半導體光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)及原理..

1、半導體光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)及原理學院：電子信息學院專業(yè)：光電子科學與技術學號：1142052022姓名：代中華一引言雖然半導體激光器可以直接進行調(diào)制產(chǎn)生光信號，但是在高速率調(diào)制狀態(tài)下會產(chǎn)生嚴重的啁啾，將不利于長距離、大容量的干線光纖通信傳輸。如果讓激光器只是靜態(tài)直流工作再外加光外調(diào)制器調(diào)制光信號，則可能減小頻率啁啾，從而大大提高信號傳輸性能，以成為大容量長距離光線系統(tǒng)光源。在各種光調(diào)制器中，半導體光調(diào)制器既具有優(yōu)良的光調(diào)制特性，又具有體積小、功率低的優(yōu)點，從而得到了廣泛采用。半導體光調(diào)制器可分為強度調(diào)制器件和相位調(diào)制器件。在目前的光纖通信系統(tǒng)中，主要采用強度檢測方式，所以強度調(diào)制型光調(diào)制器的研制

2、占著絕大多數(shù)的比重。目前得到廣泛采用的半導體強度調(diào)制器主要有兩種：利用量子限制斯塔克效應(quantum-confined-Starkeffect,QCSE)的電吸收(Electroabsorption,EA)調(diào)制器和Mach-Zehnder(M-Z)型光調(diào)制器。二電吸收調(diào)制器電吸收調(diào)制器是依靠材料在外電場中吸收率發(fā)生變化來工作的。調(diào)制器結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生電吸收的機理也不盡相同。按照調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，可以分為體材料、超晶格和多量子阱三類其機理又可以分為三種:1.Franz-Keldysh效應2.Wannier-Stark局域化效應3.量子限制Stark效應。下面分別介紹這三種效應。1. Franz-K

3、eldysh效應在體材料電吸收型調(diào)制器中，吸收層采用的是體材料(ButtMaterial)，依靠Franz-Keldysh效應實現(xiàn)調(diào)制。在體材料中，光子吸收主要發(fā)生在價帶電子被受激躍遷到導帶的情況。外電場使能帶傾斜，當外電場很強時，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，這種效應就是Franz-Keldysh效應。由于體材料電吸收調(diào)制器的有源層厚度在幾百納米量級，生長控制比較簡單；有源層結(jié)構(gòu)對光生載流子的限制較小，光生載流子的逸出相對于多量子阱調(diào)制器容易，因而在大功率下的調(diào)制特性上，體材料調(diào)制器有一些優(yōu)勢。另外，和直接調(diào)制方式相比，其頻率啁啾也比較小。5o5

4、05-1-1-2-2亠HP)N0-SS一乏SNVOC-L山ln_J0SH<O.l4mW1,6mW丄I468101214REVERSEBIAS(V)圖6.1超晶格型電吸收光調(diào)制器但是,Franz-Keldysh效應的特點是帶間躍遷，加上體材料的拋物型能態(tài)密度,所以體材料調(diào)制器具有吸收率隨調(diào)制電壓變化緩慢、調(diào)制電壓高、消光比小等缺點。2. Wannier-Stark局域化效應56505-1-2-2mp)NO_SSSSN<工一山<Q.i4mWf1246S101214REVERSEBIAS(V)圖6.1超晶格型電吸收光調(diào)制器超晶格電吸收調(diào)制器采用半導體超晶格材料來制作調(diào)制器的吸收層。

5、在超晶格材料中，外電場會使本來通過共振隧穿在耦合很強的各個量子阱間作共有化運動的載流子重新局域到各個量子阱中（即Wannier-Stark局域化效應），伴隨著這一過程，將出現(xiàn)一系列稱為Stark階梯躍遷的阱間躍遷，它們會造成吸收峰的位置隨外電場強度的變化基本上呈現(xiàn)線性的移動。利用這種吸收峰和吸收邊的移動,可以得到調(diào)制電壓很低的電吸收調(diào)制器。圖6.1是這類調(diào)制器的典型調(diào)制特性。在弱電場下時依靠阱間躍遷產(chǎn)生吸收，但是當電場超過一定強度時其阱間躍遷幾率迅速減小，因此在調(diào)制特性上形成了一個谷點，因此這種調(diào)制器的調(diào)制電壓也只能工作于較低的電壓下，從而限制了其消光比。超晶格型調(diào)制器的突出優(yōu)點是調(diào)制電壓低，

