（微电子学与固体电子学专业论文）高速量子阱行波光调制器的研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 f 互联网络的发展使人们对现有的通讯体系提出了更新、更高的要求，而光 电器件就是这一新体系的基石。半导体激光器的发展和光纤通信的应用使得世 界上各大公司、高校的研究小组对光电器件的兴趣越来越大。其中，光外调制 器具有低啁啾、低功耗、大的消光比等优点，使其在远距离光纤通信、局域网 以及显示、图象处理等军事、民用方面被广泛应用丽日趋受到重视。对光调制 器，在要求低插入损耗、大消光比等的同时，人们更希望能有高的带宽和低的 驱动电压一 本论文主要是关于高速i i i v 族半导体重至陛堑夔皇垄堡鏖塑型墅的理论研 究，包括量子阱、微波设计两个方面。同时在理论研究的基础上完成了器件制 作，并利用能有的条件对器件的某些性能进行了测试。 f 本文对利用量子限制s t a r k 效应引起的量子阱场诱折射率改变实现波导型调 制密进行了研究。作者研究了不同的量子阱结构对最终的场诱折射率改变的影 响：从基本的单量子阱结构到多量子阱结构，从对称耦合阱到非对称耦合阱。 根据以上研究，作者提出了电子、空穴波函数预分布的设计思想，最后设计出 可以同时利用两个跃迁的非对称耦合三阱结构，它比矩形量子阱结构场诱折射 率的改变要高个数量级。 然后我们将设计出的量子阱结构引入到调制器的光波导区，这样可以解决 调制电压与器件尺寸间的矛盾，在降低调制电压的同时也缩小了器件微波电极 的长度，从而使调制带宽大幅提高。 在本文所设计的调制器中利用了重掺杂层的馒波效应，实现了行波调制所 要求的速度匹配。为此，我们采用直线法分析考虑了存在不均匀介质层的真实 结构的调制器情况。仔细研究了器件结构与微波特性问的关系，提出两种改进 方法。最终通过选择器件的结构参数，在理论上实现了速度匹配，进一步证实 了在器件的工作范围内，重掺杂层对电场可示为导体，对磁场可示为绝缘体的 观点。 作者对器件的制作工艺进行了研究， 的某些性能参数进行了测试。夕 通过本论文的工作，对g 4a a s 材料上 并完成了调制器的制作。最后对器件 的量子阱行波光调制器的理论分析，设 汁和制作工艺的研究，均取得了一定的成果，这为我们进步研制实用化的长 波长高速调制器以及量子阱器件打下了良好的基础。( 在论文最后怍者对倜制 器的研究提出了自己的一些观点。 c ， 浙江尢掌博士学位论文摘要 a b s t r a c t t h ei n t e m e ta n de s p e c i a l l yt h ew o r l dw i d ew e ba r ed r a m a t i c e x a m p l e so fn e wm o d e so fc o m m u n i c a t i o n t h a th a v e p l a c e dh e a v y d e m a n d so nt h ec u r r e n ti n f r a s t r u c t u r e a n do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa r et h e b a s i so ft h ei n f f a s t r u c t u r e t h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n d f i b e ro p t i cc o m m u n i c a t i o n sh a sf u e l e da ni n c r e a s i n gi n t e r e s ti n o d t o e l e c t r o n i c si nb o t hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tg r o u p s e x t e m a l o p t i c a lm o d u l a t o r sa r ec u r r e n t l yd e s i r a b l ef o rl o n g h a u lf i b e rs w i t c h i n g 1 0 c a la r e an e t w o r k s ，c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，i m a g i n ga n dd i s p l a y t e c h n o l o g y s o m eo ft h en e c e s s a r yc h a r a c t e r i s t i c so fas w i t c h i n gs y s t e m i nw h i c he x t e m a lo p t i c a lm o d u l a t o r sd i s p l a yd i s t i n c ta d v a n t a g e sa r e ：l o w c h i r pp a r a m e t e r , l o wp o w e rr e q u i r e m e