GaAs-AlGaAs晶体的电光调制性能模拟计算

张文芳，刘福华，贺泽民，柳 杰

(西京学院 理学院，陕西 西安 710123)

0 引言

光纤通信是当今各种通信网络的主要传输方式。光纤通信方式中的信号外调制技术，一般通过电光调制器实现电光信号的转换，再将信息经过光纤实现远距离传输[1]。电光调制器是外调制光纤通信系统中的关键器件，其性能直接影响着光纤通信系统的性能。随着光纤通信系统用量的逐年增加，对电光调制器的需求同样增长[2-3]。

GaAs-AlGaAs晶体是制造电光调制器件的重要原材料，对该材料的电光调制性能开展模拟计算可以为电光调制器件的设计制造提供初步理论指导，对于电光调制器件性能乃至整个光纤通信系统性能的提高具有重要的意义。

1 电光调制工作原理

电光调制的工作原理是基于电场对光波传输特性如偏振、相位等的改变[4-5]。改变外部电场强度及分布，可以实现光波强度、相位、偏振态等的改变，从而实现信号调制功能，这就是电光调制器[6]。由LiNbO3晶体材料制成的Mach Zehnder(M-Z)电光调制器拥有高的电光系数以及低的偏置电压，而且技术成熟[7]。目前，其被广泛应用于光纤通信系统中作为高速信号调制器。

M-Z电光调制器的结构由两个Y波导组成。输入光进入电光调制器后在第一个Y字型分支处将会分成两个相等的光束，分别在两条分路中传播[8-9]。当其中一个波导臂加载电场时，LiNbO3晶体的电光效应会改变波导的两条路径的光在真空中传播的速度与在外加电场中传播的速度的比值，并且波导中的光传输时间也会发生变化[10]。在两个波导合并的第二Y字形分支中，两个光束之间存在相位差。光学相干输出的光波电场[11]为：

(1)

其中φ1、φ2分别为两路光在两波导臂传播产生的相位移动，令φ1-φ2=Δφ，得：

(2)

式中Δφ是两束光上午相位差，可以表示为[11]：

(3)

式中m表示相位调制系数；na表示一个臂的光在真空中传播的速度与在外加电场中传播的速度的比值；nb表示另一个臂的光在真空中传播的速度与在外加电场中传播的速度的比值；l是臂长；c表示光在真空中传播的速度。电光效应使射率n和Δφ(两束光的相位差)与电场E(电压V)成一次函数关系，当Δφ=0，2π时输出光强达到最大值。当Δφ=π时，理论上输出光强度为0，但事实是不可能完全为0。

M-Z型LiNbO3电光调制器的传输特性函数表示[11]：

(4)

Pout为输出光在单位时间内做的功；α为系数；Pin为输入电光调制器的光在单位时间内做的功；V为电光调制器的施加电压(包括直流预电压和调制信号)；Vπ为电光调制器的半波电压；φoffset为偏移相位，由两个分支路的长短决定；P0是电光调制器的泄露的光功率。

2 GaAs-AlGaAs材料的模拟仿真

2.1 GaAs-AlGaAs材料的主要参数

GaAs-AlGaAs电光晶体的光学性能是各向同性的，在晶体特定方向上，加上电场会使晶体产生一个跟电场成正比的双折射量。GaAs-AlGaAs晶体具有优越的光电性能：(1)直接带隙：跃迁比较容易，跃迁概率高，同时具有高光电转换率；(2)带隙大：室温下Ge、Si的禁带宽度分别是0.74 eV、1.17 eV，比Ge、Si更难本征激发，因此极限温度高；(3)迁移率高：相同条件下其迁移率是Si的5～7倍，可达8 500 cm2/(V·s)；(4)电阻率高，电容率小。

2.2 基于衬底去除的GaAs-AlGaAs电光调制波导设计

这种波导采用“去除衬底”结构设计，从下到上依次是基板(Al0.3Ga0.7As)，有源区(GaAs)，包层是一种用于将波导黏合到另一个基板上的聚合物。脊形结构形成波导支持TE波和TM波，而本设计中只激发TE波，因为在传播方向上只有磁场没有电场，便于观察。当电极有电位差时，电磁场主要是垂直的，它会影响光的传播。电光效应使材料的折射率略有改变，这种影响很小，但它可以使光波在长距离传播后的相位产生1 cm左右的差异。在设计中，电子光学系数如(5)式：

(5)

在这个衬底去除GaAs-AlGaAs电光波导中，只有电磁场的垂直分量(rVEV)才能影响折射率。在上部和背面电极之间施加17.8 V的电位差(上电极17.8 V下电极0 V)。波导设计如图1所示。

图1 波导结构设计

2.3 GaAs-AlGaAs电光调制器的模拟计算

电光调制器可以选择横向平面的Z切位置，以模拟静电场、电光和光分布。参数设置为：有源区宽度为0.73 μm，上电极为17.8 V，下电极为0 V，各数据结果进行模拟计算。

(1)调制电极设计。

有源区电极3D如图2所示。

图2 有源区电极3D仿真

图2中上面一层为有源区。X方向为宽度，Y方向为厚度，Z方向为传播方向。电极从下电极的0 V沿传播方向经过基板最终到达有源区，电极达到最大值17.8 V。

(2)光学折射率与电场变化关系。

沿X方向的电场与材料光学折射率的关系如图3所示。

图3 沿X方向电场与折射率的关系

当沿X方向时，平面里有源区贯彻整个平面，有效折射率曲线呈一条平行线，沿X方向时整个波导左右对称，在中间时电场与有效折射率都达到最大。

(3)光斑分布。

图4是光斑沿XZ方向光强分布，光强都集中在有源区(X cut=0)附近，且中间红色部分光场强度达到最大值，由于波导沿X方向时左右对称，所以光强也沿X=0上下对称。

(4)沿Z传播方向的电势。

图5 是延Z传播方向3D静电势图，结果表明电势主要集中在上电极附近，下电极为0 V，沿着传播方向静电势越来越大，直至最大值17.8 V。

图5 延Z传播方向3D电势分布

将有源区宽度改为1 μm，将电压改为4.5 V，上电极为4.5 V，下电极为0 V，各数据结果变化趋势基本相同。

3 结语

本研究采用OptiBPM仿真环境，对衬底去除的GaAs-AlGaAs电光调制器的电光调制性能进行模拟计算，对改变设计参数的结果进行了对比分析。可发现扩大有源区范围各平面的光强分布的范围更加广泛，光电解算器反映的静电场、电光和光的分布，越靠近有源区静电场与光场越强，当进入有源区时出现折射率，呈阶梯状分布。以上模拟计算结果可以用于GaAs-AlGaAs材料的高速低电压电光调制器的设计中。