顧宏濤，張 宇，院智濤，蔡成杰

江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116

0 引言

電吸收調制激光器（EML）具有反應時間短、能耗低、可封裝在傳統(tǒng)DFB激光管中、易于更新和量產(chǎn)等優(yōu)點，現(xiàn)已成為干線網(wǎng)和城域網(wǎng)光發(fā)射模塊的首選器件[1]。

InP是一種帶寬為1.35 eV的直接帶隙半導體材料。InP基材料可作為基底與四元材料InGaAsP和AlGaInAs的晶格實現(xiàn)匹配生長，帶寬覆蓋1 310 nm和1 550 nm兩個通信窗口。根據(jù)材料兼容性的高低，可以設計不同波長的InP器件，制備激光器、調制器等有源器件，以及波導、合波器等無源器件[2]。

InP基電吸收調制激光器向著單片集成、高速、低損耗、穩(wěn)定等方向不斷升級。信道間的串擾使得集成陣列難以實用化、消光效率低、電吸收調制激光器的退火過程中金屬電極非常容易剝離，這些都是制備環(huán)節(jié)中需要解決的問題。

1 激光和激光器

激光是受激輻射光的放大，激光工作材料受激發(fā)會發(fā)生分布反轉，由自發(fā)輻射產(chǎn)生的沿腔軸傳播的光子在工作材料中引起受激輻射，受激輻射經(jīng)過光學諧振器，在滿足輻射條件時發(fā)射激光。激光具有單色性好、方向性好、相干性好、能量集中等特性[3]。

激光形成的充分條件如下。（1）起振條件：初始增益大于損耗。光在諧振腔內會受到各種損耗，包括反射鏡的透射損耗和諧振腔的內部損耗。（2）穩(wěn)定振蕩條件：飽和增益等于損耗。（3）粒子數(shù)反轉分布。（4）具備減少振蕩模式[4]。

激光器由激光工作材料（氣體、液體、固體或半導體）、外部激發(fā)源和激光諧振器組成。激光器可以分為固態(tài)激光器、氣體激光器（包括原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器和準分子激光器）、半導體激光器、液體激光器、光纖激光器等。

2 電吸收調制激光器的原理與工藝

2.1 電吸收效應

當外加電場作用于半導體材料時，半導體材料對一定波長范圍內的電磁波的吸收系數(shù)會產(chǎn)生明顯變化，這種效應被稱為電吸收效應。電吸收調制激光器就是利用這一效應制作而成的光信號調制器件。電吸收效應可以分為Franz-Keldysh效應（FKE）和量子限制Stark效應（QCSE）[5]兩種類型。

2.1.1 Franz-Keldysh效應（FKE）

Franz-Keldysh效應是指半導體材料在電場的作用下吸收邊會發(fā)生紅移。在外加電場作用下，光子的能量如果小于禁帶寬度，能夠被半導體材料吸收。當外加電場增加時，半導體材料中的激子迅速發(fā)生電離，半導體材料吸收光譜中相應的吸收峰消失。

2.1.2 量子限制Stark效應（QCSE）

在半導體材料中，將正常電場作用于量子阱層時，會使電子和空穴的能級發(fā)生移動，導帶底部和價帶頂部兩個能級之間的能量差減小。在外加電場的作用下，電子和空穴以相反的方向移動，這會降低激子能量，并形成激子吸收的斯塔克位移（Stark位移）。這種存在于半導體材料中的電吸收效應即量子限制Stark效應（QCSE）。

2.2 電吸收調制激光器的相關工藝

電吸收激光器是廣泛使用的光子學集成器件之一。電吸收激光器具有成本低、啁啾系數(shù)小、調制速率高、功耗低、體積小、傳輸距離遠、信號傳輸失真度小，以及可封裝、更新和量產(chǎn)等優(yōu)點，被廣泛應用于高速光纖通信中，成為光傳輸模塊的第一選擇，也是現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中的重要發(fā)射光源。