n t s ，l o wi n s e r t i o n l o s sa n dl a r g e c o n t r a s tr a t i o i na d d i t i o n ，s u c ho p t i c a lm o d u l a t o r ss h o u l dh a v ed e s i r a b l e o p t i c a lb a n d w i d t ha n di o wd r i v i n gv o l t a g e t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l ya b o u tt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho i lh i g hs p e e d t r a v e l i n gw a v ee l e c t r o o p t i cw a v e g u i d ei n t e n s i t ym o d u l a t o r se m p l o y i n g i i i vc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rq u a n t u mw e l l s w h i c hi n c l u d et h ed e s i g n o fq u a n t u mw e l lm a t e r i a ls t r u c t u r e s a n di n v e s t i g a t i o no ne l e c t r i c a la n d o p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e s em o d u l a t o r s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s ， w ef a b r i c a t e dt h ed e v i c e s ，a n ds o m em e a s u r e m e n t sa l s oh a v eb e e nd o n e t h em o d u l a t o r sr e s e a r c h e di nt h i sw o r kr e l yo nt h eq u a n t u m c o n f i n e d s t a r ke f f e c tt og e n e r a t ef i e l d i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e a l lo u r e f f o r t sa r ed i r e c t e dt o w a r d sm a x i m i z i n gt h ef i e l d i n d u c e dr e f f a c t i v ei n d e x c h a n g eo ft h eq u a n t u mw e l ls t r u c t u r e f o rq u a n t u mw e l lw a v e g u i d e m o d u l a t o r s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sw e r ed e v e l o p e df o ro p t i m i z i n gt h ef i e l d i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ea n da b s o r p t i o ni o s s t h i sr e s e a r c hi n v e s t i g a t e st h e p h y s i c so fq u a n t u mw e l ld e s i g nb y c o m p a r i n gt h es t a r ks h i f t sa n df i e l d - i n d u c e de l e c t r o o p t i ci n d e xc h a n g e s o fs i n g l e q u a n t u mw e l l ，c o u p l e dq u a n t u mw e l l ，s y m m e t r i cc o u p l e d q u a n t u mw e l l ，a n da s y m m e t r i cc o u p l e dq u a n t u mw e l l f i n a l l y , a c c o r d i n g t ot h ei d e aw ep r o p o s e dt op r e d i s t r i b u t et h ew a v e f u n c t i o n so fe l e c t r o na n d h o l e ，at h r e e c o u p l e da s y