電吸收激光調制技術的等效電路模型研究

李銳

摘 要：電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。根據在三端口集成器件的信號等效電路模型，得出實驗結論，采用電吸收調制器的數字調制方式，可以有效提高抗干擾能力，降低啁啾效應，實現高速率激光調制輸出。

關鍵詞：電光調制 分布式反饋激光器 啁啾效應

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0128-02

1 電光調制

電光調制利用了電光效應，調制晶體在外電場的作用下，晶體折射率發生變化，使通過晶體的不同偏振方向的光之間產生位相差，利用馬赫-曾德爾電光調制器，從而實現電光強度調制。圖1是典型的電光調制裝置的示意圖。該電光調制裝置由兩塊交叉偏振片和一塊單軸電光晶體構成，偏振片的通振動方向分別與x、y軸平行。通過振動方向與y軸平行的偏振片檢偏后產生的光振幅，隨著外加電壓變化，出射光強也改變了，如果把信號加在晶體上，輸出光強就為信號所調制。

2 電吸收光調制器的等效電路模型

電吸收調制器的等效電路模型要考慮到光功率帶來的影響。2003年，Federica等給出了電吸收調制器的時域大信號模型，研究了電吸收調制器的大信號特征，如啁啾現象。電吸收調制器準靜態小信號等效電路模型如圖2所示。圖2中，和是連接終端微帶線和輸入端微帶線的金絲的電感和電容；是EAM調制器的串聯電阻（包括體電阻和歐姆接觸電阻）；是結電容；是壓焊點的寄生電容。調制器吸收光子產生光生載流子，在反向結偏壓的作用下，形成光生電流，電流通道的阻抗表示為電阻，是調制器的直流光電流，是直流結偏壓，是輸入光功率有關，隨著輸入光功率的增大，逐漸變小；調制器的電-光頻率響應由兩端的交流電壓與輸入的交流電壓的比值決定。結電容的值可以由C-V測試得到，通過測量大電流下調制器的正向I-V曲線的斜率近似得到。

大信號條件下，由于輸入信號較大，必然涉及到器件的非線性部分，這樣就不能用現行等效電路表示電子器件的特征，需要非線性等效電路分析，電吸收調制器的大信號等效電路如圖3所示。調制器大信號電路模型由相互控制的電路回路（電極1～電極2）、光學回路（電極3～電極4）以及相位回路（電極5～電極6構成）。電學回路將非線性電極單元等效為準傳輸線，傳播特征由傳輸線電阻，傳輸線電感，傳輸線電容，P-I-N結的串聯電阻（包括體電阻和歐姆接觸電阻），結電容和光電流決定，光學回路對光強調制建模，產生的光電流如下式：

因為大信號等效電路可以分析電吸收調制器的響應和啁啾等大信號特性，對電吸收調制器結構、封裝等進行優化設計，并且為電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。圖4為測量的EAM調制器于DFB激光器的反射參數，其中所用DFB激光器的閾值電流約為16 mA。可以看出，當偏置電流低于或接近閾值電流時，激光器的阻抗特性隨著偏置電流的變化而變化。然而，調制器的反射參數只在偏置電流高于閾值的時候才有顯著變化，說明此時光耦合的作用要大于電耦合。

3 結論

本文研究了高速率EAM調制技術，建立電吸收調制器準靜態小信號等效電路模型，在三端口模型實驗分析中，由光反饋引起的EAM調制器的探測器作用和附加調制作用都應該被考慮到，容易實現高速率調制光信號。綜合比較，采用電吸收調制器的數字調制方式，可以有效提高抗干擾能力，實現高速率激光調制信號輸出。

參考文獻

[1] 李永倩，王虎，李歡.瑞利布里淵光時域分析系統中電光調制器的理論模型與實驗研究[J].光子學報，2012，12（11）：1286-1291.

[2] 馮巍巍，王幼林，祝寧華.從等效電路模型分析激光光源的啁啾特性[J].半導體光電，2005，5（4）：299-302.

[3] 張勝利，劉宇，孫建偉.高速光探測器封裝的優化設計[J].光學學報，2004，24（5）：659-662.

