传感领域，光学调制技术也有广泛应用，如光纤传感器和干涉仪测量。

光学调制的原理与分类

从技术实现的角度来看，集成光调制器按照调制方式的不同可分为，直接（内部）调制器件和外部调制器件。

直接调制器件是将射频信号（或称调制信号）与驱动电流耦合，直接驱动光源进行电光调制（示意图如下），典型的例子为具有泵浦电流调制功能的常用半导体激光二极管，可以在高达30 GHz以及更高的频率下工作。优点为结构简单、易于实现，技术较为成熟，缺点为调制频率易受到限制，且输出光信号的频率也会随注入电流变化出现啁啾现象，因此不适用于高速率以及长距离的通信场景。

图1：直接调制器件原理图

外部调制器件也称为间接调制一方面可以通过改变材料对光的吸收，改变光信号的强度，进而达到调制光信号的目的，另一方面可以利用外加各种形式的能量使材料折射率发生变化，引起光信号强度发生变化。因此外部调制器件也可分为电吸收型和折射率改变型，根据能量形式的不同，折射率改变型又可分为：电光调制、热光调制、声光调制以及磁光调制。

图2：外部调制器件原理图

电光调制中常用的物理效应

(一)泡克耳斯效应：折射率实部变化引起相位调制

泡克耳斯效应（Pockels effect）是电光效应的一种，由于其外加电场引起的晶体折射率变化正比于电场强度，因此又称作线性电光效应。此外，还有二阶非线性电光效应—克尔效应，其外加电场引起的晶体折射率变化正比于电场强度的平方。两种效应的折射率对外加电场的依赖关系如下：
应用范围：InP、铌酸锂、有机电光材料等，Ansys Lumerical中的案例为Thin Film Lithium Niobate Electro-Optic Phase Modulator：
（相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/19435937674387-Thin-Film-Lithium-Niobate-Electro-Optic-Phase-Modulator）

图3：铌酸锂薄膜电光相位调制器

(二)弗朗兹－凯尔迪什效应：折射率虚部变化实现强度调制

弗朗兹－凯尔迪什效应(Franz-Keidysh, F-K）是电吸收效应的一种，指的是在外加电场作用下某些半导体的能带发生弯曲，使得导带和价带间的带隙发生变化，价带电子通过隧穿跃迁到导带的几率大大增加，有效能隙减小，使得吸收边发生红移。原理图如下：
图4：弗朗兹－凯尔迪什效应
（https://www.leitenstorfer.uni-konstanz.de/en/research/multi-terahertz-physics-and-technology/）
应用范围：Ge、GeSe等材料，Ansys Lumerical中的相关案例为：T Electro-absorption modulator
（相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042456054-Electro-absorption-modulator）

图5：硅锗电吸收调制器

(三)量子限制斯塔克效应：折射率虚部变化实现强度调制

量子限制斯塔克效应(quantum confined stark effect, QCSE)反映了量子阱结构光学吸收谱在外加垂直电场作用下的变化，如图所示，电子和空穴被束缚在量子阱中。外加电场后，束缚的电子和空穴形成激子。与Franz–Keldysh效应类似，在外加电场的作用下，量子阱结构能带发生倾斜，使得有效带隙降低，吸收边红移。

图6：量子限制斯塔克效应效应

应用范围：InP、GaAs-AlGaAs等材料，Ansys Lumerical中的相关案例为：GaAs-AlGaAs Electro Absorption Modulator
（相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/1500003780782-GaAs-AlGaAs-Electro-Absorption-Modulator）

图7：GaAs-AlGaAs电吸收调制器

(四)等离子体色散效应

等离子体色散效应（plasma dispersion, PD）指的是材料中自由载流子的浓度对材料折射率的实部和虚部都会产生影响，其中对材料折射率虚部（吸收）的影响要远大于实部。
如果利用硅材料对通信波段的光波进行调制，有如下经验公式：
注：：材料的折射率变化量，：材料的光吸收系数变化量，：电子和空穴在单位体积（cm-3）的浓度变化量。在1550 nm和1300 nm下，空穴的吸收系数变化更小，折射率系数变化更大。
应用范围：常用材料为Si， Ansys Lumerical中的相关案例为：Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator
（相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator）

图8：行波马赫-曾德尔调制器

上面介绍了电光调制中四种常见的物理效应，这四种物理效应对对硅材料光学性质的影响可以总结如下：

①由于硅晶格的中心反演对称性，泡克耳斯效应是零。

②在1.31~1.55 um的通信波长范围内，硅中的F-K 效应几乎为零。

③硅中的克尔效应是10^-4数量级小于等离子体色散效应的10^-3数量级。

因此，多数硅基电光调制器都是通过等离子体色散效应来实现的。

OK，综上所属，我们从光学调制开始，介绍了光学调制的原理与分类，以及电光调制中四种常见的物理效应，后面我们将继续介绍硅基光电调制器的性能指标、常用结构等内容，欢迎大家持续关注。

参考文献：

周治平.硅基光电子学[M].科学出版社,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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首次发布时间：2024-09-09