光电子芯片-基础、应用及制造 课件 第3章 激光器、光放大调制器

光电子芯片—基础、应用及制造1第3章激光器、光放大调制器3.1激光器、光放大器

3.2马赫-曾德尔干涉（MZI）光调制器

3.3电吸收波导调制器（EAM）

光电子芯片—基础、应用及制造2图3.1.1半导体激光器结构相当于一个法布里-珀罗谐振腔

a）半导体激光器 b）输出频谱

3.1激光器、光放大器3.1.1半导体激光器工作的必要条件使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。

半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡，这是半导体激光器产生激光的第2个条件。C3指的是切开的耦合腔，因为，所以L腔中的模式波长间距要比D腔中的密。这两腔的模式波长只有在较长的距离上才能完全一致，产生复合腔的发射模，如图3.1.2b所示。因此C3激光器可以实现单纵模工作。改变一个腔体的注入电流，C3激光器可以实现约为20nm范围的波长调谐。图3.1.2C3激光器的结构及其单纵模输出原理a）C3激光器结构b）C3激光器单纵模输出原理光电子芯片—基础、应用及制造33.1.2异质结半导体激光器

图3.1.3同质结、双异质结LD能级图及光子密度比较a）同质结b）双异质结光电子芯片—基础、应用及制造43.1.3量子限制激光器图3.1.4量子阱（QW）半导体激光器a）QW结构，很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中b）导带电子在GaAl层中的x方向被Ec限制在范围d内，其能量被量化了c）两维QW器件的状态密度，状体密度在每个量子能级上是恒定的光电子芯片—基础、应用及制造5图3.1.5量子阱半导体激光器（LD）示意图a）单量子阱LD的状态密度b）多量子阱LD状态密度c）多量子阱LD的结构d）多量子阱LD的能级图光电子芯片—基础、应用及制造6图3.1.6各种半导体LD的结构形状以及允许占据的状态密度和能量的关系曲线比较a）双异质结LDb）多量子阱LDc）量子线LDd）量子点LD光电子芯片—基础、应用及制造73.1.4硅基异质集成量子点激光器图3.1.7Si基异质集成量子点分布反馈激光器（QD-DFB）光电子芯片—基础、应用及制造83.1.5分布反馈（DFB）激光器图3.1.9光栅在有源区上方的DFB激光器结构

a）激光器结构b）理想输出频谱c）典型的输出频谱光电子芯片—基础、应用及制造9DFB激光器工作原理，离不开光的衍射现象。除小孔衍射、裂缝衍射外，事实上，任何物体折射率的周期性变化，都可以作为衍射光栅。光的反馈就像DFB名称所暗示的那样，不仅在界面上，而且分布在整个腔体长度上。这是通过在腔体内构成折射率周期性变化的衍射光栅实现；图3.1.10DFB激光器结构a）光栅在有源区右侧b）光栅在有源区上方，反射光A和B的路径差为2Λ时才发生相长干涉光电子芯片—基础、应用及制造10只有当部分反射波A和B的路程差为2Λ时，它们才发生相长干涉，即只有当布拉格波长满足同相干涉条件

（3.1.3）时，相长干涉才会发生。图3.1.11单纵模DFB半导体激光器增益和损耗曲线a）DFB半导体激光器增益和损耗曲线

b）高功率输出DFB激光器芯片光电子芯片—基础、应用及制造11图3.1.12平面波导集成电吸收调制激光器（EML）a）平面波导集成电吸引调制激光器（EML）结构

b）DWDM10Gbit/sEML收发器光电子芯片—基础、应用及制造12图3.1.13多腔分布布拉格（DBR）激光器芯片光电子芯片—基础、应用及制造13它包括有源腔（SOA）、相位控制腔和布拉格光栅腔，每腔独立地注入电流偏置。注入布拉格腔的电流改变感应载流子的折射率n，从而改变布拉格波长。注入相位控制腔的电流也改变了该腔的感应载流子折射率，从而改变了DBR的反馈相位，实现了波长锁定。通过控制注入三腔的电流，激光器的波长可在5~7nm范围内连续可调。因为该激光器的波长由内部布拉格区的衍射光栅决定，所以它工作稳定。图3.1.14PIC波长可调激光器和调制器它由光放大器（SOA）、MQW有源区和位于有源区前后两端的两节布拉格光栅组成，有源区提供增益，前后布拉格光栅用做反射镜，相位控制腔提供波长锁定。通过调节注入前面提到的这4腔的电流来改变波长。光放大器（SOA）（3.1.8节）用于对DBR激光器输出光放大，MZ调制器（见3.2节）对光放大器的输出光进行调制。光电子芯片—基础、应用及制造143.1.6半导体光放大器（SOA）