2.2.1 電吸收調制激光器的制備工藝

電吸收調制激光器多用于城市內的中、短途信息通信，電吸收調制激光器的需求量大、市場前景好，降低其制造成本是研究的重點。電吸收調制激光器（EML）由分布式反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器兩個部分集合而成，現(xiàn)主要應用對接生長和選擇區(qū)域生長兩種技術來制作電吸收調制激光器，兩種技術各有優(yōu)劣。為了使DFB激光器和EA調制器有更穩(wěn)定的性能，制作電吸收調制激光器時一般選用對接生長技術。然而，這種工藝需要使用多步刻蝕和外延技術，會增加制造過程的復雜程度和原材料成本，對電子元件的可靠性產(chǎn)生影響；除了工藝復雜、成本高，該工藝還存在氧氣接觸含鋁材料使其被氧化的風險，不適用于大規(guī)模制造。

電吸收調制激光器制備工藝的研究重點之一是找到一種方法來匹配DFB激光器和EA調制器的波長，使激光器的激光波長處于調制器激發(fā)峰的長波長范圍內。在使用合適的材料和零調制的條件下，輸出光基本可以無損耗地通過調制器。近幾年，有研究發(fā)現(xiàn)，利用InGaAlAs/InP材料，使用同一有源層技術制作電吸收調制激光器的工藝更簡單、成本更低，而且能夠解決含鋁材料的氧化問題。多量子阱有源層可用于實現(xiàn)DFB激光增益，通過選擇激光波長可以保證單模工作。

在電吸收調制激光器運行時，為提供持續(xù)的光功率，DFB激光器可以選取直流電輸入的方法；可以利用EA調制器，通過調節(jié)逆向和調制信號的頻率來調節(jié)DFB激光器的輸出光；為了防止EA調制器端面折射引發(fā)的光學反應對DFB激光器的影響，需要在調制器兩邊進行反向鍍膜；為了提升DFB激光器的輸出功率，可以對激光器端面進行高反射涂層；為了防止激光器受反向偏壓和高頻調制信號的影響，必須去掉調制器和激光器結合處的純電阻和金屬電極，以產(chǎn)生較高的電絕緣性。

2.2.2 高速電吸收調制激光器的制備

隨著互聯(lián)網(wǎng)體量快速膨脹，對于通信系統(tǒng)的需求不斷擴大，這就要求作為中、短途光纖通信重要光源的EML器件具備更強的信號傳輸能力及更優(yōu)異的性能。近年來，EML器件光源技術已經(jīng)取得一定的進步，傳輸帶寬成倍增加，傳輸速率達到10 Gb/s，并且向著40 Gb/s甚至更高速率的方向發(fā)展。對于傳輸速率為10 Gb/s的EML器件，研究人員設計制作了一種溫度控制系統(tǒng)，在TO內部貼裝一個半導體熱電制冷器，可以控制溫度，使EML器件保持高傳輸速率，實現(xiàn)光路的穩(wěn)定傳輸。為了提升EML的輸出功率，研究人員采用同一外延層集成方案設計了一種L波段陣列，并在其中集成了面向服務架構（SOA）的系統(tǒng)，實現(xiàn)了8 dBm的輸出功率。

3 InP材料的特性與優(yōu)點

3.1 InP的特性

InP（磷化銦）是一種非常重要的半導體材料，是瀝青光澤的深灰色晶體。其中的化學鍵為共價鍵，也含有少量離子鍵成分。在形式上，InP與GaAs（砷化鎵）相似，為閃鋅礦面心立方晶體構造。

InP具有特殊的光學性質。當光線穿過晶體時，會出現(xiàn)反射、吸收、能量損失等情況。通過研究光吸收在InP晶體中發(fā)生的程度，可以了解InP晶體中的電子態(tài)以及其他激發(fā)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，在光子能量約為14 eV時，InP存在一個反射系數(shù)，并且反射系數(shù)會迅速減小。

3.2 InP的優(yōu)點

（1）電光轉換效率高。InP具備直接躍遷能帶結構，其電子躍遷屬于一級躍遷，當電子由價帶頂部躍遷至導帶底部時，會吸收大量光子。和非直接躍遷能帶結構相比，其具有更大的躍遷發(fā)生概率，使電光轉換效率大大提高。

（2）電子遷移率高。遷移率和載流子濃度的乘積與電導率成正比，電子遷移率是半導體材料非常重要的性能指標，在其他條件相同的情況下，較高的電子遷移率可以提供更好的材料性能。

（3）抗輻射能力強。當InP材料受到輻射時，其產(chǎn)生的原子核反應的強度要遠小于其他種類的半導體，因此其摻雜濃度變化極小，電性質也不隨之產(chǎn)生變化。

