InP基电吸收调制激光器的应用与研究进展*

顾宏涛，张 宇，院智涛，蔡成杰

江苏师范大学，江苏 徐州 221116

0 引言

电吸收调制激光器（EML）具有反应时间短、能耗低、可封装在传统DFB激光管中、易于更新和量产等优点，现已成为干线网和城域网光发射模块的首选器件[1]。

InP是一种带宽为1.35 eV的直接带隙半导体材料。InP基材料可作为基底与四元材料InGaAsP和AlGaInAs的晶格实现匹配生长，带宽覆盖1 310 nm和1 550 nm两个通信窗口。根据材料兼容性的高低，可以设计不同波长的InP器件，制备激光器、调制器等有源器件，以及波导、合波器等无源器件[2]。

InP基电吸收调制激光器向着单片集成、高速、低损耗、稳定等方向不断升级。信道间的串扰使得集成阵列难以实用化、消光效率低、电吸收调制激光器的退火过程中金属电极非常容易剥离，这些都是制备环节中需要解决的问题。

1 激光和激光器

激光是受激辐射光的放大，激光工作材料受激发会发生分布反转，由自发辐射产生的沿腔轴传播的光子在工作材料中引起受激辐射，受激辐射经过光学谐振器，在满足辐射条件时发射激光。激光具有单色性好、方向性好、相干性好、能量集中等特性[3]。

激光形成的充分条件如下。（1）起振条件：初始增益大于损耗。光在谐振腔内会受到各种损耗，包括反射镜的透射损耗和谐振腔的内部损耗。（2）稳定振荡条件：饱和增益等于损耗。（3）粒子数反转分布。（4）具备减少振荡模式[4]。

激光器由激光工作材料（气体、液体、固体或半导体）、外部激发源和激光谐振器组成。激光器可以分为固态激光器、气体激光器（包括原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器）、半导体激光器、液体激光器、光纤激光器等。

2 电吸收调制激光器的原理与工艺

2.1 电吸收效应

当外加电场作用于半导体材料时，半导体材料对一定波长范围内的电磁波的吸收系数会产生明显变化，这种效应被称为电吸收效应。电吸收调制激光器就是利用这一效应制作而成的光信号调制器件。电吸收效应可以分为Franz-Keldysh效应（FKE）和量子限制Stark效应（QCSE）[5]两种类型。

2.1.1 Franz-Keldysh效应（FKE）

Franz-Keldysh效应是指半导体材料在电场的作用下吸收边会发生红移。在外加电场作用下，光子的能量如果小于禁带宽度，能够被半导体材料吸收。当外加电场增加时，半导体材料中的激子迅速发生电离，半导体材料吸收光谱中相应的吸收峰消失。

2.1.2 量子限制Stark效应（QCSE）

在半导体材料中，将正常电场作用于量子阱层时，会使电子和空穴的能级发生移动，导带底部和价带顶部两个能级之间的能量差减小。在外加电场的作用下，电子和空穴以相反的方向移动，这会降低激子能量，并形成激子吸收的斯塔克位移（Stark位移）。这种存在于半导体材料中的电吸收效应即量子限制Stark效应（QCSE）。

2.2 电吸收调制激光器的相关工艺

电吸收激光器是广泛使用的光子学集成器件之一。电吸收激光器具有成本低、啁啾系数小、调制速率高、功耗低、体积小、传输距离远、信号传输失真度小，以及可封装、更新和量产等优点，被广泛应用于高速光纤通信中，成为光传输模块的第一选择，也是现代光纤通信系统中的重要发射光源。

2.2.1 电吸收调制激光器的制备工艺

电吸收调制激光器多用于城市内的中、短途信息通信，电吸收调制激光器的需求量大、市场前景好，降低其制造成本是研究的重点。电吸收调制激光器（EML）由分布式反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器两个部分集合而成，现主要应用对接生长和选择区域生长两种技术来制作电吸收调制激光器，两种技术各有优劣。为了使DFB激光器和EA调制器有更稳定的性能，制作电吸收调制激光器时一般选用对接生长技术。然而，这种工艺需要使用多步刻蚀和外延技术，会增加制造过程的复杂程度和原材料成本，对电子元件的可靠性产生影响；除了工艺复杂、成本高，该工艺还存在氧气接触含铝材料使其被氧化的风险，不适用于大规模制造。

电吸收调制激光器制备工艺的研究重点之一是找到一种方法来匹配DFB激光器和EA调制器的波长，使激光器的激光波长处于调制器激发峰的长波长范围内。在使用合适的材料和零调制的条件下，输出光基本可以无损耗地通过调制器。近几年，有研究发现，利用InGaAlAs/InP材料，使用同一有源层技术制作电吸收调制激光器的工艺更简单、成本更低，而且能够解决含铝材料的氧化问题。多量子阱有源层可用于实现DFB激光增益，通过选择激光波长可以保证单模工作。

在电吸收调制激光器运行时，为提供持续的光功率，DFB激光器可以选取直流电输入的方法；可以利用EA调制器，通过调节逆向和调制信号的频率来调节DFB激光器的输出光；为了防止EA调制器端面折射引发的光学反应对DFB激光器的影响，需要在调制器两边进行反向镀膜；为了提升DFB激光器的输出功率，可以对激光器端面进行高反射涂层；为了防止激光器受反向偏压和高频调制信号的影响，必须去掉调制器和激光器结合处的纯电阻和金属电极，以产生较高的电绝缘性。