m m e t r i cc o u p l e dq u a n t u mw e ljs t r u c t u r ei s d e s i g n e dw h i c hu t i l i z et w ot r a n s i t i o n s ，a n dt h e nl a r g e rf i e l d i n d u c e d r e f r a c t i v ei n d e x c h a n g et h a no t h e rd e s i g nr e p o s e di nt h el i t e r a t u r ei s t e a l ；z e d 塑坚查兰竖主兰堡垒兰塑墨 一 t h em q ws t r u c t u r ei se m b e d d e di n t ot h eo p t i c a lw a v e g u i d el a y e r t h i si sas i m p l ea n dr o b u s ta p p r o a c ht h a tr e d u c e s t h el e n g t ho ft h e e l e c t r o d e s ，s o t h et r a n s m i s s i o nl o s sa l s oc a nb er e d u c e d ，t h e nt h e b a n d w i d t hc a nb ee n l a r g e d t h i sd i s s e r t a t i o nd e m o n s t r a t e san e wm e t h o dt op r o v i d eb r o a d b a n d v e l o c i t y m a t c h i n gi nav a r i e t yo fi i i vc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o re l e c t r o o p t i ct r a v e l i n g w a v em o d u l a t o r s t oa c h i e v ev e l o c i r y m a t c h i n gb e t w e e n t h eo p t i c a ls i g n a lt h a ti st ob em o d u l a t e da n dt 1 1 ee l e c t r i c a l m i c r o w a v e m o d u l a t i n gs i g n a l ，ah e a v yd o p e dl a y e ri si n t r o d u c e di n t ot h ee p i l a y e r w h i c hc a nc a u s es l o w w a v ee f f e c ta n dc o n f i n et h eo p t i c a lf i e l d i n t ot h e r e g l o no fe l e c t r i c a l f i e l d i nt h i sw o r k 。m o t h o do fl i n ei sa d o p t e df o r m o d e l i n gt h e m i c r o w a v ec h a r a c t e r i s t i e so ft r a v e l i n gw a v ee l e c t r o d e m o d u l a t o r s t h i sm e t h o da c c o u n t sf o ri n h o m o g e n e o u sd i e l e c t r i cl a y e r , w h i c hc a np r e s e n tt h er e a ld e v i c es t r u c t u r e a n dat h e o r yw ep r o p o s e d b e f o r ea l s oi sv e r i f i e da g a i nt h a tt h eh e a v yd o p e dl a y e ra c t sl i k ea c o n d u c t o rf o re l e c t r i cf i e l da n da ni n s u l a t o rf o rm a g n e t i cf i e l d m e a s u r e dc h a r a c t e r i z a t i o nd a t aa r ep r e s e n t e do nm o d u l a t o r s ，w h i c h w e r ef a b r i c a t e dd u r i n gt h ec o u r s eo ft h i sr e s e a r c h t h r o u g ht h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，d e s