GaAs-AlGaAs晶體的電光調(diào)制性能模擬計(jì)算

張文芳，劉福華，賀澤民，柳 杰

(西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安 710123)

0 引言

光纖通信是當(dāng)今各種通信網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸方式。光纖通信方式中的信號外調(diào)制技術(shù)，一般通過電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電光信號的轉(zhuǎn)換，再將信息經(jīng)過光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸[1]。電光調(diào)制器是外調(diào)制光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其性能直接影響著光纖通信系統(tǒng)的性能。隨著光纖通信系統(tǒng)用量的逐年增加，對電光調(diào)制器的需求同樣增長[2-3]。

GaAs-AlGaAs晶體是制造電光調(diào)制器件的重要原材料，對該材料的電光調(diào)制性能開展模擬計(jì)算可以為電光調(diào)制器件的設(shè)計(jì)制造提供初步理論指導(dǎo)，對于電光調(diào)制器件性能乃至整個(gè)光纖通信系統(tǒng)性能的提高具有重要的意義。

1 電光調(diào)制工作原理

電光調(diào)制的工作原理是基于電場對光波傳輸特性如偏振、相位等的改變[4-5]。改變外部電場強(qiáng)度及分布，可以實(shí)現(xiàn)光波強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等的改變，從而實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制功能，這就是電光調(diào)制器[6]。由LiNbO3晶體材料制成的Mach Zehnder(M-Z)電光調(diào)制器擁有高的電光系數(shù)以及低的偏置電壓，而且技術(shù)成熟[7]。目前，其被廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中作為高速信號調(diào)制器。

M-Z電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)Y波導(dǎo)組成。輸入光進(jìn)入電光調(diào)制器后在第一個(gè)Y字型分支處將會分成兩個(gè)相等的光束，分別在兩條分路中傳播[8-9]。當(dāng)其中一個(gè)波導(dǎo)臂加載電場時(shí)，LiNbO3晶體的電光效應(yīng)會改變波導(dǎo)的兩條路徑的光在真空中傳播的速度與在外加電場中傳播的速度的比值，并且波導(dǎo)中的光傳輸時(shí)間也會發(fā)生變化[10]。在兩個(gè)波導(dǎo)合并的第二Y字形分支中，兩個(gè)光束之間存在相位差。光學(xué)相干輸出的光波電場[11]為：

(1)

其中φ1、φ2分別為兩路光在兩波導(dǎo)臂傳播產(chǎn)生的相位移動，令φ1-φ2=Δφ，得：

(2)

式中Δφ是兩束光上午相位差，可以表示為[11]：

(3)

式中m表示相位調(diào)制系數(shù)；na表示一個(gè)臂的光在真空中傳播的速度與在外加電場中傳播的速度的比值；nb表示另一個(gè)臂的光在真空中傳播的速度與在外加電場中傳播的速度的比值；l是臂長；c表示光在真空中傳播的速度。電光效應(yīng)使射率n和Δφ(兩束光的相位差)與電場E(電壓V)成一次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)Δφ=0，2π時(shí)輸出光強(qiáng)達(dá)到最大值。當(dāng)Δφ=π時(shí)，理論上輸出光強(qiáng)度為0，但事實(shí)是不可能完全為0。

M-Z型LiNbO3電光調(diào)制器的傳輸特性函數(shù)表示[11]：

(4)

Pout為輸出光在單位時(shí)間內(nèi)做的功；α為系數(shù)；Pin為輸入電光調(diào)制器的光在單位時(shí)間內(nèi)做的功；V為電光調(diào)制器的施加電壓(包括直流預(yù)電壓和調(diào)制信號)；Vπ為電光調(diào)制器的半波電壓；φoffset為偏移相位，由兩個(gè)分支路的長短決定；P0是電光調(diào)制器的泄露的光功率。

2 GaAs-AlGaAs材料的模擬仿真

2.1 GaAs-AlGaAs材料的主要參數(shù)

GaAs-AlGaAs電光晶體的光學(xué)性能是各向同性的，在晶體特定方向上，加上電場會使晶體產(chǎn)生一個(gè)跟電場成正比的雙折射量。GaAs-AlGaAs晶體具有優(yōu)越的光電性能：(1)直接帶隙：躍遷比較容易，躍遷概率高，同時(shí)具有高光電轉(zhuǎn)換率；(2)帶隙大：室溫下Ge、Si的禁帶寬度分別是0.74 eV、1.17 eV，比Ge、Si更難本征激發(fā)，因此極限溫度高；(3)遷移率高：相同條件下其遷移率是Si的5～7倍，可達(dá)8 500 cm2/(V·s)；(4)電阻率高，電容率小。