6、消光比可達到0.75V10dB,而且器件的啁啾特性也比一般的多量子阱調(diào)制器好。其缺點是超晶格材料生長困難，不能實現(xiàn)大的消光比。3. 量子限制Stark效應1.激子圖6.2能隙中的激子EVEC如圖6.2所示，在較低的載流子濃度和較低溫度下，電子和空穴以較長的周期互相圍繞運動，形成激子態(tài)，類似于氫原子的情況，電子從低能級激發(fā)到高能級，但它還屬于氫原子。EB為激子束縛能，meV量級。B2.量子阱材料中的量子限制斯塔克效應(QCSE,QuantumConfinedStarkEffect)基于量子阱材料的調(diào)制器是目前最廣泛采用的一類調(diào)制器，其有源區(qū)采用量子阱或者多量子阱材料。在體材料調(diào)制器中，由于其激子

7、近似為三維激子，其束縛能較小，在室溫下很容易被離化，激子很少能夠存在。在半導體量子阱材料中，由于電子和空穴的運動受到量子阱勢壘的限制，激子為準二維激子，束縛能增大，激子在室溫下能夠得以存在，從而形成吸收曲線帶邊尖銳的激子吸收峰。激子吸收峰對應的光子能量為：再EE-E(6.1)ge1hh1B其中，Eg為勢阱材料的帶隙，Ee1和Ehhl分別為導帶第一電子能級與價帶第一重空穴能級，EB為激子束縛能。由于激子吸收峰的存在，多量子阱材料的吸收曲線具有陡峭的邊緣。當在垂直于量子阱壁的方向上施加電場時，量子阱能帶發(fā)生傾斜，電子與空穴的量子能級下降，使吸收邊發(fā)生紅移。同時，電場的存在使構(gòu)成激子的電子與空穴向相

8、反的方向移動，導致激子束縛能降低，對吸收邊有蘭移作用。施加垂直方向電場的總效果是使吸收邊紅移。這種量子阱材料的吸收邊隨垂直阱壁的電場而發(fā)生紅移的現(xiàn)象稱為量子限制Stark效應。70001600OkV/cm105kV/cm150()Wavelength!innd'Io04oooooo1oooooo654321-1uiq一CQO用00Uo9&osq<圖6.4量子阱材料吸收譜隨外加電場的變化圖6.4為不同外加電場下量子阱材料的室溫光吸收譜，從中可明顯地看出激子吸收峰隨外加電場的紅移。在吸收邊紅移的同時，依靠量子阱的限制作用，激子結(jié)構(gòu)依然存在，只是由于電場的作用，激子吸收峰會有所

9、降低和展寬，但仍然保持比較陡峭的吸收邊。三量子阱調(diào)制器1.量子阱電吸收調(diào)制器的結(jié)構(gòu)根據(jù)量子限制Stark效應，對于波長處于多量子阱材料的吸收邊外而又靠近吸收邊的入射光，其吸收系數(shù)會在施加垂直電場后有明顯變化?？梢岳眠@一原理制成電吸收型光調(diào)制器。為提高消光比，一般的電吸收調(diào)制器均采用波導型結(jié)構(gòu)，使入射光通過多量子阱結(jié)構(gòu)的吸收層，改變所加的反向偏壓，形成光吸收，達到強度調(diào)制的目的。如吸收系數(shù)的改變量為%器件波導長度為L則該電吸收型光調(diào)制器的消光比為exp（必），其中是吸收波導層的光限制因子。利用量子限制Stark效應制作的電吸收型光調(diào)制器由于具有調(diào)制速率高、驅(qū)動電壓低、體積小、結(jié)構(gòu)與工藝便于與半