i g n a n dt h es t u d yo ft h ef a b r i c a t i n gt e c h r l i q u eo nt h em q wg a a sb a s e d o p t i c a lm o d u l a t o ra r ea l lm a d ec e r t a i na c h i e v e m e n t s ，w h i c hw i l lb et h e b a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ep r a c t i c a lh i g h s p e e dm o d u l a t o rc h i pa n d o t h e rq u a n t u mw e l ld e v i c e s f i n a l l y , s o m ep r o s p e c t so nm o d u l a t o r sa r ea d d r e s s e d n i 浙江大学博士论文 旃一蕈一绪论 第一章绪论 1 1 引言 在过去的2 0 年里，光纤通信的发展超乎了人们的想象，光通信网络也成为 现代通信网的基础平台。光纤通信在宽带网络技术急速发展的推动和信息呈爆 炸式增长需求的牵引下，发展速度比以往任何时候都更加迅猛。与传统的电话 相比，i n t e m e t 的最大特点不是人与人之间的对一通信，而是人与机器( 数据 库) 之间的一对n 的通信。由于将全世界分散的数据库连接起来，使得整个网 络中的信息量急剧增加。传统语音业务的年增长率约为5 - 1 0 ，而以i n t e r n e t 为 代表的数据业务的年增长率却达到了2 0 3 0 。 光纤通信系统经历了几个发展阶段，从8 0 年代末的p d h 系统，9 0 年代中 期的s d h 系统，以及近年来的w d m 系统，光纤通信系统自身在快速地更新换 代。过去几年来，以d w d m 为代表的宽带技术使系统带宽的增长比摩尔定律 ( 约1 8 个月翻一番) 还要快二三倍，主干光纤通信带宽大约每6 - 9 个月翻一番。 由于每g b i t 一公里的传送 成本迅速下降，可视电 话、视频会议等一系列 与宽带有关的产品和业 务也将迅速增长。与此 同时，d w d m 在越洋 和陆地长途干线不断普 及的同时，已在向城域 网和接入网延伸，几年 后将成为新的发展热 图1 - 1 光纤的传输带宽和实际传输容量 点。网络拓扑正从点点 为主逐渐向环行网和网状网发展。而从图l 一1 中我们可以看到，现在实际的传 输容量只占光纤的传输带宽的小部分。 波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了，两波长w d m ( 1 3 1 0 15 5 0 n m ) 系统8 0 年代就在美国a t & t 网中使用，速率为2 1 7 g b s 。但是到9 0 年代中 期，w d m 系统发展速度并不快，主要原因在于：( 1 ) t d m ( 时分复用) 技术 的发展，15 5 m b s 一6 2 2 m b s 2 5 g b st d m 技术相对简单。据统计，在25 g b s 系统以下( 含2 5 g b s 系统j ，系统每升级一次，每比特的传输成本下降3 0 左 右。正由于此，在过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是t d m 技术。( 2 ) 浙江大学博士论文 第一蕈一绪论 波分复用器件还没有完全成熟，波分复用器解复用器和光放大器在9 0 年代仞 才开始商用化。 19 9 5 年开始，w d m 技术的发展进入了快车道，特别是基于掺铒光纤放大 器e d f a 的1 5 5 0 h m 窗口密集波分复用( d w d m ) 系统。l u c e n t 率先推出8 二5 g b s 系统，c i e n a 推出了1 6 2 5 g b s 系统，实验室目前已达若干t b s 速率， 世界上各大设备生产厂商和运营公司都对这一技术的商用化表现出极大的兴 趣，w d m 系统在全球范围内有了较广泛的应用。发展迅速的主要原因在于： o1 ) 光电器件的迅速发展，特别是e d f a 的成熟和商用化，使在光放大器( 15 3 0 15 6 5 n m ) 区域采用w d m 技术成为可能。( 2 ) t d mt 0 g b s 面临着电子元器 件的挑战，利用t d m 方式已日益接近硅和砷化镓技术的极限，t d m 己没有太 多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高。( 3 ) 已敷设的o 6 5 2 光纤1 5 5 0 h m 窗口的高色散限制了t d m1 0 g b s 系统的传输，光纤色度色散和极化模色散的 巡 簧 孽 泳 1 g b s1 0 g b s 1 0 0 g b s 图1 2t d m ( 时分复用) 与d w d m ( 密 集波分复用) 1 1 影响臼益加重。人们正越来 越多地把兴趣从电复用转移 到光复用，即从光域上用各 种复用方式来改进传输效 率，提高复用速率，而w d m 技术是目前能够商用化的最 简单的光复用技术。