2.2 基于襯底去除的GaAs-AlGaAs電光調(diào)制波導(dǎo)設(shè)計(jì)

這種波導(dǎo)采用“去除襯底”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從下到上依次是基板(Al0.3Ga0.7As)，有源區(qū)(GaAs)，包層是一種用于將波導(dǎo)黏合到另一個(gè)基板上的聚合物。脊形結(jié)構(gòu)形成波導(dǎo)支持TE波和TM波，而本設(shè)計(jì)中只激發(fā)TE波，因?yàn)樵趥鞑シ较蛏现挥写艌鰶]有電場，便于觀察。當(dāng)電極有電位差時(shí)，電磁場主要是垂直的，它會影響光的傳播。電光效應(yīng)使材料的折射率略有改變，這種影響很小，但它可以使光波在長距離傳播后的相位產(chǎn)生1 cm左右的差異。在設(shè)計(jì)中，電子光學(xué)系數(shù)如(5)式：

(5)

在這個(gè)襯底去除GaAs-AlGaAs電光波導(dǎo)中，只有電磁場的垂直分量(rVEV)才能影響折射率。在上部和背面電極之間施加17.8 V的電位差(上電極17.8 V下電極0 V)。波導(dǎo)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 GaAs-AlGaAs電光調(diào)制器的模擬計(jì)算

電光調(diào)制器可以選擇橫向平面的Z切位置，以模擬靜電場、電光和光分布。參數(shù)設(shè)置為：有源區(qū)寬度為0.73 μm，上電極為17.8 V，下電極為0 V，各數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1)調(diào)制電極設(shè)計(jì)。

有源區(qū)電極3D如圖2所示。

圖2 有源區(qū)電極3D仿真

圖2中上面一層為有源區(qū)。X方向?yàn)閷挾龋琘方向?yàn)楹穸龋琙方向?yàn)閭鞑シ较颉ｋ姌O從下電極的0 V沿傳播方向經(jīng)過基板最終到達(dá)有源區(qū)，電極達(dá)到最大值17.8 V。

(2)光學(xué)折射率與電場變化關(guān)系。

沿X方向的電場與材料光學(xué)折射率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 沿X方向電場與折射率的關(guān)系

當(dāng)沿X方向時(shí)，平面里有源區(qū)貫徹整個(gè)平面，有效折射率曲線呈一條平行線，沿X方向時(shí)整個(gè)波導(dǎo)左右對稱，在中間時(shí)電場與有效折射率都達(dá)到最大。

(3)光斑分布。

圖4是光斑沿XZ方向光強(qiáng)分布，光強(qiáng)都集中在有源區(qū)(X cut=0)附近，且中間紅色部分光場強(qiáng)度達(dá)到最大值，由于波導(dǎo)沿X方向時(shí)左右對稱，所以光強(qiáng)也沿X=0上下對稱。

(4)沿Z傳播方向的電勢。

圖5 是延Z傳播方向3D靜電勢圖，結(jié)果表明電勢主要集中在上電極附近，下電極為0 V，沿著傳播方向靜電勢越來越大，直至最大值17.8 V。

圖5 延Z傳播方向3D電勢分布

將有源區(qū)寬度改為1 μm，將電壓改為4.5 V，上電極為4.5 V，下電極為0 V，各數(shù)據(jù)結(jié)果變化趨勢基本相同。

3 結(jié)語

本研究采用OptiBPM仿真環(huán)境，對襯底去除的GaAs-AlGaAs電光調(diào)制器的電光調(diào)制性能進(jìn)行模擬計(jì)算，對改變設(shè)計(jì)參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。可發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大有源區(qū)范圍各平面的光強(qiáng)分布的范圍更加廣泛，光電解算器反映的靜電場、電光和光的分布，越靠近有源區(qū)靜電場與光場越強(qiáng)，當(dāng)進(jìn)入有源區(qū)時(shí)出現(xiàn)折射率，呈階梯狀分布。以上模擬計(jì)算結(jié)果可以用于GaAs-AlGaAs材料的高速低電壓電光調(diào)制器的設(shè)計(jì)中。