10、導體激光器集成等一系列優(yōu)點，成為廣泛應用的外調(diào)制器結(jié)構(gòu)。.2量子阱電吸收調(diào)制器工作特性為了實現(xiàn)高速率、大功率的光調(diào)制，需要對電吸收調(diào)制器的材料、器件結(jié)構(gòu)及封裝進行仔細的設計。在設計中，需要考慮以下幾個重要參數(shù)：消光比、調(diào)制電壓、插入損耗、飽和功率、小信號調(diào)制帶寬和啁啾特性等。其中，消光比、調(diào)制電壓、插入損耗和飽和功率為靜態(tài)參數(shù)，而調(diào)制帶寬與啁啾特性為動態(tài)特性。在實際的電吸收調(diào)制器設計過程中，以上諸參數(shù)往往需要同時加以考慮，尤其是進行高速電吸收調(diào)制器的設計時，更需要兼顧動態(tài)和靜態(tài)特性指標，進行整體優(yōu)化。由于這些特性指標往往相互制約，難以同時獲得理想值，因此要根據(jù)實際應用的需求進行綜合分析和處理，

11、以期滿足應用的具體要求。在下面進行分別討論的同時，我們將特別注意指出參數(shù)間的相互聯(lián)系。1.靜態(tài)特性(1) 消光比與調(diào)制電壓消光比定義為光調(diào)制器在通斷狀態(tài)的輸出光強比。在實際應用中，通常要求光調(diào)制器的消光比大于10dB,但不必過高以免造成設計和制作上的困難，一般以1020dB為宜。調(diào)制電壓指達到一定的消光比(如10dB)時所需施加的反向偏壓的大小。由于高頻驅(qū)動電源一般采用數(shù)字電路實現(xiàn)，無法獲得很大的輸出電壓峰峰值，所以要求調(diào)制器在較小的調(diào)制電壓(23V)下實現(xiàn)一定的消光比(1020dB)。電吸收型調(diào)制器的消光比是多量子阱材料量子限制Strark效應強弱的直接體現(xiàn)。在二級微擾近似下，量子阱基態(tài)能級

12、的偏移量可以表示為：AE=C1pertm*eF2L24(6.2)其中，Cpert為一常數(shù)，m*為載流子有效質(zhì)量，F(xiàn)為外加電場強度，L為阱寬。上表明量子限制Stark效應隨外加電場的增強而變大，但在實際應用中由于高速調(diào)制時調(diào)制電壓的限制，難以采用增大外加電壓的方法來提高調(diào)制器的消光比。另一方面，由于高速調(diào)制要求盡量減小調(diào)制器電容，因此也不能依靠減小多量子阱區(qū)的厚度來獲得較大的電場強度。從(6.2)式中還可以看出，吸收邊的紅移與量子阱阱寬的四次方成正比，故可以通過增大量子阱阱寬來提高消光比。增大阱寬還有助于獲得較小的調(diào)制器電容，實現(xiàn)高速調(diào)制。但應當指出，在增大量子阱阱寬的同時，將使相同偏置電壓下多

13、量子阱區(qū)的電場下降，并削弱激子的強度，從而對消光比產(chǎn)生負面影響。因此，量子阱結(jié)構(gòu)存在一優(yōu)化值，需要合理設計以達到最佳效果。(2) 插入損耗插入損耗反映了外調(diào)制器與其他光電器件耦合時的損耗特性，是分立調(diào)制器的一個重要參數(shù)。電吸收調(diào)制器的插入損耗主要由吸收曲線的邊緣陡峭程度、工作波長與吸收邊的失諧量決定，同時，還受調(diào)制器的波導結(jié)構(gòu)及端面反射系數(shù)的影響。由于電吸收調(diào)制器吸收系數(shù)與反向偏壓呈非線性關系，為了實現(xiàn)較大的消光比，一般需要使調(diào)制器工作于一定的靜態(tài)反壓下，這樣就會增大調(diào)制器的插入損耗。為了在保證足夠的消光比的前提下，實現(xiàn)較小的插入損耗，一般采用Aa/a0作為器件設計的參數(shù)，要求Au/%大于一定