半导体光放大器（SOA）通过受激发射，使入射光信号放大，其机理与激光器的相同。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益，如图3.1.15所示。2024年，《NaturePhotonics》期刊发表了一篇瓦特级高功率硅光放大器的文章，报道了高功率硅光放大器芯片，该芯片在极小的4.4mm2面积内输出超过1W、净增益高达16.5dB的光功率。光电子芯片—基础、应用及制造153.1.7平面波导光栅波长可调激光器

图3.1.16阵列SOA平面波导光栅腔体波长可调激光器a）阵列SOA集成光栅腔体LD原理图b）一个SOA的典型发射光谱c）波长和有源条位置的关系

光电子芯片—基础、应用及制造16图3.1.17调谐光栅腔（TGC）PIC波长可调激光器芯片a）调谐光栅腔PIC波长可调激光器结构示意图

b）实测的输出功率和波长的关系该器件单片集成了6个半导体光放大器（SOA）、一个相位控制段（PCS）、一个色散控制元件（DE）和一个刻蚀出的衍射光栅。光电子芯片—基础、应用及制造17

3.1.8垂直腔表面发射激光器（VCSEL）如果组成电介质镜的高低介质层折射率满足,该电介质镜就对波长产生很强的选择性。从界面上反射的部分透射光相长干涉，使反射光增强，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。因为这样的介质镜就像一个折射率周期变化的光栅，所以该电介质镜本质上是一个分布布拉格反射器。光电子芯片—基础、应用及制造18腔体两端的反射器是由多层电介质镜组成，即由厚度为

的高低折射率层交错组成。3.1.9硅基微环外腔波长可调半导体激光器

1.硅基微环外腔波长可调半导体激光器构成图3.1.19硅基微环波长可调外腔半导体激光器a）Si基上集成了2个反馈光的微环外腔激光器 b）硅光波导上集成了3个可调节波长的微环微环谐振器（MRR）用于调谐激光器的波长选择元件，这类激光器利用了其高的Q值，从而可以在非常窄的波长范围内选择性地放大光信号。调谐过程通过晶体的电光效应、热光效应，改变微环谐振器波导的有效折射率实现。光电子芯片—基础、应用及制造193.硅基微环波长

可调外腔半导体

激光器的工作原理在图3.1.19a中，氮氧化硅波导左右2个端面构成法布里-玻罗（F-P）光学谐振腔的2个反射面，从而构成了LD激光器的谐振腔，1路光和2路光的相位差是2的整数倍，即k(2L)=2m[见式（2.2.1）]时，则1路光和2路光发生相长干涉，其结果是在腔内产生了一列稳定不变的电磁波。当满足半导体LD工作的必要条件后，则就有光穿过氮氧化硅波导的左侧，进入SOA被放大输出。该输出光的波长是受1个环上的加热器控制的，即是可调谐的。光电子芯片—基础、应用及制造202.热电效应——外部热源引起波导折射率n变化各向异性晶体材料折射率改变不但可以由外加电场引起（电光效应），而且也可以由外部热源引起。硅介质波导内的相位变化由热源引起的效应就是热电效应。在通电加热Cr薄膜时，引起它下面波导的折射率和相位变化[见式（1.2.7）]，其值分别为

（3.1.7）

为折射率受热变化系数，T为温度变化，L为薄膜加热器长度，如果温度变化是正弦函数，则折射率变化和相位变化也是正弦函数。光电子芯片—基础、应用及制造213.2马赫-曾德尔干涉（MZI）光调制器