图1 2 是对t d m 与d w d m 的实 现难度的对比。 w d m 系统本质上是光 域上的模拟系统，w d m 技术第一次把复用方式从奄域转移到光域，在光域上 用波长复用( 即频率复用) 的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放 大，而不再回到电信号上处理，而且光模拟系统的性能很大程度上取决于各器 件的特性，因而这大大增加了对光电器件性能的要求。 1 2光调制器的应用 基本的光纤通信系统使用强度调制( i m ) 和直接检测( d d ) 方法。实际上 所有当前采用的系统都是强度调制和直接检测( i m d d ) 系统。 图1 3 画出了基本i m d d 系统示意图。它包括一个激光器或发光二搬管 ( l e d ) 光源、光纾及p i n 或雪崩二极管( a p d ) 光接收机。当前大多数光系 统是数字系统，一个高性能的数字系统可以传输数g b i t s 光f 言号通过长无中继 距离。这样一套系统通常采用单模单频激光器、单模光纤及p i n 接收 几。 当传输距离较短及比特率较低时，系统可采用l e d 和多模光纤。虽然这砷 塑垩查兰苎主堡兰苎二篁堡 类型的系统不再在电信网络中使用。但它们可用来供计算机互连、车内通信及 其它类似的短途通信应用。 电信号 激光器或发光信号 光接收机 光二极管 图i - 3 基本的i i v e d d 通信系统 还有另一类在8 0 年代后期和9 0 年代初期发展起来的i m j d d 模拟系统。这 些系统载有供有线电视和天线遥控使用的模拟信号。 数字和模拟系统所用器件和系统设计方法略有不同。数字系统设计者的目 标是高的比特率r b 和低的误码率( b e r ) 。而模拟系统设计者的目标则是大的 带宽b 、低失真、离信噪比( s n r ) 及大的动态范围。 为把电信号加载到光上送到光纤内传播，必须经过调制将电信号转换成光 信号，因此电光调制器已经成为信息高速公路工业中实际可用的硬件。象台式 电视会议、适合商业和教学目的的带图像要求的多媒体，正在对远距离通讯的 带宽形成按指数增加的要求。一个单模光纤的潜在带宽约为1 0 ”b i f f s ，因此瓶颈 是在其光学组件，特别是电光调制器将成为信息高速公路最重要的硬件之一。 在1 9 9 7 年，南加州大学成功地制备和表征了响应超过1 1 0 g h z 的高带宽聚合物 调制器，这个原型器件被用于传送了8 0 个频道的i 、r r s c 视频信号，信噪比高于 5 3 d b ( 2 l 。 电光调制器除了用于高速网络外，在低带宽系统中，如社区电视( c a t v ) 也被广泛使用。c a t v 传输系统的功能是将中心站各种电视信号转送到众多的 用户或收集低带宽系统的信息并返回到中心站或中间站，因此外调制器是必不 可少的器件吼 调制器在相控阵列技术和计算机系统互连中也有着广泛的应用。 相阵列雷达系统是一个通过电操纵光束的相位移而迸行接收或发射信号的 天线阵列州。它具有高的方向性、离灵敏度、快速、易控和维修容易等优点a 可快速定位的相控阵列光学时间延迟网络是各种应用的关键组件。光电子学开 关、调制器和波导是延迟线的主要部件。按照中心频率的不同，不同目的的相 位延迟雷达使用不同的频率：超高频( h u f ) 到x 频带频率用于地面和船舰天 线，毫米波频率用于航空航天应用。航空航天乃至太空应用要求更加密集和轻 便的器件，因此研究开发光电子学实时延迟线的主要目标是最终研制出高性能 浙江大学博士论文第一章一绪论 相位延迟系统，以大大简化控制系统，减小体积和质量，降低成本。 随着计算机处理速度继续增加到超过1 0 0 m h z ，在信息处理机以及到外部设 备之间的数据传送，经常成为限制因素。近来，人们研究用激光二极管和调制 器阵列来进行平行互连f 5 | ，因此高速和可集成的调制器对这种平行互连是特别 有吸引力的。 1 3光调制器的研究概况 l - 3 1 光调制的实现方式 为实现调制，最简单的方法就是光源( 激光器二极管) 的直接调制( 如图i - 4 所示) 6 1 。但是这种方法存在两个缺点： _ i f l e l e c t r i c 皇a l s i l a s e rd i o d e 弹1 虬f 匍) 日训。8 等址皿 i p h o t o 。e t e c t o r o p t i c a lf i b e r t r a n s m i t t e r 卜 r e c e i v ” 3 0 0 虹 图1 - 5 利用外调制器的现代光纤传输系统 1 3 2 调制器的暇啾特性研究 直接调制激光器的频率啁啾是由于载流子密度调制引起有源层折射率的改 变造成的，这可以用线宽增强因子an u 和调制波形来表示【1 2 “”。 为了消除啁啾，外调制器技术被认为是种可行方法，但在使用外调制器 时，也会出现类似啁啾的谱线展宽，这一现象的原因主要有两个：一是外调制 器的端面反射使得与其耦合的激光器光腔内光强度发生变化，从而引起半导体 激光器的波长移动。这可以通过采用光隔离器或在调制器的端面涂覆抗反射膜 来减小反射，从而减小啁啾；第二种可能的原因是外调制器内的媒质折射率的 改变引起相位调制。 