14、的數(shù)值，其中為調(diào)制器出于開狀態(tài)時的吸收系數(shù)。為獲得較小的插入損耗，需要使多量子阱材料的吸收邊陡峭，同時合理地設計失諧量A九，降低調(diào)制器開狀態(tài)的吸收系數(shù)。同時，需要對調(diào)制器的端面實行減反鍍膜，降低反射損耗。此外，與光纖模場半徑匹配的波導結(jié)構(gòu)的設計也是影響調(diào)制器插入損耗的重要因素。(3) 飽和功率飽和功率可以定義為消光比與小信號條件相比下降1dB時的入射光功率，它反映了電吸收調(diào)制器在高入射光功率下的工作特性。電吸收型調(diào)制器波導層在對入圖6.6不同入射光強下的吸收系數(shù)射光進行吸收的同時會產(chǎn)生光生載流子。在高速大功率工作的情況下，由于量子阱勢壘對載流子的限制作用，大量的光生載流子來不及從中逸出，會形成

15、光生載流子的積累。積累的光生載流子會屏蔽外電場，使消光比大為降低，影響大功率下的消光比和調(diào)制帶寬。在多量子阱電吸收型調(diào)制器中，由于量子阱對載流子的限制作用加強，這一效應更加明顯。圖6.6所示為不同入射光強下的吸收系數(shù)。影響光生載流子積累的關鍵是載流子的逸出速度。實驗表明，對光生載流子的積累起決定性作用的是光生空穴，特別是重空穴，因為它的有效質(zhì)量大得多。時間分辨光電流的測量表明，電子的逸出時間常數(shù)為30ps,而空穴的時間常數(shù)為4.4ns左右。S進一步討論該問題，考慮光生載流子在有外電場的多量子阱中的壽命。根據(jù)熱發(fā)射和型，有:-1沁-1+Aexp(AE(F)/kT)+Bexp(-2L2mAE(F)

16、/)iRiibibii(6.3)該式右端各項依次表示復合、熱發(fā)射和勢壘隧穿對載流子壽命的影響。下標i用以區(qū)分不同種類的載流子，m.表示該種載流子的有效質(zhì)量，5為其復合壽命，T為載流子溫度，F(xiàn)為外IR電場強度，A和B是與場強無關的常量，AE.(F)為在電場F下載流子的有效勢壘高度，可表示為：1AE(F)=AEi-EeF(L+L)/2(6.4)ii1wb其中，Ei為勢壘高度，E訂為勢阱中的第一束縛能級的能量，Lw和Lb分別表示勢阱和勢壘的寬度。載流子在勢阱中的壽命越小，則其逸出越快。由上面的公式可見，減小勢壘高度AE，加大場強F,減小勢壘寬度Lb，都可以減小載流子在勢阱中的壽命。因此，針對以上幾點

17、，可以提出以下解決光生載流子逸出問題的途徑：(1)減小價帶的不連續(xù)性。由于光生空穴在吸收飽和中起主要作用，故應盡量減小對光生空穴的束縛，以增大其逸出速率。InGaAs/InGaAlAs材料的量子阱價帶不連續(xù)躍變比InGaAs/InGaAsP材料量子阱小，故可以獲得較大的飽和功率。實測表明，前者的飽和吸收功率比后者可以提高至少10倍。但由于Al在生長過程中容易被氧化而形成缺陷，所以人們轉(zhuǎn)而研究InGaAsP/InGaAsP材料的量子阱，因為它也具有較小的價帶不連續(xù)性。實驗證明，采用InGaAsP/InGaAsP多量子阱材料也可以獲得較好的飽和特性。此外，應變及應變補償技術也可以有效地改善調(diào)制器的

18、飽和特性。通過在多量子阱的勢阱區(qū)引入壓應變，勢壘區(qū)引入張應變，使輕重空穴簡并解除，重空穴有效勢壘高度變小，可以加大其逸出速度，提高飽和吸收功率。實測表明，在InGaAsP/InGaAsP多量子阱調(diào)制器的阱和壘中引入1%的應變，可使飽和吸收功率提高將近5dB。如果利用阱區(qū)的重空穴能級和壘區(qū)的輕空穴能級之間的躍遷，則可以進一步提高調(diào)制器的飽和特性。(2) 采用間隔層結(jié)構(gòu)。在多量子阱層本征層與n型層之間插入對于工作波長透明的本征間隔層,則飽和吸收功率會明顯提高。當加入間隔層后，在大功率情況下，量子阱區(qū)的電場并未降低，甚至有局部的增強。電場強度的增加有助于光生載流子的逸出，因而這種結(jié)構(gòu)的調(diào)制器可以獲得

