本期我們將開始一個(gè)新的系列專題——有源光子器件的設(shè)計(jì)與仿真，涉及到調(diào)制器、探測(cè)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(biāo)、常見結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)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(gè)光子器件到光子集成電路的仿真設(shè)計(jì)。接下來(lái)讓我們從光學(xué)調(diào)制的基本概念開始。
在介紹硅光調(diào)制器的之前，首先解決一個(gè)問(wèn)題：什么是光學(xué)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(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上的一種調(diào)制技術(shù)”，這個(gè)定義更偏向于光學(xué)通信。從光學(xué)原理的角度來(lái)看，光學(xué)調(diào)制則是改變光信號(hào)的強(qiáng)度（振幅）、頻率、相位、傳播方向等一個(gè)或多個(gè)特征參數(shù)的過(guò)程。在這些參數(shù)中，大部分光探測(cè)器（包括人眼）對(duì)光強(qiáng)（振幅）最為敏感，且其他光學(xué)參數(shù)如頻率、相位等也可以通過(guò)光強(qiáng)的變化來(lái)表達(dá)，因此可以通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)（振幅）的變化來(lái)檢測(cè)光學(xué)調(diào)制的效果。光學(xué)調(diào)制的作用可歸納為以下幾個(gè)方面：首先對(duì)于光纖通信而言，光學(xué)調(diào)制可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，以便在光纖中實(shí)現(xiàn)高速度、大容量、高帶寬、低損耗、以及抗電磁干擾能力強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸。此外通過(guò)復(fù)雜的調(diào)制方式，光信號(hào)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(xué)調(diào)制器可以與其他光電子器件高密度集成在一個(gè)芯片上，用于各種光信號(hào)處理應(yīng)用，包括復(fù)用、解復(fù)用、路由等。在數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算系統(tǒng)中，光學(xué)調(diào)制可用于實(shí)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(jì)算效率。最后在測(cè)量和傳感領(lǐng)域，光學(xué)調(diào)制技術(shù)也有廣泛應(yīng)用，如光纖傳感器和干涉儀測(cè)量。
從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)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(hào)（或稱調(diào)制信號(hào)）與驅(qū)動(dòng)電流耦合，直接驅(qū)動(dòng)光源進(jìn)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(dǎo)體激光二極管，可以在高達(dá)30 GHz以及更高的頻率下工作。優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，技術(shù)較為成熟，缺點(diǎn)為調(diào)制頻率易受到限制，且輸出光信號(hào)的頻率也會(huì)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(zhǎng)距離的通信場(chǎng)景。外部調(diào)制器件也稱為間接調(diào)制一方面可以通過(guò)改變材料對(duì)光的吸收，改變光信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到調(diào)制光信號(hào)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(hào)強(qiáng)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。(一)泡克耳斯效應(yīng)：折射率實(shí)部變化引起相位調(diào)制
- 泡克耳斯效應(yīng)（Pockels effect）是電光效應(yīng)的一種，由于其外加電場(chǎng)引起的晶體折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度， 因此又稱作線性電光效應(yīng)。此外，還有二階非線性電光效應(yīng)—克爾效應(yīng)，其外加電場(chǎng)引起的晶體折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方。兩種效應(yīng)的折射率對(duì)外加電場(chǎng)的依賴關(guān)系如下：
應(yīng)用范圍：InP、鈮酸鋰、有機(jī)電光材料等，Ansys Lumerical中的案例為Thin Film Lithium Niobate Electro-Optic Phase Modulator：
(二)弗朗茲－凱爾迪什效應(yīng)：折射率虛部變化實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制- 弗朗茲－凱爾迪什效應(yīng)(Franz-Keidysh, F-K）是電吸收效應(yīng)的一種，指的是在外加電場(chǎng)作用下某些半導(dǎo)體的能帶發(fā)生彎曲，使得導(dǎo)帶和價(jià)帶間的帶隙發(fā)生變化，價(jià)帶電子通過(guò)隧穿躍遷到導(dǎo)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：
應(yīng)用范圍：Ge、GeSe等材料，Ansys Lumerical中的相關(guān)案例為：T Electro-absorption modulator
(三)量子限制斯塔克效應(yīng)：折射率虛部變化實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制- 量子限制斯塔克效應(yīng)(quantum confined stark effect, QCSE)反映了量子阱結(jié)構(gòu)光學(xué)吸收譜在外加垂直電場(chǎng)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(chǎng)后，束縛的電子和空穴形成激子。與Franz–Keldysh效應(yīng)類似，在外加電場(chǎng)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。
圖6：量子限制斯塔克效應(yīng)效應(yīng)
應(yīng)用范圍：InP、GaAs-AlGaAs等材料，Ansys Lumerical中的相關(guān)案例為：GaAs-AlGaAs Electro Absorption Modulator
圖7：GaAs-AlGaAs電吸收調(diào)制器(四)等離子體色散效應(yīng)
等離子體色散效應(yīng)（plasma dispersion, PD）指的是材料中自由載流子的濃度對(duì)材料折射率的實(shí)部和虛部都會(huì)產(chǎn)生影響，其中對(duì)材料折射率虛部（吸收）的影響要遠(yuǎn)大于實(shí)部。
如果利用硅材料對(duì)通信波段的光波進(jìn)行調(diào)制，有如下經(jīng)驗(yàn)公式：
應(yīng)用范圍：常用材料為Si， Ansys Lumerical中的相關(guān)案例為：Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator
上面介紹了電光調(diào)制中四種常見的物理效應(yīng)，這四種物理效應(yīng)對(duì)對(duì)硅材料光學(xué)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(duì)稱性，泡克耳斯效應(yīng)是零。
②在1.31~1.55 um的通信波長(zhǎng)范圍內(nèi)，硅中的F-K 效應(yīng)幾乎為零。
③硅中的克爾效應(yīng)是10-4數(shù)量級(jí)小于等離子體色散效應(yīng)的10-3數(shù)量級(jí)。
因此，多數(shù)硅基電光調(diào)制器都是通過(guò)等離子體色散效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。OK，綜上所屬，我們從光學(xué)調(diào)制開始，介紹了光學(xué)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(yīng)，后面我們將繼續(xù)介紹硅基光電調(diào)制器的性能指標(biāo)、常用結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，歡迎大家持續(xù)關(guān)注公眾號(hào)的更新。參考文獻(xiàn)：
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