EML芯片前端超低反射膜

EAM是Electroabsorption Modulators的縮寫，即電吸收調(diào)制器。在無外電場(chǎng)時(shí)，調(diào)制光波長(zhǎng)處于EAM吸收曲線外 ，光信號(hào)幾乎無損失地通過EAM；在施加一定電場(chǎng)后，EAM的吸收曲線向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，調(diào)制光波長(zhǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收。

利用EAM的這一特性，當(dāng)一定功率的光信號(hào)通過EAM時(shí)，在EAM上施加不同強(qiáng)度的電信號(hào)，可以產(chǎn)生相應(yīng)不同強(qiáng)度的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)制。

早期的EAM吸收區(qū)由體材料制備而成，它是基于Franz-Keldysh效應(yīng)：在外電場(chǎng)作用下，價(jià)帶電子隧穿躍遷到導(dǎo)帶的幾率大大增加，這等效于吸收區(qū)的有效能隙Eg減小，根據(jù)愛因斯坦關(guān)系式Eg=hv=hc/λ， Eg減小，λ增加，所以吸收區(qū)的吸收邊發(fā)生紅移。該類型的EAM制作簡(jiǎn)單、啁啾比直接調(diào)制激光器（DML）小，在早期的2.5Gb/s長(zhǎng)距離傳輸網(wǎng)中取得了成功的商用。但體材料制備的EAM啁啾系數(shù)始終是正值，難以取得負(fù)的啁啾（因?yàn)槠涠盖偷奈涨€邊緣隨著外電場(chǎng)增加迅速變得平緩），無法適應(yīng)更高速率/更長(zhǎng)距離的傳輸場(chǎng)景；

為了獲得更好的傳輸性能，現(xiàn)在的EAM吸收區(qū)由多層量子阱制備而成，它的電致吸收邊紅移是基于量子限制strak效應(yīng)：當(dāng)外電場(chǎng)垂直于量子阱時(shí)，吸收區(qū)紅移。這個(gè)聽起來和Franz-Keldysh效應(yīng)類似，但吸收區(qū)紅移的機(jī)制是不一樣的。在量子阱中，由于電子-空穴運(yùn)動(dòng)受勢(shì)壘限制，激子變得非常穩(wěn)定，它可以參與到光的吸收過程中來。（激子簡(jiǎn)言之，是電子吸收光子后躍遷，但未完全躍遷到導(dǎo)帶，它仍與空穴“結(jié)合在一起”，還不是自由電子；在體材料的Franz-Keldysh效應(yīng)中，不存在量子勢(shì)壘限制，激子無法穩(wěn)定存在）。量子阱中光子吸收過程有激子的參與，其能量關(guān)系如下圖所示：當(dāng)電場(chǎng)增加時(shí)，Ee1減小，Ehh1減小，EB也減?。ぷ雍妥杂呻娮又g的能量差，即激子的結(jié)合能），但Ee1和Ehh1減小幅度大得多，所以hv整體上減小，即吸收波長(zhǎng)紅移，這就是量子限制strak效應(yīng)。

基于量子限制strak效應(yīng)的EAM，在電場(chǎng)作用下，其吸收曲線紅移的同時(shí)，吸收峰強(qiáng)度也在下降，但是其吸收峰邊緣還是十分陡峭的，它可以較容易實(shí)現(xiàn)很低的甚至是負(fù)的啁啾，這對(duì)于高速遠(yuǎn)距離傳輸至關(guān)重要。

------第二：EAM中的量子阱------

單層量子阱的厚度：

量子阱的厚度對(duì)EAM性能影響很大，單層量子阱有較大厚度時(shí)，其對(duì)光的吸收能力變強(qiáng)，調(diào)制效率會(huì)增加；但是太厚了，量子限制效應(yīng)會(huì)減弱?；谛阅艿钠胶?，單層量子阱厚度一般為9nm左右。

應(yīng)變量子阱：

無應(yīng)變量子阱的EAM，由于價(jià)帶能級(jí)的不連續(xù)性，很容易產(chǎn)生空穴堆積，在光功率達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生吸收飽和。其結(jié)果就是，當(dāng)EAM的反偏電壓增加時(shí)，EAM的帶寬會(huì)先達(dá)到最大值，然后急劇減小。這給EAM的性能帶來不利影響。通過在量子阱中加入壓應(yīng)變，可以消除載流子堆積，EAM的帶寬基本不隨反偏電壓變化。此外應(yīng)變量子阱更容易實(shí)現(xiàn)低的甚至負(fù)的啁啾。