[4] Metzler，SchwanderT.RF small-signal equivalent circuit of MQW InGaAs/InAlAs electroabsorption modulator[J].Electron Lett，2007，33（21）：1822-1823.endprint

摘 要：電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。根據在三端口集成器件的信號等效電路模型，得出實驗結論，采用電吸收調制器的數字調制方式，可以有效提高抗干擾能力，降低啁啾效應，實現高速率激光調制輸出。

關鍵詞：電光調制 分布式反饋激光器 啁啾效應

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0128-02

1 電光調制

電光調制利用了電光效應，調制晶體在外電場的作用下，晶體折射率發生變化，使通過晶體的不同偏振方向的光之間產生位相差，利用馬赫-曾德爾電光調制器，從而實現電光強度調制。圖1是典型的電光調制裝置的示意圖。該電光調制裝置由兩塊交叉偏振片和一塊單軸電光晶體構成，偏振片的通振動方向分別與x、y軸平行。通過振動方向與y軸平行的偏振片檢偏后產生的光振幅，隨著外加電壓變化，出射光強也改變了，如果把信號加在晶體上，輸出光強就為信號所調制。

2 電吸收光調制器的等效電路模型

電吸收調制器的等效電路模型要考慮到光功率帶來的影響。2003年，Federica等給出了電吸收調制器的時域大信號模型，研究了電吸收調制器的大信號特征，如啁啾現象。電吸收調制器準靜態小信號等效電路模型如圖2所示。圖2中，和是連接終端微帶線和輸入端微帶線的金絲的電感和電容；是EAM調制器的串聯電阻（包括體電阻和歐姆接觸電阻）；是結電容；是壓焊點的寄生電容。調制器吸收光子產生光生載流子，在反向結偏壓的作用下，形成光生電流，電流通道的阻抗表示為電阻，是調制器的直流光電流，是直流結偏壓，是輸入光功率有關，隨著輸入光功率的增大，逐漸變小；調制器的電-光頻率響應由兩端的交流電壓與輸入的交流電壓的比值決定。結電容的值可以由C-V測試得到，通過測量大電流下調制器的正向I-V曲線的斜率近似得到。

大信號條件下，由于輸入信號較大，必然涉及到器件的非線性部分，這樣就不能用現行等效電路表示電子器件的特征，需要非線性等效電路分析，電吸收調制器的大信號等效電路如圖3所示。調制器大信號電路模型由相互控制的電路回路（電極1～電極2）、光學回路（電極3～電極4）以及相位回路（電極5～電極6構成）。電學回路將非線性電極單元等效為準傳輸線，傳播特征由傳輸線電阻，傳輸線電感，傳輸線電容，P-I-N結的串聯電阻（包括體電阻和歐姆接觸電阻），結電容和光電流決定，光學回路對光強調制建模，產生的光電流如下式：

因為大信號等效電路可以分析電吸收調制器的響應和啁啾等大信號特性，對電吸收調制器結構、封裝等進行優化設計，并且為電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。圖4為測量的EAM調制器于DFB激光器的反射參數，其中所用DFB激光器的閾值電流約為16 mA。可以看出，當偏置電流低于或接近閾值電流時，激光器的阻抗特性隨著偏置電流的變化而變化。然而，調制器的反射參數只在偏置電流高于閾值的時候才有顯著變化，說明此時光耦合的作用要大于電耦合。

3 結論

本文研究了高速率EAM調制技術，建立電吸收調制器準靜態小信號等效電路模型，在三端口模型實驗分析中，由光反饋引起的EAM調制器的探測器作用和附加調制作用都應該被考慮到，容易實現高速率調制光信號。綜合比較，采用電吸收調制器的數字調制方式，可以有效提高抗干擾能力，實現高速率激光調制信號輸出。

參考文獻

[1] 李永倩，王虎，李歡.瑞利布里淵光時域分析系統中電光調制器的理論模型與實驗研究[J].光子學報，2012，12（11）：1286-1291.

[2] 馮巍巍，王幼林，祝寧華.從等效電路模型分析激光光源的啁啾特性[J].半導體光電，2005，5（4）：299-302.

[3] 張勝利，劉宇，孫建偉.高速光探測器封裝的優化設計[J].光學學報，2004，24（5）：659-662.

