电吸收调制器在激光脉冲压缩技术中的理论和仿真实验研究

郑 奇

(湖北民族学院 理学院，湖北 恩施445000)

具有高度稳定性、易集成、体积小、脉冲啁啾小等特点的通信源是高速光通信系统必须具备的，而基于电吸收调制器(EAM)的激光脉冲源能够很好的满足了这些要求，而且其脉冲宽度在一定范围内可调谐，因此当分布反馈半导体激光器(DFB)和EAM 实现单片集成后，其又进一步具备了体积小，结构紧凑等特点，使其成为通信用短光脉冲源理想的方案［1］．作为光发射源，DFB 加EAM 组合方式的光脉冲输出的时域波型接近于孤子波型［2］，这种特点使得其特别适合于OTDM 光孤子传输系统．

在连续光注入下，EAM 透过率随外加反向偏压的非线性响应，使得EAM 在直流反向偏压和周期电信号调制的共同作用下，可产生短的光脉冲，光脉冲的重复频率等于电调制信号频率．文献［3－4］讨论了通过采用行波电极和减小EAM 的结电容和寄生电容等举措，可以有效的提高EAM 的频响，产生10～50 GHz 速率的短脉冲．目前，基于EAM 的光脉冲源已经成功的在40 Gbit/s，80 Gbit/s，160 Gbit/s 和320 Gbit/s 的通信系统中获得应用，文献［5－6］表明，在重复率为40 GHz 时，基于单一EAM 可以产生低于4 ps 的接近变换极限的高速超短光脉冲． 和非线性光纤环境(nonlinear opticalfiber loop mirror－ NOLM)、TOAD(terahertz optical asymmetric demultiplexer)等基于交叉相位调制效应的全光解复用器相比，EAM 解复用器结构紧凑，性能稳定，在电时钟控制下即可完成解复用功能，因此是一种更接近实用化的高速开关器件，在高速的OTDM 系统中得到了广泛的应用．除了可以产生高速超短光脉冲和解复用外，EAM 在光信号处理领域同样具有重要的作用．文献［7－8］研究了基于EAM 的光开关可以作为相位鉴别器，用以组成高速的光电混合锁相环实现OTDM 信号时钟提取功能．基于EAM 中的交叉吸收调制效应，还可以实现波长变换、光强度鉴别和3R 再生等功能，对于构建未来的高速、大基本理论及理论分析理论模型．

1 理论及模型

半导体的吸收光谱以相当于带隙的光波长为界限，在短波一侧急剧增大，在吸收光谱急剧上升的区域，称为吸收端．当在半导体加上电场，吸收端就会发生移动．基于半导体的吸收效应可分为Franz－ke1dysh 效应(FKE)和Quantun－confined Stark 效应(QCSE)［9］．区别是FKE 基于块状半导体材料，由静电吸引形成的激子束缚能小，只能在低温下观察到激子吸收现象;而QCS 效应基于量子阱材料，由于电子和空穴被束缚厚度在徳布罗意波长量级的窄带隙材料中，因此激子束缚能较体材料有很大的增加，在室温下就可以观察到激子吸收现象．电吸收调制器就是充分利用了外加电场导致波长漂移和半导体光吸收带隙展宽的效应．图1 可表明，由于QCS 效应，当反向偏置电压幅度增加时，带隙向长波长方向移动．器件的设计使发射波长在开状态时稍大于吸收边，因此在零偏置时只产生相对较小的光吸收．当反向偏置时，吸收边向长波长方向移动并展宽．相应地，在发射波长处吸收增加，从而提供了幅度调制． 吸收边的移动就是通过材料层中的Franz－ke1dysh 效应和Quantun－confined Stark 效应实现的．在实际应用中，在给定反偏置时后者比前者能提供更高的消光比，因而它被应用在绝大多数通信级调制器中．

图1 量子阱材料QCS 效应示意图Fig．1 QCS effect of Quantum well material

在图2 中可以观察到QCS 效应:在高带隙层中夹着低带隙材料形成窄势阱，电荷载流子则束缚于此势阱中．图2(a)给出了零偏置时双量子阱调制器的能带结构．它的有效带隙能量为量子阱体材料带隙和电子、空穴基态能量之和．当反向偏置时，能量势的斜度导致电子被拉向右侧(靠近正极)而空穴被拉向左侧(靠近负极)． 仅从几何学角度考虑，也可以清楚地看出新的有效带隙能量小于零电场时的带隙，因而吸收光的波长范围会变小．吸收会产生电子空穴对，因此可以以光电流反推吸收的幅度和对波长的依赖性［10］．吸收与波长并不是单调变化的关系，而是在靠近带隙处有一个明显的尖峰．这一特征是由光生电子－空穴间库仑引力产生的类氢态所导致的．这一状态称为激子，它显著地锐化了带隙形状，使我们可以用相对较弱的场产生更高的消光比．这个过程中，激子共振可以存在于很大的外电场下而不被离子化，这主要是因为:

1)由于量子阱的约束，电子和空穴需要相对更长的时间才能通过隧道穿透效应从量子阱中逸出;

2)量子阱层的厚度很小，使得约束在其中的电子与空穴之间的库仑作用非常明显． 这种存在于半导体量子阱材料中的电吸收效应被称作量子限制stark 效应(QCSE)．因为量子限制Stark 效应，量子阱材料的吸收谱边缘比较尖锐，在外电场作用下吸收峰的光子能量向低的方向移动的明显“红移”现象．这些优点使得半导体量子阱材料在电吸收光调制器中得到了广泛的应用以实现器件低驱动电压和高消光比等特性．