19、較大的飽和功率。當然，本征間隔層的引入會導致相同偏壓下量子阱區(qū)電場的降低，使調(diào)制電壓增大。(3) 減小勢壘寬度。通過調(diào)整阱或壘的組分、改變量子阱勢壘的寬度和高度也可以減小量子阱對載流子的束縛。減小勢壘寬度有助于載流子的隧穿溢出，同時有利于增大電場強度，提高消光比。但當壘寬過小時，會發(fā)生基態(tài)波函數(shù)的阱間耦合，出現(xiàn)Wannier-Stark局域化，影響調(diào)制深度。2.動態(tài)特性動態(tài)特性是指調(diào)制器在高速調(diào)制狀態(tài)下反映出的特性，其中最重要的是調(diào)制帶寬和啁啾特性。隨著光纖通信向著高速率、大容量方向發(fā)展，動態(tài)特性成為調(diào)制器的關鍵指標，高速調(diào)制的實現(xiàn)也成為光電器件研究的重要課題。下面我們僅對動態(tài)特性進行簡單的概

20、述，關于高速調(diào)制器的制作與封裝測試將作為重點課題在后面進行仔細分析。1調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬指當光調(diào)制輸出響應比直流靜態(tài)調(diào)制特性下降了3dB時的調(diào)制頻率。調(diào)制帶寬標志著光調(diào)制器在高頻調(diào)制時的反應速度，決定了其在高速光通信系統(tǒng)中的表現(xiàn)。在調(diào)制器的設計中，為同時兼顧調(diào)制電壓與調(diào)制帶寬，可采用調(diào)制帶寬與調(diào)制電壓的比值(單位：GHz/V)作為器件性能的表征參數(shù)。電吸收型光調(diào)制器的調(diào)制帶寬主要受調(diào)制器等效電容的大小的影響，為了提高調(diào)制速率，就要設法盡量降低調(diào)制器及其封裝的電容。目前，電吸收型光調(diào)制器的調(diào)制帶寬最大已經(jīng)達到50GHz,可以應用于40Git/s的高速數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中。2.啁啾特性啁啾特性是電吸收

21、型調(diào)制器的另一重要參數(shù)，它反映了光調(diào)制器在強度調(diào)制的同時對光信號的頻率調(diào)制，它限制了光信號在光纖中的實際傳輸距離32。調(diào)制器的啁啾特性通常由碉啾因子a表示。a>0稱為正碉啾(或redchirp),導致被調(diào)制光信號的前沿發(fā)生頻率蘭移，而后沿出現(xiàn)頻率紅移；a<0稱為負碉啾(或bluechirp),引起被調(diào)制信號的前沿發(fā)生頻率紅移，而后沿出現(xiàn)頻率蘭移。電吸收調(diào)制器一般具有正的碉啾因子a。由于目前廣泛采用的單模光纖在1.55pm的最低損耗窗口處存在17ps/nm/km的反常色散，使得頻率高的信號具有較大的傳播速度，調(diào)制器的正啁啾特性將加重長距離傳輸時的碼間串擾，對數(shù)字光纖通信在一定誤碼率下

22、的傳輸速率和傳輸距離產(chǎn)生嚴重的限制。電吸收調(diào)制器的啁啾主要受多量子阱的材料與工作波長的影響，通過合理地設計調(diào)制器的多量子阱材料吸邊與入射波長的失諧量九，可以改變電吸收調(diào)制器的啁啾因子。目前，已經(jīng)有關于a<0.6甚至負啁啾的電吸收型調(diào)制器的報導。四M-Z型半導體調(diào)制器1.工作原理圖6.7一個典型的半導體多量子阱M-Z調(diào)制器圖6.7為一典型的半導體多量子阱M-Z調(diào)制器，其原理是將入射光分為兩路，利用材料的折射率隨外加電場而改變的特性，對兩路光的相位關系進行調(diào)制，當它們再相遇時發(fā)生干涉，實現(xiàn)對光強度的調(diào)制。在半導體多量子阱材料中，由于量子限制Stark效應，材料折射率隨外加電場變化是非+sE2