表1 - 1 所示为啁啾因子与调制器结构的关系。从中可以看出马赫曾德尔调 制器在原理上其啁啾参数可以为零，因而调制速率极高，几乎不受光纤色散的 限制，它还具有调制线宽很窄，与波长无关、消光比高、设计灵活等优点：但 一般来讲，其y 分支损耗和器件尺寸都较大，而且调制与偏振态相关，激光器 和调制器之间的连接必须使用保偏光纤。而定向耦合型波导器件则有尺寸小、 损耗低、适用于开关器件的优点，但是它有串扰、很难实现全耦合、设计与波 长相关，且无法作到零啁啾调制。综上所述，在1 0 0 b s 以上超高速w d m 系统 传输时，m z 外调制器成为克服光纤色散影响的主要手段，是适用于通讯干线 上的首选结构。 浙江大学博士论文第一章一绪论 调制类型器件结构啁啾因子参考 文献 半导体激 告 体材料激光器：d = 2 7 1 4 1 7 1 光器 i一 量子阱激光器：d = 1 5 1 7 1 8 体材料：a 取决于波长、电 1 9 】 场a = l 2 电吸收厂厂 量子阱材料：d 取决于波长、 2 0 】 型 l 损耗型调 电场a = i 一2 制器 载流子注i a = 2 - 7 2 1 】 入型 i 取决于波长 i jj 定向耦合 心， | dl 。l 对波导i 取决于光 2 2 】 珏! 强度 厂弋 2d = 0 对波导2 m a c h 2 2 】 电光调制z e h n d e r o a = o 器 干涉型 全内反射 【2 2 】 一 型 d 0 一。 表1 1啁啾因子与调制器结构的关系 1 3 3 光外调制器的分类 关于宽带激光器的综述可以参见文献l ，在此我们将主要讨论外调制器。 光外调制器主要分成两类，集总参数型和行波型 2 4 1 。集总型光调制器具有 低插入损耗和制作简单等优点。但是，从工作机理上说，集总型光调制器的调 制带宽受到两方面主要因素的限制：一是光波通过晶体的渡越时间；二是外电 路r c 时间常数。 浙江大学博士论文第一章一绪论 对集总型调制器可以得到的最高调制频率可用下面的公式表示l ： o 上兰1 4 c ( 卜1 ) 7 y 0 其中二。是调制带宽：l 是电极长度：c 是真空中的光速；n o 是波导的有效折射 率。从( 1 i ) 中可以推导出集总型光调制器的调制极限大约是3 8 g h z 珊。 这意味着对l m m 器件其可得到的最大带宽是3 8 g h z 。 为了克服渡越时间和时间常数带来的限制，人们采用了行波电极。而光波 与微波的速度匹配、低的微波传输损耗是行波调制的两个必要条件。对行波型 调制器可以得到的最高调制频率可用下面的公式表示脚1 ，从中可见光波与微波 速度匹配的重要。 l l 兰t 二- ( 1 - 2 ) 十。一一l 如果考虑到高速电信号的驱动功率( 通常典型值是频率高于5 0 g h z 时小于 5 d b m ) ，则在要求速度匹配的同时，也要求外调制器的驱动电压要在信号源可 得到的范围内。本论文主要就是研究如何实现高速、低驱动电压的调制器。 对行波光调制器的电极形式而言，通常有下面三种结构【2 6 1 ，如表1 2 所示。 传输线微带线共面波导共面微带 结构形式向 gsl l g 珂i1 相位调制器、m a c h z e h n d e r 干定向耦合型、 适用调制器类型 电吸收调制器涉型强度调制器m a t h z e h e n d e r 干 涉型强度调制器 特性易于研究、特性易于研究、微波的平衡模式 器件容易制作，损耗低、可以用传播、适用于光 优点 适用于低频器件于高频器件调制器的推挽工 作、可以用于高 频器件 表1 - 2不同种类的行波电极的定性比较 浙江大学博士论文 第一誊一绪论 1 4 本研究的国内外现状 美国、日本两国在集成光学器件方面的研究直处于国际领先地位，在有 些领域平分秋色，而在有些方面各有优势。与其相比，欧洲要较为逊色。因此 本节将简要回顾美国、日本两国在调制器方面的研究成果。这些被研制出的器 件被广泛应用于通讯、有线电视( c a t v ) 和仪器仪表上。 背景与市场 在过去的十多年中，各种材料的 波导或称集成光学器件都可以从世界 范围内的供应商处找到，而且这些器 件越来越广地商用化。这些器件是基 于光纤的c a l v 、长距离通讯系统的 基本元件。其中绝大多数器件是基于 平面光波导，光被限制在通道中在芯 片上传输，实现某种特定的功能。这 p h a s em o d u l a t o r p mn b e r l n u fv b 吣 a p e 刑w a v c g u i d 峪 图1 - 6 用于c n 中的调制器 些通道的典型值小于1 0 扯m ，用光刻技术制备图案实现无源功能( 如功分器等) 和有源功能( 如调制器等) 。图1 - 6 是一个有代表性的调制回路，可以称为通常 意义上的集成光学回路。在商用市场上无源器件的主要材料是玻璃、s i o ，s i 等， 有源器件的材料主要是l i n b o ，。而半导体光电器件的单片集成( 如激光器、调 制器的集成) 还主要正处于实验研究阶段。 对集成光学的应用先后经历了模拟、数字、光纤传感器三个市场阶段，但 是，现在一些新的市场商机正在出现，也许最大的市场分额将是通讯行业，其 中集成光学器件将被广泛应用于数g b s 的数据传输、信号分路、环型分布、双 向通讯模块等。