图2 反向偏置时电子与空穴的受限状态示意图Fig．2 The limited state of electrons and holes in reverse biased

由于量子尺寸效应，量子阱中电子和空穴的基态能量不再是导带低和价带顶的能量，而是基态能量随垂直于MQW 外加电场的改变而变化．

反向偏置时，库仑力将电子与空穴推向量子阱的两侧，有效地减小了反向偏置时的带隙能量．容量的光网络具有重大意义．从EAM 输出的光功率与方向偏压的关系可用式(1)来表示:

其中:I0是EAM 在偏置电压v=0 时输出的功率;V0是输出光信号的消光比为1/e时的偏置电压;n是个常数，一般来说对于非量子阱结构的取值在1～2，对于量子阱结构的取值在1～4．当使用正弦信号驱动EAM时，电压值V可表示为:

其中:t是时间;Vb是直流偏置电压;VRF是调制电压;f是调制频率．

当2πft=(2m+1)π (m=0，1，2，…)时，输出信号功率最大:

当2πft=0，输出信号功率最小:

式(3)与式(4)的比值就是产生脉冲的消光比ER:

产生的脉冲宽度可定义为半高全宽(FWHM):

其中:t0为功率输出最大的时刻;Δt是脉冲的半高全宽．脉冲的占空比可表示为Δt与周期T的比值，利用f=和式(1)～(6)，占空比可表示为:

2 电吸收调制器产生脉冲序列的实验研究

图3～5 分别是单个EAM 集成器件、产生脉冲序列实验装置以及在正弦信号驱动下EAM 产生脉冲信号的原理图示意图，其中EAM 的调制带宽40 GHz，输入波长范围1530～1560 nm;图6 是DFB 激光器的输出光谱DFB 激光器的谱宽为1．3 GHz，波长可调范围1 530～1 570 nm;使用了50 GHz 带宽的高速探测器，探测范围为C 波段;取样示波器为安捷伦公司的86100C，电带宽为70G Hz．图7 显示的是在20 GHz 的正弦信号驱动下，偏置电压为－0．8 V 是输出的脉冲和拟合曲线，脉冲宽度为7 ps，谱宽0．3 nm，时间带宽积为0．4479，基本没有啁啾．图8 是在不同偏压下，在5 V 的20 GHz 正弦信号驱动下，输出脉宽和上升沿的变化，从图8 中可以看出随着偏压的不断增加，上升沿不断增加，脉宽不断减小，这是由于随着偏压的增加，吸收不断增加的原因．从图中我们很容易看出，当偏压在－0．4 V，上升沿最小，在此处可以用作级联EAM 产生超短脉冲，后面将详细叙述．

图3 EAM 的实验器件Fig．3d evTichee oefx pEeAriMm ental

图4 单个EAM 产生脉冲的实验装置图Fig．4 Seixnpgelrei mEeAnMt dpervoidceu ce pulse

EA图M5 产 生在脉正冲弦信信号号的驱原动理下图EFAigM． 5i n tThhee s ipnuel ssei gsniganl adlr iovfe

图6DFB 激光器1 548 nm 脉冲输出光谱Fig．6 The spectral waveform of pulse at 1 548 nm of DFB

图7 0．8V 偏置电压下20 GHz 的脉冲和拟合曲线Fig．7 20 GHz pulse and curue fitting at 0．8 v bias voltage

图8 不同偏置下输出的脉宽和上升沿Fig．8 The output pulse width and rising in different bias

图9 是电吸收调制吸收特性曲线，横轴为反向偏压，纵轴为归一化功率，其中V0=2，n=3．图10 是EAM在不同重复频率正弦驱动下产生脉冲的仿真结果，其中I0=10 mW，n=1，Vb=－3V，Vrf=Vb，V0=－0．3V;图11 是占空比与n以及与吸收系数V0仿真结果．

图9 EAM 吸收特性曲线Fig．9 Absorption characteristic curve of EAM

图10 EAM 在不同重复频率正弦驱动下产生脉冲的仿真结果Fig．10 Under different repetition frequency sine drive pulse simulation results of EAM

从实验结果来看，通过使用电吸收调制EAM 技术，采取实验数据所获得过程参量，将能够获得极窄的激光脉冲，这和实验期望的结果是相符合的，当然，根据实际的需求，若要进一步减小光脉冲宽度，还可将EAM 级联(Tandem Eelectroabsorption Modulators)起来使用，由于光信号可以连续两次通过EAM，可以进一步减小其光脉冲宽度．EAM 不但可以实现产生高速的超短光脉冲的功能，还可以作为高速光开关实现OTDM 通信系统解复用的功能．

图11 仿真结果曲线图Fig．11 The simulation results graph

3 结语

深入分析了电吸收调制技术的原理，对电吸收调制激光器产生脉冲的理论进行了推导，得出指导实验进程的方法;在此基础上，通过实验分别研究了不同参量情况下电吸收调制激光器产生脉冲、脉冲性能及参量的结果;对于单个电吸收调制激光器产生20 GHz 脉冲序列进行了深入的实验研究，得到了实验仿真结果．另外，分别进行了10 GHz、20 GHz 和40 GHz 数值仿真，在单个电吸收调制器实验的基础上提出级联电吸收调制器产生脉冲序列的研究构想．

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