23、)(6.5)線性的，可以表示為:An(E)=-n32o其中，E為外加電場強度，n0為不加電場時材料的折射率，r和s分別為線性和二次電光系數(shù)，它們本身又都是波長和外加電場的函數(shù)。外加電場引起調(diào)制臂中光場相位的變化為-L=rAn+sE2(6.6)其中，廠為電場與光場的重疊積分，俎為真空中的波長，L為調(diào)制臂長度。電場強度與驅(qū)動電壓之間存在一定的關系，可以表示為E=f(V),這一關系與器件結(jié)構(gòu)有關。M-Z調(diào)制器的重要參數(shù)開關電壓V即A©=兀時的電壓值。71在每一個調(diào)制臂中，光場可以表示為:Ei(1+SR丸+SR)(6.8)'inout%為一個與材料特性、器件結(jié)構(gòu)、工作方式以及偏置電壓

24、有關的常數(shù)。由(6.8)式可以看出，M-Z調(diào)制器的傳輸特性是周期性的，因而，調(diào)制器可以選擇不同的工作點。E(V)=Eexp0些+j(V)L(6.7)其中a為衰減常數(shù)。上式中略去了含和卩0的項。如果定義調(diào)制器輸入、輸出兩個分支結(jié)構(gòu)的功率分配系數(shù)分別為SRin=(P/P2)i&°ut=(Pi/ipOut，在輸出端的總光場為a(V)PE(V,V)=E:SRSRexp卜|一+jA(V)L+exp卜12iinout21IIexpout(AX)+jI2Jk卩jlA(V)+|L202.調(diào)制器工作特性與其它調(diào)制器一樣，表征M-Z調(diào)制器性能的主要參數(shù)為：消光比、調(diào)制電壓、插入損耗、小信號調(diào)制帶

25、寬以及啁啾因子。但在具體考慮上，與EA調(diào)制器和鈮酸鋰晶體的M-Z調(diào)制器都存在不同之處。1)消光比與調(diào)制電壓消光比指調(diào)制器在通斷狀態(tài)的輸出光強比，一般要求在10dB以上。多量子阱M-Z調(diào)制器的消光比主要與器件的結(jié)構(gòu)、工作方式、分支結(jié)構(gòu)的功率分配比等都有關。如果在輸出端兩路光匯合時，它們正好是相位相反、強度相等，則可以得到最為理想的消光比。由于量子限制Stark效應的影響，半導體多量子阱材料的電光特性是非線性的。在一定的器件結(jié)構(gòu)和工作方式下，兩調(diào)制臂中光場所感受的偏置電場是不同的，這就造成了即使在相同的調(diào)制電壓下，兩臂中光場所經(jīng)歷的損耗和相移也不相同，進而影響到器件的消光特性。分支結(jié)構(gòu)的分配比決定

26、了分路和匯合時兩路光的功率比例關系，當然也會影響到消光比。從(6.8)式可以看出，在其它條件給定的情況下，消光比只決定于SRinSRout。通過調(diào)節(jié)分支結(jié)構(gòu)的功率分配比，使較多的光功率進入衰減較嚴重的那個臂中，會改善器件的消光特性。調(diào)制電壓指為達到一定的消光比所需施加的驅(qū)動電壓。由于獲得大的峰-峰值輸出電壓的高頻驅(qū)動電路很困難，所以要求調(diào)制電壓越小越好。M-Z調(diào)制器的調(diào)制電壓大小一般可以由開關電壓V”來衡量。從(6.6)式可以看出，通過增大廠、調(diào)制臂長度L和多量子阱材料的電光系數(shù)可以獲得較小的調(diào)制電壓。增加量子阱數(shù)目和采用高脊結(jié)構(gòu)，可以使光場和電場分布更加集中，從而增燈。這樣還有利于減小調(diào)制器