第二个新市场将是c a t v ，其中集成光学器件将被用于基于光 纤的信号分布系统中的外调制中。集成光学器件可以使信号以高速率远距离传 输。第三个主要市场是仪器仪表，一个主要的应用是光纤陀螺。对于光纤通信 和光纤陀螺两大应用而言，现在世界上主要是美国、日本两家的市场。美国将 其兴趣主要集中在c a t v 和其他模拟的光纤连接应用中的集成光学技术。而日 本，如n t t 正全力推行光纤到户( f t t h ) 的设想这一设想推动着通讯环的 应用。最近的一次关于集成光学调制器的市场预测表明，北美在1 9 9 3 。2 0 0 3 这 十年间将有2 4 的年增长率，而这其中将会有很大一部分增长是来源于航空和 军事领域( 如光纤陀螺) 。预计2 0 0 3 年的年销售额将达到2 亿美元。而由集成 光学调制器所带动的光子市场将超过1 0 亿美元。 技术概述 在市场上销售l i n b o ，调制器的主要美国公司有c r y s t a lt e c h n o l o g y ，a t & t ， 浙江大学博士论文 第一章一绪论 和u u i p h a s et e l e c o m m u n i c a t i o n sp r o d u c t s ，i n c ( u t p ) 等。这些公司提供c a t v 、 高速通讯网、光纤陀螺上用的集成光学调制器，同时也提供满足不同实验室、 客户要求的产品，如适用于n t s c8 0 - c h a n n e l 的c a t v 指标的线性化调制器、 适用于1 5un l 通讯系统的数g b s 的数字调制器。在日本，调制器主要是f u j i t s u 、 n e c 、和o k i 的用于数g b s 的通讯市场的产品，其中绝大部分是自己使用。日 本生产的调制器在性能指标上要略好于美国的器件，但日本不能象美国一样提 供繁多的种类。目前两国人员都在进行高质量产品的研发工作，已经开发出1 6x 1 6 的开关阵列和4 0 g h z 调制器。在半导体调制器方面，主要是开发适于1 0g b i r s 通讯的产品。h i t a c h i 公司正在研制分立的调制器，而美国的a t t 、日本的n t t 、 n e c 和f 晡i t s u 则正在研究激光器与电吸收调制器的集成。美国、日本两国也 同时在聚合物调制器方面进行开发，这些器件被认为是下一代的商用器件，但 离此目标还有一定距离。目前，一些公司如日本的n 丌、美国的a k z o n o b e l 等 也提供热光( 低速) 调制器和开关。 光纤陀螺用多功l 剖l 箭器 人们预计光纤陀螺将成为航 空、商业用途的下一代陀螺。在集 成光学芯片上研制的光纤陀螺有最 好的动态范围和灵敏度，而且有望 实现低成本。美国企业在政府的资 助下已研制出目前性能最好的航天 用光纤陀螺。光纤陀螺的集成光学 芯片是制作在l n 岫0 ，上，称其是多 功能是因为它将分束器、极化器、 司 l ，i t o t o - d i o d c m o d u l a t o r 图1 7 光纤陀螺芯片 1 一、 兰卜呦、 暑f 一o p p h e ”m t i 舶血r t g a t i i 印2 t ! 调制器的功能集成在一起，其精度可达到0 1 o o ld e g 1 1 r 。图1 7 是基于集成 光学芯片的光纤陀螺原理图。 美国的h o n e y w e u 和l i t t o n 公司在此方面处于领先地位，日本的j a e 和 m i t s u b i s h ip r e c i s i o n 公司也在开发之中。美国公司已经有商用的光纤陀螺的集 成光学芯片出售，而在日本此类产品还出于限制地位。 对于非航空用的光纤陀螺，尽管美国公司也在从事这一市场的研究，但在 世界市场上处于领先地位的是日本的h i t a c h ic a b l e 公司。 光纤通讯用有源、无源集成光学芯片 集成光学芯片正在广泛用于高速调制、信号分束、交换、双向通讯。图1 8 是调制器在通讯中的各种用途。 9 辱鎏 浙江大学博士论文第一章一绪论 在高速远距离信号传输领域， 由于外调制器具有减小限制传输 距离与速度的光纤色散和激光器 啁啾的特点而被研究人员所重 视。l i n b o ，调制器正在用于2 5 g b i t s ( o c 4 8 ) 系统中，它可以无 中继传输1 0 0 k m 以上。这种器件 的指标一般是驱动电压小于5 v ， 图1 - 8 集成光学调制器在通讯中的应用4 d b 的插入损耗。与其相近的另一 类器件是目前以及将来一段时间 内也将会使用的海底系统( 5g b i t s ) ，但相对价格要贵一些。现在也有一些电信 设备供应商在提供适于1 0g b i t s ( 0 c 1 9 2 ) 系统的调制器应用于下一代系统中。 外调制器也非常适合于目前美国正在大力开发的w d m 系统。现在已安装 的光纤系统大都是适用于1 _ 3pm 的，而l i n b o ，调制器也适用于1 5um 的波长。 使用这样的系统，可以通过复用2 5g b i t s 系统来实现1 0g b i t s 系统工作。