3.2.1电光效应

电光效应是外加电场引起各向异性晶体材料折射率n改变的效应。图3.2.1横向线性电光效应相位调制器光电子芯片—基础、应用及制造22（3.2.3）马赫-

曾德尔干涉器（MZI）MZI已被广泛应用于光滤波器、光调制器、反潜声纳、矩阵乘法运算、人工智能（AI）、神经网络、量子通信等的核心部件中。1994年，科学家发现利用马赫-曾德尔干涉器（MZI）可以执行矩阵乘法的重要数学运算。在数学上，每个MZI执行2×2个矩阵矢量乘积，MZI整个网格将使用N×N矩阵乘以N个元素的矢量。在光神经网络中，光学矩阵乘法通过MZI构成的内部移相器配置。一般的矩阵运算可用于经典计算、量子计算、数据路由、安全保障等方面。因此，光神经网络的训练权重矩阵可以通过集成光学元件一对一地物理实现。23光电子芯片—基础、应用及制造3.2.2电光相位调制器

1.铌酸锂（LiNbO3）晶体调制器

目前，大多数调制器是由铌酸锂（LiNbO3）晶体制成的，这种晶体在某些方向具有非常大的电光系数。图3.2.2x切割晶体集成相位调制器a）结构原理图b）结构截面图光电子芯片—基础、应用及制造24

正交技术产生的通用发送机中，载波信号发生器使用一个激光器，相乘器采用马赫-曾德尔调制器（MZM），分别接收

I信道信号和

Q信道信号的调制，从而实现IQ光调制，如图3.2.3所示。

在IQ光调制器内，IQ光信号经过2x1光耦合器，相当于通用发射机中的相加器，合成一路输出光信号。图3.2.3用马赫-曾德尔调制器（MZM）构成的通用正交调制光发送机光电子芯片—基础、应用及制造253.2.3马赫-曾德尔干涉（MZI）光调制器图3.2.4马赫-曾德尔幅度调制器a）调制电压施加在两臂上b）调制电压施加在单臂上与硅和III-V族元素调制器相比，薄膜铌酸锂调制器具有设计自由度优势，能够同时实现低半波电压、大电光带宽，而不影响光损耗，并具有在宽波长范围内应用的潜力。光电子芯片—基础、应用及制造263.2.4归零码差分正交相移键控

（RZ-DQPSK）MZI调制器图3.2.5RZ-DQPSK传输系统光收发机及芯片光电子芯片—基础、应用及制造27图3.2.5RZ-DQPSK传输系统光收发机及芯片设计图及器件模块光电子芯片—基础、应用及制造283.2.5薄膜铌酸锂调制器薄膜铌酸锂是由铌酸锂（LiNbO₃）材料通过薄膜技术加工形成的微型化光电材料，具有优异的电光效应、非线性光学效应和声光效应。相比传统的铌酸锂晶体，薄膜铌酸锂具有更小尺寸、更低成本和更高的集成度，并且可以在更广泛的温度和电场条件下稳定工作。以上这些特点可以使薄膜铌酸锂在5G通信、量子计算、光纤通信和传感器等领域中具有更加广阔的应用前景。薄膜铌酸锂调制器可应用于800Gbit/s和1.6Tbit/s高速光模块中。国际上已推出200GBaud商用的薄膜铌酸锂产品，国内也取得显著成效，多家公司已经开发出800Gbit/s光模块。光电子芯片—基础、应用及制造293.3电吸收波导调制器（EAM）

3.3.1电吸收波导调制器（EAM）工作原理

电吸收波导调制器（EAM）是一种P-I-N半导体器件，其I层由多量子阱（MQW）波导构成。I层对光的吸收损耗（即归一化透光强度）与外加调制电压（即反向偏置电压）有关。图3.3.1电吸收波导调制器的结构图

图3.3.2电吸收调制器透光率和反向偏压的关系光电子芯片—基础、应用及制造30

当调制电压使P-I-N反向偏置时，入射光完全被I层吸收，换句话说，因势垒的存在，入射光不能通过I层，相当于输出“0”码；反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被I层吸收而通过它，相当于输出“1”码，从而实现对入射光的调制，如图3.3.3所示。

利用电吸收调制器的工作原理，可用制作成光可变衰减器（见3.1.5节）。在8.5.5节介绍的光电子人工智能（