2.2.2 高速电吸收调制激光器的制备

随着互联网体量快速膨胀，对于通信系统的需求不断扩大，这就要求作为中、短途光纤通信重要光源的EML器件具备更强的信号传输能力及更优异的性能。近年来，EML器件光源技术已经取得一定的进步，传输带宽成倍增加，传输速率达到10 Gb/s，并且向着40 Gb/s甚至更高速率的方向发展。对于传输速率为10 Gb/s的EML器件，研究人员设计制作了一种温度控制系统，在TO内部贴装一个半导体热电制冷器，可以控制温度，使EML器件保持高传输速率，实现光路的稳定传输。为了提升EML的输出功率，研究人员采用同一外延层集成方案设计了一种L波段阵列，并在其中集成了面向服务架构（SOA）的系统，实现了8 dBm的输出功率。

3 InP材料的特性与优点

3.1 InP的特性

InP（磷化铟）是一种非常重要的半导体材料，是沥青光泽的深灰色晶体。其中的化学键为共价键，也含有少量离子键成分。在形式上，InP与GaAs（砷化镓）相似，为闪锌矿面心立方晶体构造。

InP具有特殊的光学性质。当光线穿过晶体时，会出现反射、吸收、能量损失等情况。通过研究光吸收在InP晶体中发生的程度，可以了解InP晶体中的电子态以及其他激发态。研究发现，在光子能量约为14 eV时，InP存在一个反射系数，并且反射系数会迅速减小。

3.2 InP的优点

（1）电光转换效率高。InP具备直接跃迁能带结构，其电子跃迁属于一级跃迁，当电子由价带顶部跃迁至导带底部时，会吸收大量光子。和非直接跃迁能带结构相比，其具有更大的跃迁发生概率，使电光转换效率大大提高。

（2）电子迁移率高。迁移率和载流子浓度的乘积与电导率成正比，电子迁移率是半导体材料非常重要的性能指标，在其他条件相同的情况下，较高的电子迁移率可以提供更好的材料性能。

（3）抗辐射能力强。当InP材料受到辐射时，其产生的原子核反应的强度要远小于其他种类的半导体，因此其掺杂浓度变化极小，电性质也不随之产生变化。

（4）耐热性较强。InP可以在高温状态下工作，其耐热性很强，在高温高压设备中可用作耐高温器件。

4 InP材料在电吸收调制激光器中的应用

用于制作电吸收调制激光器的材料基本都是Ⅲ～V族的半导体材料。对于工作波长接近1.55 μm的电吸收调制激光器，应用的半导体材料主要集中在窄带隙的InP衬底上的三元或四元合金。

采用区域生长的方法，在带有SiO2掩模的InP衬底上构造高质量的InGaAsP-MQW，可以成功研制出可调谐DBR激光器和性能可靠的DFB调制激光器。当衬底为S掺杂n-InP时，通过在激光器和调制器之间插入一小部分材料，可以显著提高激光器和调制器之间的耦合效率。此外，还可以选择用自动停止InP缓冲层的化学溶液来腐蚀InP材料和InGaAsP四元系材料。

5 InP材料在电吸收调制激光器中的应用优势

5.1 降低成本

（1）结合全息曝光技术与干法刻蚀技术，在有源层制备不同周期的光栅结构，可以得到双模激光。SOA系统起着功率放大和模式功率平衡的作用，它与DFB激光器的集成有效地降低了器件的成本。

（2）采用激光器与一体化调制器，可以制备基于InGaAlAs/InP材料体系的1.3 μm波段的电吸收调制激光器。其具有加工简单、芯片性能高等特点，铝材生产过程中的氧化问题也得以解决，在市场有较强的竞争力。

（3）组合使用激光器和调制器，将所需的场与两层有源底板结合，可以创建基于InGaAsP/InP材料系统的1.55 μm波段的电吸收调制激光器，可使调制器和激光的活性底板材料得到优化，解决了垂弧和底部生长技术在EML构建中的不足。方案简单易行，可以大大简化集成芯片的工艺，进而降低集成器件整体成本。

5.2 提高调制速率

在优化SAG技术的作用下，许多量子存储材料有了生长的条件，结合BCB平坦化工艺，采用多种方案，可以将调制器的电容降至2 pF，研制得到低啁啾、调制速率为40 Gbit/s的集总脊波导EML器件，可实现零啁啾或负啁啾。

5.3 加强通道稳定性和系统完整性

基于InP的单片集成太赫兹通信泵浦源，实现了四通道电吸收调制DFB激光阵列和MMI组合器的集成。使用有源区技术，可以研制可作为混合太赫兹系统泵浦光源的双模输出单片集成激光器阵列。其具有体积小、通道覆盖广、通道回流增加高等特点，可以满足未来太赫兹通信应用环境对信道稳定性和系统集成的要求。

5.4 降低损耗

使用有源浅脊波导和无源埋入波导的自对准技术，可以降低激光器与波导之间的耦合损耗；结合量子阱选择区域外延技术，可以成功研制集成了10信道的电吸收调制DFB激光器阵列与掩埋波导结构的AWG合波器的EML器件。

6 未来的研究方向

未来，需要进一步探索和解决EAM电极阵列的电极剥落问题；需要优化、改进器件技术，以提高芯片阵列的性能；在工艺方面，需要进一步研究减少端面反射的方法，如可以从优化涂层条件和器件抗反射结构两个方面进行研究。对于使用选择区生长和双叠层有源层结合制备的EML，要想提高器件的性能，要考虑使用合理的方法，优化激光器和调制器有源层的材料结构。此外，需要优化基于InP的单片集成WDM光发射芯片的性能。例如，可以对WDM的传输频谱进行更精确的设计，以降低整个无源合波结构的传输损耗，并提高芯片的输出功率。

7 结束语

随着InP材料的研究发展，电吸收调制激光器朝着单片集成、高调制速率、损耗更低、更加稳定的方向发展。今后的研究方向是EAM电极制备工艺的升级、InP基单片集成的WDM光发射芯片的性能优化、激光束波长与量子材料增益波长之间关系的优化等。