而 在日本几乎是直接实现1 0g b i f f s ，而不是通过w d m ，其中部分原因是因为n t t 安装了工作于1 5 “m 的色散补偿光纤，但其中间的跨度要比美国的同类产品 短。 为了有效地在商用通讯系统中使用l i n b o ，调制器，制造商们将精力集中在 两个主要技术问题上：减小电压漂移，实现b e l l e o r e 对封装后的调制器的指标 要求。对前一个问题，已经有好几种方法成功地解决了这个问题：如在芯片上 加上特殊的涂层以消除电荷累积；改善晶体生长减小杂质，精确控制晶体组分。 b e l l c o r e 标准要求器件满足一系列环境测试；器件制造商在光机械封装上做了很 大的改进，使得器件在抗湿性等方面可以满足b e l l c o r e 标准。 a t & t 和一些日本公司正在研制可替代l i n b o ，外调制器的产品，他们将目 标集中在d f b 激光器与电吸收调制器的单片集成上。这些器件被用于1 5u i t i 波长的2 5g b i t s 和1 0g b i t s 系统上的。现在已经得到了很好的实验室研究结果。 与c w 激光器和l i n b o ，外调制器的组合相比，这种单片集成的器件所需要的驱 动电压更低( 2 vv s 5 v ) ：体积更小，与d f b 激光器大小相近。但是这种器件 的消光比较低( 4 0g h z , ”e l e c t r o n l e t t ，v 0 1 3 2 ，p p 1 0 9 5 - 1 0 9 6 ，1 9 9 6 3 9 】r s p i c k e r m a n n ，n d a g l i ，a n dmg p e t e r s ，a n dn d a g l i ，“g a a s a i g a a st r a v e l i n gw a v e e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o rw i t he l e c t r i c a lb a n d w i d t hg r e a t e rt h a n4 0g h z , ”e l e c t r o nl e n v o l 3 2 ，p p 1 0 9 5 - 1 0 9 6 ，1 9 9 6 【4 0 】r s p i c k e r m a n n ，s r s a k a m o t o ，a n dn d a g l i ，“g a a s a 1 g a a st r a v e l i n gw a v ee l e c t r o o p t i c m o d u l a t o r s ，”i np r o c s p i eo p t o e l e c t r o n i n t e g r a t e dc i r c u i t sc o n f ，v 0 1 k 3 0 0 6 ，p p 2 7 2 - 2 7 9 ， 1 9 9 7 【41 r s p i c k e r m a r m ，sr s a k a m o t o ，a n dn d a g l i ，“i nt r a v e l i n g - w a v em o d u l a t o r sw h i c h v e l o c i t yt om a t c h ? ”i np r o c i e e e f l e o s 9 69 t ha n n u m e e t i n g , p p 9 7 - 9 8 1 9 9 6 4 2 wwr i g r o da n di pk a m i n o w , “w i d e - b a n dm i c r o w a v el i g h tm o d u l a t i o n ，”p r o ci e e e ，v o l 5 l ，p p1 3 7 1 4 0 ，1 9 6 3 f 4 3 g k g o p a l a k f i s h n a n ，wk b u m s ，r wm c e l h a n o n ，c h b u l m e r , a n da s g r e e n b l a t t ， “p e r f o r m a n c ea n dm o d e l i n go fb r o a d - b a n dl i n b 0 3 t r a v e l i n g w a v eo o p t i c a li n t e n s i r y m o d u l a t o r s ”：jl i g h t w a v et e c h n 0 1 ，v 0 1 1 2 ，p p 1 8 0 7 - 1 8 1 9 ，1 9 9 4 【4 4 x z h a n ga n dtm i y o s h i ，“o p t i m u md e s i g no fc o p l a n a rw a v e g u i d ef o rl i n b 0 3o p t i c a l m o d u l a t o r , ”i e e et r a n s m i c r o w a v et h e o r yt e c h ，v 0 1 4 3 ，p p 5 2 3 - 5 2 8 ，m a r 1