27、電容，但同時也會使調(diào)制電壓增大。增加器件長度會增大器件電容，影響調(diào)制速率。這就需要對器件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。需要注意的是，調(diào)制電壓與工作波長，確切地說是工作波長與材料激子吸收峰的失諧量，以及偏置電壓有關。在較大的偏置電壓或較小的失諧量下可以獲得較小的調(diào)制電壓，但同時卻降低了消光比。所以在同一器件中，小的調(diào)制電壓和大的消光比有時會是矛盾的，需要根據(jù)實際的要求來權衡利弊。在這里，可以引入一個新的量一一消光比與調(diào)制電壓的比(dB/V)來衡量調(diào)制器的性能。2)插入損耗對分立的M-Z調(diào)制器來說，插入損耗來源主要有輸入輸出耦合損耗、反射損耗、波導間的耦合損耗、彎曲波導的輻射損耗、分支結(jié)構(gòu)的反射、輻射和散射損耗以

28、及波導傳播損耗等。對于鈮酸鋰晶體M-Z調(diào)制器，由于材料的本征吸收、因而傳播損耗很小，所以可以采用很小角度的Y-分支和曲率半徑很大的彎曲波導結(jié)構(gòu)，以減小彎曲損耗及Y分支的損耗。但對基于半導體多量子阱材料的M-Z調(diào)制器，在通常的器件工作波長與材料激子吸收峰的失諧量下，材料的吸收還是很顯著的，需要盡量減小過渡波導的長度。采用大角度的Y-分支和小半徑的彎曲波導可以達到這一目的，卻增大了損耗。所以對彎曲和分支結(jié)構(gòu)需要進行優(yōu)化設計。另外，通過優(yōu)化波導結(jié)構(gòu)和端面鍍減反膜，可以減小耦合損耗和反射損耗。通過優(yōu)化失諧量可以減小波導傳播損耗，但必須同時考慮到消光比、調(diào)制電壓，因為這些特性都與失諧量有很大的關系。為減

29、小傳播，可選取較大的失諧量，這也有利于提高消光比，但卻增大了調(diào)制電壓。通過優(yōu)化多量子阱結(jié)構(gòu)，使材料的吸收邊陡峭，則有可能在一個合適的失諧量范圍內(nèi)，使這些性能參數(shù)都達到比較理想的值。3) 調(diào)制帶寬小信號調(diào)制帶寬指光調(diào)制輸出響應比直流調(diào)制特性下降3dB時的調(diào)制頻率。它和下面將要討論的啁啾因子都反應了調(diào)制器在高速調(diào)制下的動態(tài)特性，是系統(tǒng)最為關心的參數(shù)。在鈮酸鋰調(diào)制器中，材料的電光系數(shù)較小，直接調(diào)制所需VL很大，而調(diào)制電壓又不71可能很大，就只能靠增大器件長度，這使得器件的電容很大，很難實現(xiàn)高速調(diào)制。所以鈮酸鋰高速調(diào)制器都采取行波調(diào)制的方式。在多量子阱M-Z調(diào)制器中，多量子阱材料的非線性電光系數(shù)比體材料的大兩個量級，所需VL較小，因而不需要采取行波方式。在這種情況71下，調(diào)制帶寬主要受限于調(diào)制器的等效電容。另外還需減小電極引線電感和電阻，以進一步提高調(diào)制帶寬。調(diào)制器的等效電容主要包括多量子阱區(qū)在反向偏壓下的勢壘電容和電極間的平板電容，另外還有其它雜散寄生電容。通過優(yōu)化多量子阱材料和工作條件，可以得到較小的VL,71在相同的調(diào)制電壓下，就可以減小調(diào)制臂的長度，這能夠有效地減小勢壘電容和電極電容。采用高脊波導結(jié)構(gòu)，也可以減小勢壘電容和電極電容。采用圖形電極以及填充聚酰亞胺可以有效地減小電極電容。在減小調(diào)制器電容的同時，仍需要考慮調(diào)制電壓、插入損耗等其它參數(shù)，因為上面提到的一些措施