（4）耐熱性較強。InP可以在高溫狀態(tài)下工作，其耐熱性很強，在高溫高壓設備中可用作耐高溫器件。

4 InP材料在電吸收調制激光器中的應用

用于制作電吸收調制激光器的材料基本都是Ⅲ～V族的半導體材料。對于工作波長接近1.55 μm的電吸收調制激光器，應用的半導體材料主要集中在窄帶隙的InP襯底上的三元或四元合金。

采用區(qū)域生長的方法，在帶有SiO2掩模的InP襯底上構造高質量的InGaAsP-MQW，可以成功研制出可調諧DBR激光器和性能可靠的DFB調制激光器。當襯底為S摻雜n-InP時，通過在激光器和調制器之間插入一小部分材料，可以顯著提高激光器和調制器之間的耦合效率。此外，還可以選擇用自動停止InP緩沖層的化學溶液來腐蝕InP材料和InGaAsP四元系材料。

5 InP材料在電吸收調制激光器中的應用優(yōu)勢

5.1 降低成本

（1）結合全息曝光技術與干法刻蝕技術，在有源層制備不同周期的光柵結構，可以得到雙模激光。SOA系統(tǒng)起著功率放大和模式功率平衡的作用，它與DFB激光器的集成有效地降低了器件的成本。

（2）采用激光器與一體化調制器，可以制備基于InGaAlAs/InP材料體系的1.3 μm波段的電吸收調制激光器。其具有加工簡單、芯片性能高等特點，鋁材生產(chǎn)過程中的氧化問題也得以解決，在市場有較強的競爭力。

（3）組合使用激光器和調制器，將所需的場與兩層有源底板結合，可以創(chuàng)建基于InGaAsP/InP材料系統(tǒng)的1.55 μm波段的電吸收調制激光器，可使調制器和激光的活性底板材料得到優(yōu)化，解決了垂弧和底部生長技術在EML構建中的不足。方案簡單易行，可以大大簡化集成芯片的工藝，進而降低集成器件整體成本。

5.2 提高調制速率

在優(yōu)化SAG技術的作用下，許多量子存儲材料有了生長的條件，結合BCB平坦化工藝，采用多種方案，可以將調制器的電容降至2 pF，研制得到低啁啾、調制速率為40 Gbit/s的集總脊波導EML器件，可實現(xiàn)零啁啾或負啁啾。

5.3 加強通道穩(wěn)定性和系統(tǒng)完整性

基于InP的單片集成太赫茲通信泵浦源，實現(xiàn)了四通道電吸收調制DFB激光陣列和MMI組合器的集成。使用有源區(qū)技術，可以研制可作為混合太赫茲系統(tǒng)泵浦光源的雙模輸出單片集成激光器陣列。其具有體積小、通道覆蓋廣、通道回流增加高等特點，可以滿足未來太赫茲通信應用環(huán)境對信道穩(wěn)定性和系統(tǒng)集成的要求。

5.4 降低損耗

使用有源淺脊波導和無源埋入波導的自對準技術，可以降低激光器與波導之間的耦合損耗；結合量子阱選擇區(qū)域外延技術，可以成功研制集成了10信道的電吸收調制DFB激光器陣列與掩埋波導結構的AWG合波器的EML器件。

6 未來的研究方向

未來，需要進一步探索和解決EAM電極陣列的電極剝落問題；需要優(yōu)化、改進器件技術，以提高芯片陣列的性能；在工藝方面，需要進一步研究減少端面反射的方法，如可以從優(yōu)化涂層條件和器件抗反射結構兩個方面進行研究。對于使用選擇區(qū)生長和雙疊層有源層結合制備的EML，要想提高器件的性能，要考慮使用合理的方法，優(yōu)化激光器和調制器有源層的材料結構。此外，需要優(yōu)化基于InP的單片集成WDM光發(fā)射芯片的性能。例如，可以對WDM的傳輸頻譜進行更精確的設計，以降低整個無源合波結構的傳輸損耗，并提高芯片的輸出功率。

7 結束語

隨著InP材料的研究發(fā)展，電吸收調制激光器朝著單片集成、高調制速率、損耗更低、更加穩(wěn)定的方向發(fā)展。今后的研究方向是EAM電極制備工藝的升級、InP基單片集成的WDM光發(fā)射芯片的性能優(yōu)化、激光束波長與量子材料增益波長之間關系的優(yōu)化等。