[4] Metzler，SchwanderT.RF small-signal equivalent circuit of MQW InGaAs/InAlAs electroabsorption modulator[J].Electron Lett，2007，33（21）：1822-1823.endprint

摘 要：電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。根據在三端口集成器件的信號等效電路模型，得出實驗結論，采用電吸收調制器的數字調制方式，可以有效提高抗干擾能力，降低啁啾效應，實現高速率激光調制輸出。

關鍵詞：電光調制 分布式反饋激光器 啁啾效應

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0128-02

1 電光調制

電光調制利用了電光效應，調制晶體在外電場的作用下，晶體折射率發生變化，使通過晶體的不同偏振方向的光之間產生位相差，利用馬赫-曾德爾電光調制器，從而實現電光強度調制。圖1是典型的電光調制裝置的示意圖。該電光調制裝置由兩塊交叉偏振片和一塊單軸電光晶體構成，偏振片的通振動方向分別與x、y軸平行。通過振動方向與y軸平行的偏振片檢偏后產生的光振幅，隨著外加電壓變化，出射光強也改變了，如果把信號加在晶體上，輸出光強就為信號所調制。

2 電吸收光調制器的等效電路模型

電吸收調制器的等效電路模型要考慮到光功率帶來的影響。2003年，Federica等給出了電吸收調制器的時域大信號模型，研究了電吸收調制器的大信號特征，如啁啾現象。電吸收調制器準靜態小信號等效電路模型如圖2所示。圖2中，和是連接終端微帶線和輸入端微帶線的金絲的電感和電容；是EAM調制器的串聯電阻（包括體電阻和歐姆接觸電阻）；是結電容；是壓焊點的寄生電容。調制器吸收光子產生光生載流子，在反向結偏壓的作用下，形成光生電流，電流通道的阻抗表示為電阻，是調制器的直流光電流，是直流結偏壓，是輸入光功率有關，隨著輸入光功率的增大，逐漸變小；調制器的電-光頻率響應由兩端的交流電壓與輸入的交流電壓的比值決定。結電容的值可以由C-V測試得到，通過測量大電流下調制器的正向I-V曲線的斜率近似得到。

大信號條件下，由于輸入信號較大，必然涉及到器件的非線性部分，這樣就不能用現行等效電路表示電子器件的特征，需要非線性等效電路分析，電吸收調制器的大信號等效電路如圖3所示。調制器大信號電路模型由相互控制的電路回路（電極1～電極2）、光學回路（電極3～電極4）以及相位回路（電極5～電極6構成）。電學回路將非線性電極單元等效為準傳輸線，傳播特征由傳輸線電阻，傳輸線電感，傳輸線電容，P-I-N結的串聯電阻（包括體電阻和歐姆接觸電阻），結電容和光電流決定，光學回路對光強調制建模，產生的光電流如下式：

因為大信號等效電路可以分析電吸收調制器的響應和啁啾等大信號特性，對電吸收調制器結構、封裝等進行優化設計，并且為電吸收調制器和激光器等光電子集成器件的特性分析提供基礎。圖4為測量的EAM調制器于DFB激光器的反射參數，其中所用DFB激光器的閾值電流約為16 mA。可以看出，當偏置電流低于或接近閾值電流時，激光器的阻抗特性隨著偏置電流的變化而變化。然而，調制器的反射參數只在偏置電流高于閾值的時候才有顯著變化，說明此時光耦合的作用要大于電耦合。

3 結論

本文研究了高速率EAM調制技術，建立電吸收調制器準靜態小信號等效電路模型，在三端口模型實驗分析中，由光反饋引起的EAM調制器的探測器作用和附加調制作用都應該被考慮到，容易實現高速率調制光信號。綜合比較，采用電吸收調制器的數字調制方式，可以有效提高抗干擾能力，實現高速率激光調制信號輸出。

參考文獻

[1] 李永倩，王虎，李歡.瑞利布里淵光時域分析系統中電光調制器的理論模型與實驗研究[J].光子學報，2012，12（11）：1286-1291.

[2] 馮巍巍，王幼林，祝寧華.從等效電路模型分析激光光源的啁啾特性[J].半導體光電，2005，5（4）：299-302.

[3] 張勝利，劉宇，孫建偉.高速光探測器封裝的優化設計[J].光學學報，2004，24（5）：659-662.

[4] Metzler，SchwanderT.RF small-signal equivalent circuit of MQW InGaAs/InAlAs electroabsorption modulator[J].Electron Lett，2007，33（21）：1822-1823.endprint