-------第三：EML集成芯片---------

EAM芯片單獨(dú)用起來相當(dāng)不方便，通產(chǎn)將它與DFB集成在一起形成EML集成芯片。DFB與EAM的集成有3大關(guān)鍵問題：

DFB與EAM之間的高效耦合

DFB的光能夠有效傳遞到EAM是進(jìn)行高效光調(diào)制的前提。DFB和EAM之間的耦合效率可以通過重疊積分計(jì)算。根據(jù)重疊積分，實(shí)現(xiàn)高效率耦合的條件是 模場(chǎng)匹配 和相位匹配。DFB的波導(dǎo)和EAM的波導(dǎo)都是量子阱結(jié)構(gòu)，雖然其量子阱材料、量子阱厚度、量子阱層數(shù)不一樣，但其模場(chǎng)差別很小，只要DFB波導(dǎo)和EAM波導(dǎo)模場(chǎng)相位匹配，就可以達(dá)到較高的耦合效率。對(duì)于直接對(duì)接耦合的波導(dǎo)，要求兩波導(dǎo)完全對(duì)準(zhǔn)，中間無任何對(duì)接缺陷。目前的工藝水平，DFB波導(dǎo)與EAM波導(dǎo)橫向?qū)?zhǔn)偏在50nm以內(nèi)，縱向波導(dǎo)對(duì)接缺陷不超過0.5um，耦合效率在80%左右。

2. DFB與EAM之間的電隔離

DFB由正向電流驅(qū)動(dòng)輸出恒定的光功率，而EAM由反偏電壓和調(diào)制電壓驅(qū)動(dòng)對(duì)DFB的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。二者之間通常需要20KΩ以上的電隔離。如果隔離器電阻不夠，EAM上的調(diào)制電壓可能泄露到DFB上，在降低EAM的調(diào)制效率的同時(shí)，還使得DFB驅(qū)動(dòng)電流變化產(chǎn)生額外的啁啾；或者反過來，DFB的電流泄露到EAM上，對(duì)EAM的工作造成不利影響。目前的解決方案是在DFB和EAM的對(duì)接區(qū)的外包層形成淺隔離溝槽，形成約~50um的電隔離區(qū)，隔離電阻通常可達(dá)50kΩ以上。

3. EML芯片前端超低反射膜

如果EML芯片前端面反射率過高，反射光會(huì)隨著EAM的ON/OFF調(diào)制，對(duì)DFB形成調(diào)制效應(yīng)，形成所謂“絕熱啁啾”。因此必須嚴(yán)格控制EML芯片前端面的反射。理論計(jì)算表明，當(dāng)EML芯片前端反射率在0.01%以內(nèi)時(shí)候，絕熱啁啾可以忽略。對(duì)比一下一般的光學(xué)表面的增透膜0.2%的反射率水平，EML增透膜的反射率要求在0.01%以內(nèi)，這是非常有挑戰(zhàn)的！除了鍍膜以外，有些公司還將EAM的波導(dǎo)做成斜的，可進(jìn)一步降低端面反射率。

------第四：EML芯片的封裝特點(diǎn)------

EML芯片封裝時(shí)是必須帶TEC溫控的，這是因?yàn)镈FB的溫度漂移系數(shù)在~0.1nm/℃，而EAM的溫度漂移系數(shù)在~0.5nm/℃，它們之間有~0.4nm/℃的差距。在低溫下，DFB波長(zhǎng)處于EAM吸收區(qū)之外，EML還能有較大的光功率輸出；隨著溫度的升高，EAM的吸收區(qū)將迅速向DFB的波長(zhǎng)移動(dòng)，DFB的光將被大量吸收，再疊加上溫度升高引起的DFB本身的功率降低，EML的輸出光功率急劇降低（做過數(shù)通400G FR4的朋友肯定有經(jīng)驗(yàn)，所謂Uncool EML高溫光功率掉7~8dB是很常見的）。

TEC的存在使得EML芯片能發(fā)揮最佳性能，但是其巨大的功耗也令人十分討厭。去除TEC實(shí)現(xiàn)EML的Uncool封裝是目前EML的發(fā)展方向。隨著溫度的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整EAM的偏置電壓，使得EAM的吸收區(qū)和DFB的工作波長(zhǎng)之間的距離維持在穩(wěn)定水平是一個(gè)解決方案。其缺點(diǎn)是溫度升高，EAM反偏電壓變小，EML芯片將有更大的啁啾，（EML芯片的啁啾隨反偏電壓增加而減?。┻@對(duì)于短距離應(yīng)用可能沒沒什么，對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸影響較大。另一個(gè)方案就是合理設(shè)計(jì)EAM的吸收區(qū)和DFB的工作波長(zhǎng)之間的距離，使得在EML工作溫度范圍內(nèi)，EML的輸出光功率和消光比都維持在一個(gè)較為理想的水平，并且使用 InGaAlAs材料來提高EML的高溫工作特性，但目前無制冷的EML還不是很成熟。
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